煙道內活性炭及消石灰粉末噴射均勻性模擬分析

目前，在國內處置垃圾焚燒項目中需要在煙道里噴射活性炭進行煙氣的凈化處理，活性炭可以有效吸附重金屬等污染物，達到排放的標準。而煙道內噴射消石灰一方面是對脫硫塔脫硫效果的增強，另一方面脫硫塔若出現問題，可利用噴石灰干法進行脫硫。但如何提高活性炭及消石灰粉末在煙道內的覆蓋率、活性炭及消石灰粉末與氣流分布的均勻性、延長活性炭及消石灰粉末的停留時間，是提高吸附及反應效率、節省物料損耗的關鍵。

某圾焚燒項目，其脫硫除塵設備為：半干法脫硫+布袋除塵器，由于場地的限制，脫硫與除塵之間的煙道無法保證有足夠長的直段來使活性炭及消石灰粉末充分擴散并分布均勻。根據資料顯示，隨著噴管內氣體射流速度的增大,噴出的粉末顆粒的均勻性先提高后降低,在20-22m/s速度區間內出現最優值，本文通過對該工程實例的CFD分析，研究煙道內粉末顆粒的氣固兩相分布情況，分析單一噴點，通過不同噴射點位置的設置，在煙道內來流一定的情況下，結合兩種不同粉末顆粒在煙道內噴射后擴散均勻所需要的最短距離，并考慮兩種粉末在同時噴射時的相互影響問題，最終制定出在同一煙道布置情況下，最佳的粉末噴射點和達到高覆蓋率和均勻性所需的最短煙道長度。

1 工程實例說明

某垃圾焚燒項目，脫硫塔底部灰斗接出口煙道，該煙道水平布置并與布袋除塵器連接?；钚蕴考跋曳勰┰跓煹郎系膰娚湮恢萌鐖D1所示。

圖1 布置結構圖

實際工程中，通過停機檢修發現，在進入布袋除塵器前，無論是活性炭粉末或是消石灰粉末只出現在煙道的一側管壁上，說明粉末并沒有在煙道內充分擴散。從布置圖上可看出，煙道的入口接脫硫的灰斗，由于該處無法增加合適的導流措施來控制氣流走向，煙道的來流形式必然會不均勻，不均勻的氣流會抑制射入的粉末自擴散能力，造成粉末顆粒難以在有效的煙道長度內均勻分布。

2 模型分析及邊界參數設置

2.1 模型分析

根據結構布置圖建立CFD模型，研究對象為煙道內的粉末分布情況，因此省略布袋除塵器的模型，如圖2所示。

圖2 CFD模型

由于在脫硫塔灰斗增加導流板來控制煙道內的流場均布極為不易[2]，因此本次模擬分析是基于煙道內來流不做調整的情況下，布置兩個噴射點位置來控制粉末的均布性，由于實際管道長度在不同項目上可能有所變化，在管道直徑為1500mm時，本次模擬需要找取粉末分布均勻所需的最小煙道長度，以脫硫塔灰斗與煙道中心線交界處之后1735mm處為消石灰噴射管位置，分別取該位置之后3650mm、2650mm和1650mm（分別記為a、b和c，見圖2）為監測截面，分別獲取截面上單獨的活性炭和消石灰粉末顆粒分布點以及兩者同時噴射時的粉末顆粒分布點分布情況。

2.2 模型邊界參數設置

參數設置如下：

1）脫硫入口煙氣量：90000m3/h，煙氣溫度為150℃；

2）活性炭粉末噴射量：8Kg/h，粒度為250目，比重為0.4g/cm3，溫度為60℃。輸送管道為DN65，噴射口為DN65×DN100，輸送風量3.4m3/min；

3）消石灰粉末噴射量：600Kg/h，粒度為200目，比重為0.6g/cm3，溫度為60℃。輸送管道為DN100，噴射口為DN100×DN150，輸送風量10m3/min；

由于粉末在流場中以離散相的形式存在，因此模擬時需使用Discrete Phase Model(DPM模型)[2]，同時做出如下假設：

1）粉末粒子均勻進入流場，且入射角度與入射面相互垂直；

2）粒子形狀為規則球形，粒徑均勻分布，不考慮粒子的形變；

3）由于粒子受到粘性及靜電作用會發生碰撞、融合，因此在計算過程中考慮粒子間相互碰撞和融合[3]。

3 結果分析

3.1 氣流場分析結果

由于要進行粉末顆粒噴射口的定位，首先要知道煙道內流場的分布情況，在合適的流場區域進行粉末顆粒噴射有助于其快速分布均勻，流場的分布如圖3所示：

圖3 整體流線圖

圖3中截面1附近區域存在明顯的過高風速，氣流場分布在煙道斷面上為上高下低，且從流線整體運動趨勢看，煙道內形成左右對稱的兩個螺旋渦流（見圖3截面1速度矢量圖）。在煙道與脫硫灰斗對接處區域渦流強，速度變化劇烈，隨后沿煙道長度逐漸減弱、平順。因氣塵兩相旋流中塵粒在流道內不具有獨立運動的能力，它依靠氣流作用而發生運動[4]。

3.2 原始工程項目噴射點分析

對原工程項目的活性炭和消石灰粉末進行單獨模擬分析。

3.2.1 活性炭粉末噴射點分析

圖4 原始狀態下活性炭粒子擴散圖

圖5 出口（outlet）截面上活性炭粒子分布圖

由圖4粒子擴散圖可以看出，原始的活性炭粉末噴射管由于伸入煙道內部較淺，小于250mm，導致其活性炭粉末噴出后主要受到煙道內部單側渦流的影響從而主要分散于煙道一側，從圖5粒子斷面分布圖可以明確看出，煙道出口截面上的粒子分布只集中于左側。粉末若出現在對接處區域附近，將大概率跟隨主渦流運動直至煙道出口，很難進行后續分離擴散，因此活性炭及消石灰粉末的噴射點應避免出現在該位置。

3.2.2 消石灰粉末噴射點分析

圖6 原始狀態下消石灰粒子擴散圖

圖7 出口（outlet）截面上消石灰粒子分布圖

由于消石灰噴射管伸入煙道內深度、高度與活性炭噴射管一致，圖6、圖7的消石灰粒子擴散和粒子分布圖幾乎與活性炭的分布一致，說明雖然粉末顆粒的比重和噴射量不同，煙道流場對其的影響也是一致的。    

造成以上兩種粉末顆粒分布狀態的主要原因是：兩種粉末噴射管深入煙道的距離過短，噴射口的位置正位于一側渦流區，粉末顆粒噴出后僅會在該側渦流區內分布擴散，很難擴散到另外一側的渦流區域，因此就會造成以上粒子分布圖的效果，在該粉末顆粒分布狀態下，即使加大粉末顆粒的噴射量，大量的粉末顆粒都跟隨渦流主流高速運動，降低了粉末顆粒的有效停留時間，即無法有效的提高吸附或中和反應效率，只會增加物料的損耗，增加下游袋除塵器的進口粉塵濃度，影響袋除塵效率。

本文提出的改進思路為：增加兩種粉末顆粒噴射管深入煙道內的長度，最佳位置在于兩個渦流交接處；噴射管在煙道高度上也做適當調整，避免在過高風速區噴射粉末顆粒。

3.3 改進方案

3.3.1 活性炭粉末噴射點改進分析

圖8 改進方案

圖9 改進后活性炭粒子擴散圖

圖10 出口（outlet）截面上活性炭粒子分布圖

根據圖8的噴射管定位改進方案，進行了后續改進分析，分析結果顯示其符合對原始噴射點問題的判斷，噴射管高度位置高度降低，深入位置加長后，粉末顆粒能很快分散到兩個渦流區內（如圖9），并同步擴散，最終達到在出口分布均勻的狀態（如圖10）。

3.3.2 消石灰粉末噴射點改進分析

圖11 改進方案

圖12 改進后消石灰粒子擴散圖

圖13 出口（outlet）截面上消石灰粒子分布圖

由于兩種粉末顆粒并不在同一位置噴射，因此考慮噴射點與監測點的位置變化，保證精準噴射擴散，互不影響。因此，消石灰的噴射管口定位與活性炭的噴射管口定位錯開布置（如圖11）。從活性炭噴射分析結果看，粒子擴散圖均勻（如圖12），粒子在煙道出口斷面的覆蓋率高（如圖13）。

結合活性炭及消石灰粉末噴射改進結果看，根據固定的煙道來流形式，可進行煙道內的噴管精準布置[5]，達到所噴粉末顆粒擴散均勻的目的,該種改進方案可減少粉末顆粒的噴入量，降低物料消耗。

3.3.3 活性炭和消石灰同時噴射分析

活性炭粉末和消石灰噴射管位置按上述方式調整后同時噴射活性炭和消石灰粉末顆粒，其粒子擴散圖如圖14所示：

圖14 活性炭和消石灰粒子擴散圖

可以看出，活性炭和消石灰粉末顆粒同時噴射時，兩種顆粒經與氣流充分混合擴散后在煙道出口位置達到均勻分布，同其單獨噴射時顆粒軌跡相似。

圖15 活性炭和消石灰粒子在煙道不同斷面分布圖

由圖15分析,單獨噴射活性炭或消石灰時，兩種顆粒均在擴散至a處的煙道截面上分布已趨于均勻，在b和c處的截面上粉末顆粒擴散多集中于煙道中上方；當兩種粉末顆粒同時噴射時，在a和b兩處的截面上粒子分布已無明顯區別，都趨于均勻，為保證兩種粉末顆粒單獨噴射和同時噴射時的斷面粉末均勻的統一性，在活性炭和消石灰噴射位置改進后，取a處截面作為活性炭和消石灰兩種粉末顆粒的最小擴散距離。如圖16所示：

圖16 活性炭粉末最小擴散距離圖

3.3.4 粉末停留時間對比

延長粉末在煙道內的停留時間，有利于增加粉末中和、吸附的機會，根據以上不同噴射點所形成的粉末分布分析可知，原始位置噴射時會造成大量粉末無法擴散并跟隨氣體主流快速流出煙道，經過調節噴射點位置后，噴入的粉末可以借助煙道內氣流主流所形成的湍流及渦流擾動擴散，該過程既增加了粉末在煙道的停留時間又利于粉末充分擴散均勻。圖17、圖18為出口截面上兩種粉末在不同噴射位置下的煙道停留時間分布對比，出口截面上粒子停留時間反映了粒子從進入到離開流場區域所消耗的時間，停留時間越久，粉末與氣流之間的吸附反應時間越久。

圖17 活性炭粉末在煙道內停留時間曲線圖

圖18 消石灰粉末在煙道內停留時間曲線圖

由圖17、圖18看原始單獨噴射時，約90%的粉末顆粒在煙道內的停留時間小于0.42s，并且在更短時間內粉塵顆粒的占比會更大；更改噴射位置后，活性炭粉末的煙道停留時間延長明顯，平均停留時間為0.56s左右；兩種粉末共同噴射時的煙道停留時間整體比之前有一定延長,這也代表了粉末顆粒充分利用了煙道內的渦流產生擾動，增加了擴散能力。

4 結語

針對該垃圾焚燒項目分析可得一下結論：

1.結合原工藝布置及粉末噴點位置模擬分析，粉塵顆粒幾乎完全出現在煙道的一側，與實際煙道壁面上粉末分布一致。

2.在不更改原結構情況下，調整粉末噴點位置，可達到粉末擴散均勻的目的。

3.調整粉末噴點位置，經過單一噴射和組合噴射分析，可得出粉末顆粒擴散均勻所需最短煙道長度，對實際煙道工藝布置提供依據。

在實際的工程項目中，由于設備自身結構問題無法控制煙道內的氣流均布情況，因此在相同的設備結構形式下，通過調整粉末顆粒噴管的位置，就可以確定出擴散均勻所需的最短直段管道，該模擬分析結果可在實際工程中明確噴管的安裝位置及指導煙道的工藝布置。