CFD在城市生活垃圾焚烧厂烟气净化反应塔优化设计中的应用
摘要：生活垃圾焚烧厂半干法+干法的烟气净化工艺设计中，反应塔的形式与合理布置是塔内气体混合均匀、反应完全的有效措施之一。运用计算流体力学（CFD） 模拟对反应塔进行优化设计，通过FLUENT 模拟软件模拟反应塔的进风口对塔内流场的影响。通过模拟发现，反应塔进风口的布设可以实现最佳的反应塔流场工况。
关键词：城市生活垃圾,焚烧,反应塔,CFD 模拟
随着垃圾焚烧厂的增加，焚烧处理量也明显增加。从2003 年的47 座垃圾焚烧厂处理量369 万t 增加到2008 年的74 座处理量1 569. 7 万t［1］。越来越多的焚烧厂投入运营，焚烧厂的污染问题也越来越受到公众的关注。大气污染是焚烧厂的主要污染问题之一，烟气净化工艺的选择决定了焚烧厂的烟气处理能否达标以及其运营的经济性。对于半干法+干法烟气处理工艺而言，反应塔的效率决定了烟气处理的效果和经济性，笔者以威海市垃圾焚烧处理厂二期工程为例，对其烟气反应塔的设计进行研究。
1 项目概况
本项目设计规模为日焚烧处理生活垃圾700 t，年处理能力23. 1 万t。焚烧采用2 台350 t/d 机械炉排炉（预留1 台2. 0 MW 背压式汽轮发电机）。机组年利用小时数为8 000 h。焚烧线工艺和关键设备引进日本荏原株式会社往复式机械炉排炉；烟气净化采用半干法+干法+活性炭喷射+ 布袋除尘工艺；设置烟气在线监测装置。
2 烟气净化系统设计参数
2 台锅炉将安装2 套相同的烟气净化（FGC）系统。入口烟气参数见表1。
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3 工艺描述
原烟气由反应塔顶部进入。同时在反应塔上部采用固定喷嘴将消石灰浆液喷入塔内与烟气中的酸性物质在反应塔中发生化学反应，脱除HCl、 SO2 等酸性有害物质，从而完成脱酸过程。烟气经反应塔的底部出口排出后，进入布袋除尘器内，经除尘后由烟囱排入大气。部分粉尘在塔内随着烟气向下流动，在重力、惯性力作用下沉入塔底部由排灰装置排出。同时在反应塔出口管道备用消石灰粉喷入。
本系统包括反应塔、布袋除尘器、工艺水系统、石灰浆存储及制备系统、活性炭喷射系统、飞灰输送及存储系统。其工艺流程如图1 所示。
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4 反应塔的设计
反应塔的设计至关重要，塔内流场的分布关系到脱酸效果和石灰浆的消耗量。笔者采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， 简称 CFD） 对塔内的流场进行模拟。CFD 是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统做了分析。CFD 的基本思想可以归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD 可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程） 控制下对流动的数值模拟。通过模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等） 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定涡流分布特性、空化特性及脱硫区等。与CAD 联合，还可进行结构优化设计。
CFD 采用的软件是FLUENT。FLUENT 是用于计算复杂几何条件下流动和传热问题的程序，它提供的无结构网格生成程序，把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松。FLUENT 软件是目前市场上最流行的CFD 软件，它在美国的市场占有率达到60%。
现反应塔的结构为1 座塔3 个进口，锅炉出口烟道在与反应塔对接前要经过变径（1 分3），见图2。
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4. 1 反应塔前变径段导流板设计
为了保证反应塔3 个进口烟气流量、流速分布均匀，需要对反应塔进口前的变径段做CFD 模拟和优化设计。首先对图2 的设计进行CFD 模拟，结果见图3。
由图3 可知，导流板转角处有涡流，需对转角进行设计优化。在对转角进行流线处理后，再次进行CFD 模拟，结果见图4。
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从图4 可看出，对导流板和烟道转角做圆滑处理后，烟道转角涡流减少，但导流板倒角不够，导流板太长使导流板处有涡流。导流板重新设计后，再次CFD 模拟，结果见图5，可以看出，导流板处涡流明显减少，3 个出口（即反应塔进口）烟气流量、流速分布都很均匀。
4. 2 反应塔进口导流板设计
从图5 可看出，采用双导流板与单导流板，反应塔进口段的流速分布均存在不均匀的情况。针对上述情况，采取对导流板加长措施，再分别对双导流板与单导流板进行CFD 模拟，结果见图6。
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从图6 可看出，加长后的双导流板反应塔的进口处流速分布均匀。
4. 3 反应塔喷枪设计
喷枪布置3 个，反应塔的每个进气口布置1 个，其模拟结果见图7。从图7 看出，喷枪的布置对流场几乎没有影响，且喷枪能覆盖大部分的图2 反应塔进口段设计方案反应塔面积。
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4. 4 反应塔的整体CFD 模拟
根据上述细部模拟，对反应塔进行了优化设计后，其整体模拟结果见图8。由图8 可见，上述优化设计对流场的均匀分布起到了很大作用，CFD 模拟达到了设计目的。
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5 结论
通过对固定喷嘴的反应塔的CFD 模拟，为保证反应塔进口流场的均匀分布，在反应塔进口处变径段，导流板必须进行倒角流线处理，且长度宜短；在反应塔进口拐弯处，导流板宜设计为双导流板，且应加长；喷枪布置在进口段的管内，对流场几乎没有影响。从CFD 模拟的运用情况来看，可以从理论上达到反应塔内流场的均匀分布，提高塔内反应效率，实现最佳的烟气净化效果，同时降低处理成本，是烟气净化工艺设计的有效手段，其应用在烟气净化工艺设计上是一种有益的尝试和创新，但是实际的效果有待本项目投产后验证。
参考文献
［1］ 国家统计局. 中国统计年鉴2009［M］. 北京：中国统计出版社，2009.
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