文丘里洗涤塔在危废焚烧尾气净化中的应用及CFD模拟分析

陈贤春 许 灿 邹 镁 王 奔

（1.湖南省环科院环境工程有限责任公司，湖南 长沙 410004；2.湖南北控威保特环境科技股份有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

文丘里塔由于其优越的除尘[1]、降温、传质[2-3]性能在化工行业中作为喷雾器具有广泛的应用，因其作为洗涤器具有结构轻巧、操作简便、降温除尘吸收效率高[4]的突出特点在尾气净化中逐渐得到推广与应用。但是，文丘里塔在危险废物焚烧尾气净化中的应用较少，因此可以将优点众多的文丘里技术应用到危废焚烧尾气净化中。

针对危废焚烧尾气的成分特点，在确保经济性、高效性、先进性、可行性的前提下，该项目采用 “急冷塔+布袋除尘器+文丘里洗涤塔+深度净化系统+引风机+蒸汽换热器+烟囱”的废气治理工艺路线。该文主要探讨文丘里洗涤塔在危废焚烧尾气中应用的技术要点，并利用先进的ANSIS Fluent 软件进行CFD流场模拟，确定文丘里洗涤塔喉口处的最佳烟气流速。

1 文丘里洗涤塔在危废焚烧尾气净化中的应用实例

1.1 文丘里洗涤塔进出口烟气参数

危险废物焚烧尾气中所含的污染物成分除常见的SO2、NOx、颗粒物外，还含有与危险废物原料成分息息相关的HCl、HF、二噁英、重金属等污染物。文丘里洗涤塔位于除尘器之后，其进口烟气参数见表1。

根据文丘里洗涤塔的降温、除尘及预脱酸的作用，经文丘里洗涤塔之后，温度大幅度降低，进一步去除烟气中的颗粒物，预先除去部分酸性污染物，为后续深度净化工艺提供条件并减少建设及运行成本，确保净烟气达标排放。文丘里洗涤塔出口烟气参数见表1。

1.2 文丘里洗涤塔结构及材质

如图1所示，文丘里洗涤塔由文丘里段和洗涤段组成。文丘里段设置在洗涤段左上方，根据文丘里结构特性自上而下设置烟气入口段、收缩段、喉口和扩散段，并于烟气入口段两侧开孔接入洗涤液喷淋管，喷淋管末端装设喷嘴。洗涤段为圆形，筒体上设置工程所需的人孔、与泵连接孔、排净孔等，在右上角设置烟气出口。

图1 文丘里洗涤塔结构示意图

文丘里洗涤塔材质：文丘里段温度高（高达185 ℃）、气速快，材质要求耐高温耐压耐腐蚀，筒体采用1.4529；洗涤段温度相对较低（约100 ℃）、气速较低，材质要求耐温耐压耐腐蚀，筒体采用碳钢衬1.4529。

烟气处理流程如下：危废焚烧尾气从文丘里段顶部进入，在文丘里收缩段开始加速，至喉口处速度达到最大，高流速的烟气冲击洗涤液（洗涤液从文丘里收缩段上方的洗涤液喷淋管喷入）表面，将洗涤液雾化成大量微小雾滴，因此增加了液体的表面积，利于气液之间进行热量交换及物质反应，使焚烧尾气温度大幅度降低的同时除去了部分酸性污染物。此外，被焚烧尾气冲撞高速运动的雾滴易于与细小的尘粒凝聚，以进一步去除焚烧尾气中的颗粒物。焚烧尾气往下到达扩散段时，流速慢慢降低，气相的剪切力继续发挥作用使雾滴进一步破碎，使物化反应更完全，达到降温、除尘、脱酸的目的。焚烧尾气经过文丘里段的强烈反应后进入洗涤段，尾气俯冲而下至洗涤段底部，受洗涤段底部的反作用力后在洗涤段内呈螺旋状运动，延长了焚烧尾气与洗涤段内洗涤液的接触时间，进而延长吸附反应的时间，以提高脱酸效率。经文丘里洗涤塔洗涤后的尾气进入下一级深度净化系统，确保净化后的尾气达标排放。

1.3 文丘里洗涤塔的作用原理

文丘里洗涤塔在危险废物焚烧尾气净化中发挥了显著的降温作用、深度除尘作用及初步的脱酸作用，原理如下。

降温原理：从文丘里收缩段上部经喷嘴喷入的洗涤液，经喉口处的高速气体雾化后，将洗涤液破碎至粒径为100μm～200μm的微小雾滴[5]，大大增加液滴与尾气的接触传质面积，与热气流接触后，热量从气体中传递到液滴中，液滴温度升高并蒸发[6]，用该方式将气体的热量带走使气体温度急速降低。喉管处气速越高，雾化效果越好，液滴表面积越大，传热效果越好；喉管处气速越高，紊流程度越大，雷诺数越大，而传热系数与雷诺数成正比。因此，喉口处气速越高，文丘里洗涤塔降温效率越高。

除尘原理：高温焚烧尾气进入文丘里收缩段后，气体流速随着收缩段截面积的缩小而快速增大，在喉口处增至最大值，此时气体的动能最大，压力能最小。

高速的气流使气体和液体混合充分，使气体中的粉尘与液滴碰撞沉降的概率增大，碰撞之后的微小含尘液滴在扩散段中凝聚成更大的液滴，液滴的大小直接影响洗涤段中气液分离效率的高低[7]。 液滴越大，气液分离越彻底，除尘效率越高。

脱酸原理：与焚烧尾气混合的液体采用碱液，碱液可与焚烧尾气中的酸性污染物发生化学反应，将部分酸性污染物进行吸收净化。吸收反应主要发生在喉口处和洗涤段。喉口处高速的气流加快了碱液与尾气中酸性污染物的反应速度，使污染物快速被吸收。从扩散段减速进入洗涤段的气体在洗涤液中呈螺旋状运动，延长了气体与洗涤液的接触时间，进而延长吸附反应的时间，使气体得到进一步净化。

2 CFD模拟

喉口处气速的选取不能过大也不能过小，过大则压力损失大，相应的成本和能耗提高，过小则雾化效果差，无法保证洗涤塔的降温、除尘、脱酸效果。因此采用CFD模拟来确定最佳气速。

程锦承等人[8]采用CFD模拟软件对文丘里气液分布管进行数值模拟，模拟结果指出：气体流量对混合流流速影响较大，液体流量对其影响较小，因此该文只研究气体流速对混合流流场的影响。

2.1 物理原型

选取文丘里洗涤塔作为数值计算的物理原型，并在数值模拟计算时对物理原型的计算区域稍作改进。以文丘里段入口至洗涤段尾气出口作为研究区域，并认为洗涤液喷嘴对流场的影响可以忽略。采用Fluent商用软件分别对喉口气速为25 m/s、40 m/s、50 m/s时的气相流动情况进行数值模拟。

2.2 基本假设及网格划分

2.2.1 基本假设

为方便文丘里洗涤塔内气相流场的模拟计算，使塔内的运动状况得以简化，做以下假设：1）将焚烧尾气作为连续相考虑，视为不可压缩黏性流体，忽略其温度变化对密度的影响。2）忽略塔内洗涤液喷淋管、喷嘴等构件对传热及流动的影响。3）假定文丘里洗涤塔绝热，烟气与喷淋液滴进行对流换热。4）颗粒初始速度均匀分布。

2.2.2 网格划分

利用Fluent软件对文丘里洗涤塔流场进行三维数值计算。选取k-ε模型，采用多面体网格，计算选用Simple算法。

2.3 结果与讨论

如图2所示 ，焚烧尾气从上至下倾入文丘里段，入口烟气流速为15 m/s，在收缩段开始加速，于喉口处气速分别达到25m/s、40m/s、50m/s，之后在扩散段减速，减速后冲入洗涤段，在洗涤段内呈无规则螺旋状流动。

图2 各喉口气速下文丘里洗涤塔塔内速度分布图

喉口气速为25 m/s时塔内速度分布流场显示：当烟气冲入洗涤段后，因流速较低经底部碰撞后大部分气体无法冲至顶部再弹回洗涤液中，直接在洗涤段中部打转后通过右侧出口排出，出口速度流场均匀性差。整个过程流场加速与减速过程均较缓，喉口处雾化效果较差，速度分布不均匀，流线稀疏，塔内未被尾气布满的空间较多，洗涤段内流场分布较乱，有部分尾气从扩散段冲入洗涤段后未减速直接往洗涤段顶部沿壁流往出口，尾气在洗涤液中的停留时间短。根据杨冰[9]采用的文丘里洗涤器压力损失公式计算，如公式（1）所示，取液比为0.727L/m3时，文丘里段的压损为468Pa。

式中：ΔP—文丘里洗涤器的气体压力损失，cmH20。υr—喉管气体速度，cm/s。L—液气体积比，一般为0.5L/m3～1.0 L/m3。

喉口气速为40 m/s时塔内速度分布流场显示：整个过程流场加速较快，减速较缓，喉口处雾化效果较好，速度分布均匀，流线密集，塔内空间基本布满尾气，洗涤段内靠近出口方向有一处较小的涡流，旋涡以上的塔内空间已经布满尾气，尾气在洗涤液中有充分的停留时间。根据公式（1）计算，取液比为0.727L/m3时，文丘里段的压损为1198Pa。

喉口气速为50 m/s时塔内速度分布流场显示：整个过程流场加速与减速均较快，喉口处雾化效果较好，速度分布均匀，流线较密集，文丘里段塔内空间布满尾气；洗涤段流场分布较乱，塔内尾气扩容作用较差，塔内空间未被尾气充满，大部分尾气从扩散段冲入洗涤段后与塔壁碰撞次数较少，尾气在洗涤液中没有充足的停留时间。根据公式（1）计算，取液比为0.727L/m3时，文丘里段的压损为1872Pa。

从流场模拟结果可知，当喉口处气速为40m/s时，塔内流场均匀顺畅、流线密集有规律，气速变化均匀，喉口处雾化效果好，在洗涤液中有充足的停留时间，压力损失较小，因此喉口处烟气最佳流速为40m/s。

3 结语

文丘里洗涤塔在危废焚烧尾气的净化中具有急速降温、深度除尘及初步脱酸的作用，在该文的烟气条件下，喉口处烟气流速选取40m/s时，烟气综合净化效果最佳、成本较低，在项目实际运行中取得了良好的效果。2020年11月发布了最新的《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484-2020），该标准自2021年7月1日开始实施，该标准对氮氧化物的排放浓度大幅度降低，因此在今后的工程应用中增加脱硝措施，确保净烟气最终达标排放。该文采用的文丘里洗涤塔的结构、材质、性能参数可为同类工程提供参考。