逆流型急冷塔内温度场分析及其结构参数优化

毛 宇 胡新生 王 彬 孙茂伟

（海军航空大学青岛校区）

在现有的固体废弃物处理技术中，焚烧处理是破坏废弃物危害性和实现废弃物减量最有效的方法之一，生成的物质稳定且无公害［1］。但如果焚烧工艺不当的话，排放的烟气中就会含有大量污染物，其中的二噁英类物质会对人体的免疫系统产生抑制作用，容易在生物体内积累，且难以排出［2～5］，工程上常使用急冷塔来减少二噁英的后期合成。

急冷塔内的核心部件为双流体喷枪（空气雾化喷枪），它是通过调节气压与水压来改变出水量和喷雾粒径大小的。陈斌等以水、空气为工质，发现存在最佳的气液压力比能够使D32最小，并且拟合了一定范围内的喷嘴流量预测关联式［6］。郭荆璞等采用激光粒度仪对喷雾性能进行试验探究，分析了喷雾粒径沿轴向、径向变化的规律［7］。付祥钊等采用气液质量流量比作为自变量，发现SMD 随气液质量流量比的增加，先逐渐减小，达到极小值后，又逐渐增大［8］。LIU K 等使用三维激光相位多普勒分析仪（PDA）测量喷雾参数，并对液滴平均直径和轴向速度进行研究［9］。盛锴等建立急冷塔内的脱硫全反应模型，直观地模拟出气相速度场、温度场以及SO2浓度场分布［10］。王超等采用RNG k-ε 湍流模型和VOF 多相流模型进行了模拟，为裂解气急冷系统的最佳工况确定了初始参数［11］。詹仕巍和虞斌对急冷塔内气液两相流动进行了模拟，研究了入口烟气温度、液滴初始粒径、初始温度及喷射速度对液滴群蒸发的影响［12］。

目前对于空气雾化喷嘴的实验和数值模拟研究是较为成熟的，但急冷塔内的温度场分析和参数影响研究较为简单，同时关于塔体结构参数的优化研究较少，对实际指导作用不明显。因此笔者从工程实际项目出发，首先对急冷塔内的温度场分布进行详细分析，并在大范围的操作工况下对塔体结构参数进行优化并拟合数据，为高温烟气急冷塔工程设计提供一定的参考。

1 逆流型急冷塔内温度场分析

某工程项目的急冷塔物理模型如图1 所示。相较于顺流喷雾，逆流喷雾时喷嘴附近区域的温度急剧下降而后缓慢变化，所需塔高较小且对二噁英的抑制效果更佳［13］，因此选取逆流喷射方式。

图1 逆流型急冷塔物理模型

相关参数如下：

进口烟气流量 1 405.8 kg/h

进口温度 500 ℃

要求出口温度 180 ℃

喷嘴流量 190 kg/h

雾化水温度 25 ℃

喷雾形状 空心锥喷雾

塔径（塔高）0.54 m（3.30 m）

图2 为x=0 m 截面温度云图和急冷塔内区域划分示意图，从图2a 可以看出，塔内最低温度集中在喷嘴附近区域，进口端和出口端的温度几乎不变，为便于分析，对急冷塔进行区域划分，分为进口段（773.0 K，0.0～0.6 m）、蒸发段（452.5～773.0 K，0.6～1.9 m）、混合段（452.5 K，1.9～3.3 m）3个部分。同时为了定量描述塔内温度的均匀性，定义温度均匀性指标Tu（Tu=1-r，r 为塔截面温差绝对值与其平均温度的比值）对温度场进行分析。截取出一些高度的截面平均温度和截面温度范围，此温度范围为该截面上的最低和最高温度。进口段的上述两个指标均没有变化，蒸发段变化剧烈，混合段变化减缓。混合段中的截面平均温度变化很小可以忽略，但随着塔高的增加，截面上最低和最高温度的差值不断减小。z=2.1 m截面上温差为39 ℃，与该截面平均温度的比值是9.2%；z=2.9 m 截面上温差为25 ℃，与该截面平均温度的比值是5.8%，这说明混合段虽然在平均温度上变化细微，但提高了烟气的温度均匀性。

图2 x=0 m 截面温度云图和急冷塔内区域划分示意图

2 急冷塔结构参数优化

2.1 特定工况下

对于特定工况取多组塔径建模，优化计算时认为塔体截面温度范围处于0.95T～1.05T 区间时（T 为热平衡出口温度）已基本实现冷却目的，取满足该温度均匀性要求的最小塔高为有效高度，并以内壁表面积最小为最优解。

表1 为某特定工况（进口烟气温度600 ℃，流量14 058 kg/h，出口烟气温度220 ℃，喷雾角55°）下改变塔径时所得到的一系列参数。按照上述要求，当截面温度范围达到（209 ℃，231 ℃）时，即可认为该截面高度为有效高度。图3 为该特定工况下改变塔径时的有效高度和内壁表面积变化，有效高度随塔径增大而减小，内壁表面积则是先减小后增大，存在极小值。按照内壁表面积最小的选取原则，5 组塔径中的最优塔径为1.4 m。

表1 某特定工况下改变塔径所得参数

图3 某特定工况下改变塔径时的有效高度和内壁表面积变化

2.2 大范围操作工况下

将进口温度和流量范围扩大，计算出所需用水量，选择合适的喷枪，所采用的喷枪型号为RY-FM5，气压0.215 MPa，当水压从0.12 MPa变化到0.42 MPa 时，出水量从450 kg/h 增加到1 590 kg/h，满足上述工况用水量需求，急冷塔相关参数如下：

进口烟气流量 2Qm～8Qm（Qm=1405.8 kg/h）

进口烟气温度 500～800 ℃

要求出口温度 180 ℃

所需用水量 506～1 520 kg/h

RY-FM5 喷枪水量 450～1 590 kg/h

RY-FM5 喷枪气液压力比 0.512～1.792

RY-FM5 喷枪喷雾粒径 85～125 μm

喷雾锥角 55°

参照上述方法，可以得到大范围操作工况下的最优塔径D 和有效高度H，见表2，表中左上角空白是因为水量达不到喷枪量程下限未做计算，右下角空白是因为计算无法收敛或由于液滴损耗达不到出口温度。图4 为最优塔径与表面积随进口温度和流量变化图，可以看出，当进口烟气温度和流量增加时，最优塔径和内壁表面积也会随之增大。

表2 各工况下最优塔径D 和有效高度H

图4 最优塔径与表面积随进口温度和流量变化

由表2 的数据可知，塔径的大小与进口温度和流量相关，而进口温度和流量的改变会影响喷枪出水量，出水量的调节是依靠改变气压和水压，因此将喷枪的气压和水压合并成一个影响参数——气液压力比pg/pl，在图中反映出最优塔径和内壁表面积与气液压力比的关系，并进行数据拟合，如图5 所示。由图5 可以看出，最优塔径和内壁表面积随气液压力比增大而减小，呈单调递减趋势，拟合曲线的R2分别为0.948、0.891，拟合度较高。

图5 RY-FM5 喷枪对应的最优塔径与内壁表面积预测关联式

3 结论

3.1 塔内最低温度位于蒸发段，混合段对烟气平均温度影响很小，但会提高烟气温度均匀性。

3.2 随着塔径的增大，塔体的有效高度减小，对应的内壁表面积先减小后增大，存在极小值；当进口烟气温度和流量增加时，最优塔径和内壁表面积都会增加，且二者随喷枪的气液压力比增大而减小，呈单调递减趋势。当pg=0.215 MPa，0.546≤pg/pl≤1.748，Tout=80 ℃，α=55°时，最优塔径和内壁表面积与气液压力比的预测关联式为：D=0.92（pg/pl）-0.567，S=6.98（pg/pl）-0.844。