烟道内活性炭及消石灰粉末喷射均匀性模拟分析

烟道内活性炭及消石灰粉末喷射均匀性模拟分析

目前，在国内处置垃圾焚烧项目中需要在烟道里喷射活性炭进行烟气的净化处理，活性炭可以有效吸附重金属等污染物，达到排放的标准。而烟道内喷射消石灰一方面是对脱硫塔脱硫效果的增强，另一方面脱硫塔若出现问题，可利用喷石灰干法进行脱硫。但如何提高活性炭及消石灰粉末在烟道内的覆盖率、活性炭及消石灰粉末与气流分布的均匀性、延长活性炭及消石灰粉末的停留时间，是提高吸附及反应效率、节省物料损耗的关键。

某圾焚烧项目，其脱硫除尘设备为：半干法脱硫+布袋除尘器，由于场地的限制，脱硫与除尘之间的烟道无法保证有足够长的直段来使活性炭及消石灰粉末充分扩散并分布均匀。根据资料显示，随着喷管内气体射流速度的增大,喷出的粉末颗粒的均匀性先提高后降低,在20-22m/s速度区间内出现最优值，本文通过对该工程实例的CFD分析，研究烟道内粉末颗粒的气固两相分布情况，分析单一喷点，通过不同喷射点位置的设置，在烟道内来流一定的情况下，结合两种不同粉末颗粒在烟道内喷射后扩散均匀所需要的最短距离，并考虑两种粉末在同时喷射时的相互影响问题，最终制定出在同一烟道布置情况下，最佳的粉末喷射点和达到高覆盖率和均匀性所需的最短烟道长度。

1 工程实例说明

某垃圾焚烧项目，脱硫塔底部灰斗接出口烟道，该烟道水平布置并与布袋除尘器连接。活性炭及消石灰粉末在烟道上的喷射位置如图1所示。

图1 布置结构图

实际工程中，通过停机检修发现，在进入布袋除尘器前，无论是活性炭粉末或是消石灰粉末只出现在烟道的一侧管壁上，说明粉末并没有在烟道内充分扩散。从布置图上可看出，烟道的入口接脱硫的灰斗，由于该处无法增加合适的导流措施来控制气流走向，烟道的来流形式必然会不均匀，不均匀的气流会抑制射入的粉末自扩散能力，造成粉末颗粒难以在有效的烟道长度内均匀分布。

2 模型分析及边界参数设置

2.1 模型分析

根据结构布置图建立CFD模型，研究对象为烟道内的粉末分布情况，因此省略布袋除尘器的模型，如图2所示。

图2 CFD模型

由于在脱硫塔灰斗增加导流板来控制烟道内的流场均布极为不易[2]，因此本次模拟分析是基于烟道内来流不做调整的情况下，布置两个喷射点位置来控制粉末的均布性，由于实际管道长度在不同项目上可能有所变化，在管道直径为1500mm时，本次模拟需要找取粉末分布均匀所需的最小烟道长度，以脱硫塔灰斗与烟道中心线交界处之后1735mm处为消石灰喷射管位置，分别取该位置之后3650mm、2650mm和1650mm（分别记为a、b和c，见图2）为监测截面，分别获取截面上单独的活性炭和消石灰粉末颗粒分布点以及两者同时喷射时的粉末颗粒分布点分布情况。

2.2 模型边界参数设置

参数设置如下：

1）脱硫入口烟气量：90000m3/h，烟气温度为150℃；

2）活性炭粉末喷射量：8Kg/h，粒度为250目，比重为0.4g/cm3，温度为60℃。输送管道为DN65，喷射口为DN65×DN100，输送风量3.4m3/min；

3）消石灰粉末喷射量：600Kg/h，粒度为200目，比重为0.6g/cm3，温度为60℃。输送管道为DN100，喷射口为DN100×DN150，输送风量10m3/min；

由于粉末在流场中以离散相的形式存在，因此模拟时需使用Discrete Phase Model(DPM模型)[2]，同时做出如下假设：

1）粉末粒子均匀进入流场，且入射角度与入射面相互垂直；

2）粒子形状为规则球形，粒径均匀分布，不考虑粒子的形变；

3）由于粒子受到粘性及静电作用会发生碰撞、融合，因此在计算过程中考虑粒子间相互碰撞和融合[3]。

3 结果分析

3.1 气流场分析结果

由于要进行粉末颗粒喷射口的定位，首先要知道烟道内流场的分布情况，在合适的流场区域进行粉末颗粒喷射有助于其快速分布均匀，流场的分布如图3所示：

图3 整体流线图

图3中截面1附近区域存在明显的过高风速，气流场分布在烟道断面上为上高下低，且从流线整体运动趋势看，烟道内形成左右对称的两个螺旋涡流（见图3截面1速度矢量图）。在烟道与脱硫灰斗对接处区域涡流强，速度变化剧烈，随后沿烟道长度逐渐减弱、平顺。因气尘两相旋流中尘粒在流道内不具有独立运动的能力，它依靠气流作用而发生运动[4]。

3.2 原始工程项目喷射点分析

对原工程项目的活性炭和消石灰粉末进行单独模拟分析。

3.2.1 活性炭粉末喷射点分析

图4 原始状态下活性炭粒子扩散图

图5 出口（outlet）截面上活性炭粒子分布图

由图4粒子扩散图可以看出，原始的活性炭粉末喷射管由于伸入烟道内部较浅，小于250mm，导致其活性炭粉末喷出后主要受到烟道内部单侧涡流的影响从而主要分散于烟道一侧，从图5粒子断面分布图可以明确看出，烟道出口截面上的粒子分布只集中于左侧。粉末若出现在对接处区域附近，将大概率跟随主涡流运动直至烟道出口，很难进行后续分离扩散，因此活性炭及消石灰粉末的喷射点应避免出现在该位置。

3.2.2 消石灰粉末喷射点分析

图6 原始状态下消石灰粒子扩散图

图7 出口（outlet）截面上消石灰粒子分布图

由于消石灰喷射管伸入烟道内深度、高度与活性炭喷射管一致，图6、图7的消石灰粒子扩散和粒子分布图几乎与活性炭的分布一致，说明虽然粉末颗粒的比重和喷射量不同，烟道流场对其的影响也是一致的。    

造成以上两种粉末颗粒分布状态的主要原因是：两种粉末喷射管深入烟道的距离过短，喷射口的位置正位于一侧涡流区，粉末颗粒喷出后仅会在该侧涡流区内分布扩散，很难扩散到另外一侧的涡流区域，因此就会造成以上粒子分布图的效果，在该粉末颗粒分布状态下，即使加大粉末颗粒的喷射量，大量的粉末颗粒都跟随涡流主流高速运动，降低了粉末颗粒的有效停留时间，即无法有效的提高吸附或中和反应效率，只会增加物料的损耗，增加下游袋除尘器的进口粉尘浓度，影响袋除尘效率。

本文提出的改进思路为：增加两种粉末颗粒喷射管深入烟道内的长度，最佳位置在于两个涡流交接处；喷射管在烟道高度上也做适当调整，避免在过高风速区喷射粉末颗粒。

3.3 改进方案

3.3.1 活性炭粉末喷射点改进分析

图8 改进方案

图9 改进后活性炭粒子扩散图

图10 出口（outlet）截面上活性炭粒子分布图

根据图8的喷射管定位改进方案，进行了后续改进分析，分析结果显示其符合对原始喷射点问题的判断，喷射管高度位置高度降低，深入位置加长后，粉末颗粒能很快分散到两个涡流区内（如图9），并同步扩散，最终达到在出口分布均匀的状态（如图10）。

3.3.2 消石灰粉末喷射点改进分析

图11 改进方案

图12 改进后消石灰粒子扩散图

图13 出口（outlet）截面上消石灰粒子分布图

由于两种粉末颗粒并不在同一位置喷射，因此考虑喷射点与监测点的位置变化，保证精准喷射扩散，互不影响。因此，消石灰的喷射管口定位与活性炭的喷射管口定位错开布置（如图11）。从活性炭喷射分析结果看，粒子扩散图均匀（如图12），粒子在烟道出口断面的覆盖率高（如图13）。

结合活性炭及消石灰粉末喷射改进结果看，根据固定的烟道来流形式，可进行烟道内的喷管精准布置[5]，达到所喷粉末颗粒扩散均匀的目的,该种改进方案可减少粉末颗粒的喷入量，降低物料消耗。

3.3.3 活性炭和消石灰同时喷射分析

活性炭粉末和消石灰喷射管位置按上述方式调整后同时喷射活性炭和消石灰粉末颗粒，其粒子扩散图如图14所示：

图14 活性炭和消石灰粒子扩散图

可以看出，活性炭和消石灰粉末颗粒同时喷射时，两种颗粒经与气流充分混合扩散后在烟道出口位置达到均匀分布，同其单独喷射时颗粒轨迹相似。

图15 活性炭和消石灰粒子在烟道不同断面分布图

由图15分析,单独喷射活性炭或消石灰时，两种颗粒均在扩散至a处的烟道截面上分布已趋于均匀，在b和c处的截面上粉末颗粒扩散多集中于烟道中上方；当两种粉末颗粒同时喷射时，在a和b两处的截面上粒子分布已无明显区别，都趋于均匀，为保证两种粉末颗粒单独喷射和同时喷射时的断面粉末均匀的统一性，在活性炭和消石灰喷射位置改进后，取a处截面作为活性炭和消石灰两种粉末颗粒的最小扩散距离。如图16所示：

图16 活性炭粉末最小扩散距离图

3.3.4 粉末停留时间对比

延长粉末在烟道内的停留时间，有利于增加粉末中和、吸附的机会，根据以上不同喷射点所形成的粉末分布分析可知，原始位置喷射时会造成大量粉末无法扩散并跟随气体主流快速流出烟道，经过调节喷射点位置后，喷入的粉末可以借助烟道内气流主流所形成的湍流及涡流扰动扩散，该过程既增加了粉末在烟道的停留时间又利于粉末充分扩散均匀。图17、图18为出口截面上两种粉末在不同喷射位置下的烟道停留时间分布对比，出口截面上粒子停留时间反映了粒子从进入到离开流场区域所消耗的时间，停留时间越久，粉末与气流之间的吸附反应时间越久。

图17 活性炭粉末在烟道内停留时间曲线图

图18 消石灰粉末在烟道内停留时间曲线图

由图17、图18看原始单独喷射时，约90%的粉末颗粒在烟道内的停留时间小于0.42s，并且在更短时间内粉尘颗粒的占比会更大；更改喷射位置后，活性炭粉末的烟道停留时间延长明显，平均停留时间为0.56s左右；两种粉末共同喷射时的烟道停留时间整体比之前有一定延长,这也代表了粉末颗粒充分利用了烟道内的涡流产生扰动，增加了扩散能力。

4 结语

针对该垃圾焚烧项目分析可得一下结论：

1.结合原工艺布置及粉末喷点位置模拟分析，粉尘颗粒几乎完全出现在烟道的一侧，与实际烟道壁面上粉末分布一致。

2.在不更改原结构情况下，调整粉末喷点位置，可达到粉末扩散均匀的目的。

3.调整粉末喷点位置，经过单一喷射和组合喷射分析，可得出粉末颗粒扩散均匀所需最短烟道长度，对实际烟道工艺布置提供依据。

在实际的工程项目中，由于设备自身结构问题无法控制烟道内的气流均布情况，因此在相同的设备结构形式下，通过调整粉末颗粒喷管的位置，就可以确定出扩散均匀所需的最短直段管道，该模拟分析结果可在实际工程中明确喷管的安装位置及指导烟道的工艺布置。