摘要：生活垃圾焚燒廠半干法+干法的煙氣凈化工藝設(shè)計中，反應(yīng)塔的形式與合理布置是塔內(nèi)氣體混合均勻、反應(yīng)完全的有效措施之一。運(yùn)用計算流體力學(xué)（CFD） 模擬對反應(yīng)塔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過FLUENT 模擬軟件模擬反應(yīng)塔的進(jìn)風(fēng)口對塔內(nèi)流場的影響。通過模擬發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)塔進(jìn)風(fēng)口的布設(shè)可以實(shí)現(xiàn)最佳的反應(yīng)塔流場工況。

    隨著垃圾焚燒廠的增加，焚燒處理量也明顯增加。從2003 年的47 座垃圾焚燒廠處理量369 萬t 增加到2008 年的74 座處理量1 569. 7 萬t［1］。越來越多的焚燒廠投入運(yùn)營，焚燒廠的污染問題也越來越受到公眾的關(guān)注。大氣污染是焚燒廠的主要污染問題之一，煙氣凈化工藝的選擇決定了焚燒廠的煙氣處理能否達(dá)標(biāo)以及其運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。對于半干法+干法煙氣處理工藝而言，反應(yīng)塔的效率決定了煙氣處理的效果和經(jīng)濟(jì)性，筆者以威海市垃圾焚燒處理廠二期工程為例，對其煙氣反應(yīng)塔的設(shè)計進(jìn)行研究。

    1 項目概況

    本項目設(shè)計規(guī)模為日焚燒處理生活垃圾700 t，年處理能力23. 1 萬t。焚燒采用2 臺350 t/d 機(jī)械爐排爐（預(yù)留1 臺2. 0 MW 背壓式汽輪發(fā)電機(jī)）。機(jī)組年利用小時數(shù)為8 000 h。焚燒線工藝和關(guān)鍵設(shè)備引進(jìn)日本荏原株式會社往復(fù)式機(jī)械爐排爐；煙氣凈化采用半干法+干法+活性炭噴射+ 布袋除塵工藝；設(shè)置煙氣在線監(jiān)測裝置。

    2 煙氣凈化系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

    2 臺鍋爐將安裝2 套相同的煙氣凈化（FGC）系統(tǒng)。入口煙氣參數(shù)見表1。

    3 工藝描述

    原煙氣由反應(yīng)塔頂部進(jìn)入。同時在反應(yīng)塔上部采用固定噴嘴將消石灰漿液噴入塔內(nèi)與煙氣中的酸性物質(zhì)在反應(yīng)塔中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，脫除HCl、 SO2 等酸性有害物質(zhì)，從而完成脫酸過程。煙氣經(jīng)反應(yīng)塔的底部出口排出后，進(jìn)入布袋除塵器內(nèi)，經(jīng)除塵后由煙囪排入大氣。部分粉塵在塔內(nèi)隨著煙氣向下流動，在重力、慣性力作用下沉入塔底部由排灰裝置排出。同時在反應(yīng)塔出口管道備用消石灰粉噴入。

    本系統(tǒng)包括反應(yīng)塔、布袋除塵器、工藝水系統(tǒng)、石灰漿存儲及制備系統(tǒng)、活性炭噴射系統(tǒng)、飛灰輸送及存儲系統(tǒng)。其工藝流程如圖1 所示。

    4 反應(yīng)塔的設(shè)計

    反應(yīng)塔的設(shè)計至關(guān)重要，塔內(nèi)流場的分布關(guān)系到脫酸效果和石灰漿的消耗量。筆者采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， 簡稱 CFD） 對塔內(nèi)的流場進(jìn)行模擬。CFD 是通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)做了分析。CFD 的基本思想可以歸納為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。CFD 可以看作是在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程） 控制下對流動的數(shù)值模擬。通過模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等） 的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定渦流分布特性、空化特性及脫硫區(qū)等。與CAD 聯(lián)合，還可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

    CFD 采用的軟件是FLUENT。FLUENT 是用于計算復(fù)雜幾何條件下流動和傳熱問題的程序，它提供的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，把計算相對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)問題變得容易和輕松。FLUENT 軟件是目前市場上最流行的CFD 軟件，它在美國的市場占有率達(dá)到60%。

    現(xiàn)反應(yīng)塔的結(jié)構(gòu)為1 座塔3 個進(jìn)口，鍋爐出口煙道在與反應(yīng)塔對接前要經(jīng)過變徑（1 分3），見圖2。

    4. 1 反應(yīng)塔前變徑段導(dǎo)流板設(shè)計

    為了保證反應(yīng)塔3 個進(jìn)口煙氣流量、流速分布均勻，需要對反應(yīng)塔進(jìn)口前的變徑段做CFD 模擬和優(yōu)化設(shè)計。首先對圖2 的設(shè)計進(jìn)行CFD 模擬，結(jié)果見圖3。

    由圖3 可知，導(dǎo)流板轉(zhuǎn)角處有渦流，需對轉(zhuǎn)角進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。在對轉(zhuǎn)角進(jìn)行流線處理后，再次進(jìn)行CFD 模擬，結(jié)果見圖4。

    從圖4 可看出，對導(dǎo)流板和煙道轉(zhuǎn)角做圓滑處理后，煙道轉(zhuǎn)角渦流減少，但導(dǎo)流板倒角不夠，導(dǎo)流板太長使導(dǎo)流板處有渦流。導(dǎo)流板重新設(shè)計后，再次CFD 模擬，結(jié)果見圖5，可以看出，導(dǎo)流板處渦流明顯減少，3 個出口（即反應(yīng)塔進(jìn)口）煙氣流量、流速分布都很均勻。