急冷塔运行工况参数的数值模拟分析

郭慧媛

(陕西省石油化工学校，陕西 西安 710061)

固体废物焚烧产生的高温烟气含有颗粒物、有机物和氯化物等诸多成分，在降温过程中产生二噁英类物质，造成严重的环境污染。根据二噁英类物质生成机理，缩短烟温在250～500 ℃区间的时间是一种简单有效的方法[1]。烟气急冷塔是一种迅速降低烟气温度、控制二噁英类污染的常用设备[2]。本论文采用商用fluent流体力学计算软件进行数值计算，根据某垃圾焚烧系统急冷塔按1:1建立模型，急冷塔选用双流体单喷嘴结构，喷嘴型号和雾化数据参考Spraying公司样本，模型中简化了喷嘴和喷嘴保护套管的结构。模型主要采用结构体网格法，烟道弯头及安装喷嘴处采用的是四面体网格化方法，整个模型的网格数量约为26万个单元。急冷塔内喷入的雾化液滴蒸发降温过程是非常复杂的传质传热过程，并发生复杂的物理化学反应[3]，计算模型中仅考虑液滴的蒸发传质传热过程，不考虑物化反应和液滴间的相互作用。

1 喷嘴型号

该急冷塔使用的喷嘴为：FM10型，Spraying公司。喷射锥角有两种，一种是20°锥角，另一种是55°锥角。在其他条件相同的前提下将两个不同锥角的喷嘴进行模拟计算，比较结果如表1所示。

图1 急冷塔结构

表1 模拟结果对比统计

由表1可见，这两种型号喷嘴的出口烟气温度基本一样；选用55°喷射锥角时，塔内壁最低温度远低于100 ℃，有较多的液滴与内壁碰撞，标记为“trapped”液滴量达21.25%，很容易出现“湿壁”粘壁现象，所以55°锥角的喷嘴不适合用于急冷塔的喷水降温操作。

2 喷水量对急冷塔运行的影响

急冷塔的一个重要运行控制参数是喷水控制，喷水控制效果将直接影响急冷塔降温效果、二噁英减排效果；水量过大、喷水控制波动大则会影响急冷塔的稳定运行[4]。喷水量对各控制因素的影响如下，喷水量在0.4 kg/s以上时出口烟温降低到250 ℃以下；喷水量在0.5 kg/s以下时壁面最低温度在100 ℃以下；“trapped”液滴量基本与喷水量呈指数关系。

表2 喷水量影响数据对比

3 液滴中位径对急冷塔运行的影响

喷嘴运行水压和雾化空气压力变化直接影响雾化液滴的粒径分布规律[5]，在急冷塔喷嘴现场操作中，水压和雾化空气压力是不断调整的。本文直接模拟计算不同中位径，结果如表3所示。

表3 液滴中位径影响数据对比

由表3可知：液滴中位径对“trapped”液滴量的影响较大，中位径在(150±20)μm变化时，“trapped”液滴量变化幅度达±25%，液滴粒径大，动能大，运动到塔壁的几率也大。上表中的液滴中位径数值计算范围内，出口烟温不受液滴中位径的影响；最低壁面温度在138～149 ℃内。

4 入口烟气温度对急冷塔运行的影响

垃圾焚烧操作和焚烧烟气是波动的，烟气温度也在不断变化，为确定急冷塔对烟气温度变化的适应范围，在保证急冷塔出口烟气温度基本恒定的条件下，本文计算了不同烟气温度下急冷塔的数值模拟运行状态，计算中适当调整了喷水量，其他计算条件不变。

表4 入口烟温影响数据对比

由表4可知：烟气温度与喷水量基本呈线性关系，最低壁面温度随进口烟温升高呈下降趋势；喷水量增加，液滴扩散蒸发范围增大，“trapped”液滴量缓慢增大；急冷塔能够适应进口烟温在500～800 ℃的变化幅度。

5 烟气量对急冷塔运行的影响

为确定急冷塔对烟气量变化的适应范围，在保证急冷塔出口烟气温度基本恒定的条件下，本文模拟计算不同烟气量下急冷塔的运行状态，适当调整喷水量，其他计算条件不变。“入口烟气量%”是模型入口边界条件的烟气量与设计烟气量的体积之比。

表5 入口烟气量影响数据对比

由表5可知：烟气量对最低壁面温度和液滴蒸发时间影响较小；“trapped”液滴随烟气量的增加缓慢增加；急冷塔能够适应烟气量在60%～120%的变化幅度。

6 结 论

通过对急冷塔运行参数的数值模拟计算，最终确定：两种FM10型喷嘴中，该急冷塔适用20°喷射角的喷嘴；在0.4～0.5 kg/s的喷水量范围、500～800 ℃的入口烟气温度范围、60%～120%的烟气量范围、出口烟温控制在175～250 ℃范围，急冷塔可以长期稳定运行；急冷塔最佳出口烟温(230±10) ℃；根据SPRAY公司喷嘴选用样本，结合模拟计算结果，急冷塔喷嘴的最佳操作参数范围是：压缩气体压力0.276～0.55 MPa，液体压力0.324～0.517 MPa。