本文采用多相流CFD仿真技術,考慮燒結煙氣與霧滴的熱交換,相變對溫度的影響,假設煙氣和霧滴接觸立即反應,即忽略化學反應時間,建立三維幾何模型,對煙氣在設備中運行的速度、濃度、溫度等進行數值模擬計算。根據實際運行情況對比研究系統的適應性,同時為優化參數、改良運行方式提供依據。

煙氣分布器適用性分析

煙氣分布器的主要作用:①使煙氣能夠均勻分布到脫硫塔內,使煙氣與漿液霧滴進行充分接觸、反應。由于脫硫的酸堿中和反應大部分是在濕態下進行的,必須使大部分煙氣在脫硫塔上部就能夠和漿液霧滴(液態)充分接觸;②用于調整進入煙氣的初速度,保證煙氣在塔內的停留時間。本項目采用的煙氣分布器為螺旋漸變式結構[4]。　　本煙氣分布器進口尺寸為4500mm×4500mm,分布器進口風速為25m/s,經煙氣分布器擴散后,進入塔內的入口初風速為12m/s。其氣流分布情況數值模擬見圖2（略）。從圖2可以看出,模擬數值與設計計算值吻合,氣流經分布器后分布均勻,速度由分布器入塔處的12~14m/s迅速降低至塔內的2~3m/s。氣流流線沿切線方向旋轉向下,在塔內停留路徑最長,保證煙氣停留時間。

旋轉噴霧器適應性分析

旋轉噴霧器是SDA系統最為核心的部件,設備精密性和穩定性要求嚴格。旋轉噴霧器選型既要保證漿液輸送量、噴霧霧徑[5],又要控制塔壁處漿液濃度分布適中,使煙氣不遺漏,塔壁不粘結。噴霧半徑理論計算公式為（略），式中,d為霧化器轉輪直徑,m;ML為進料速率,kg/h;N為轉速,r/min;(R99)0.9為霧化器下0.9m處霧滴占全噴霧量99%時的霧滴飛行距離,m。本項目旋轉噴霧器轉輪直徑為350mm,運行進料速率為35~45t/h,最大量可以達到90t/h,轉速為9000~12000r/min。帶入式(1)可以得出噴霧半徑范圍為8.0~8.6m。相對于塔半徑9.4m來說顯得略小,本項目增加了中心煙氣通道,使形成的傘霧向上托起,達到增大霧徑的效果。從圖3可以看出增加中心煙氣通道可以使噴霧器形成的傘形霧滴向上托起,覆蓋住塔的橫斷面,使煙氣不遺漏。當進料量在35~45t/h范圍時,漿液霧滴在塔內的整體分布均勻,進料量達45t/h時,塔壁面的漿液濃度偏高,容易產生粘壁。從現場運行情況來看,在保證煙氣排放達標的情況下,漿液進料量在30~45t/h范圍波動,瞬時會達到50t/h,塔壁面并未產生副產物掛壁現象。但從其他行業類似系統運行經驗來看,一旦發生脫硫副產物掛壁,脫硫塔內可用直徑減小,漿液噴霧未干燥就會到達壁面,掛壁現象逐漸嚴重,最終導致運行不利。因此,避免漿液掛壁對運行穩定非常重要,建議實際操作時不能一味增加噴漿量進行SO2排放濃度控制,當煙氣SO2濃度偏高時應通過調節漿液濃度來保證排放達標。

脫硫塔適用性分析

脫硫塔是SDA系統的主要脫硫設備,塔設計取值直接關系到脫硫效果的好壞。SDA系統完成SO2煙氣與石灰漿液霧滴的反應速率可看成漿液霧滴與煙氣一接觸即發生反應,即99%的霧滴和煙氣發生的反應在0.5~1.0s之內可以完成。因此,塔高的設計應主要從保證霧滴干燥方面考慮,應保證漿液在塔內停留時間大于5~7s。鑒于燒結機煙氣特性,尤其是煙氣溫度的波動性,為保證霧滴的充分干燥,建議漿液霧滴在塔內停留時間大于10s。設定漿液進料量為40t/h,煙氣量為1800000m3/h,煙氣入口溫度為414K,通過模擬觀察脫硫塔內流場和溫度場分布。從圖4可以看出,脫硫塔內流場分布較為均勻,氣流湍流段分布在塔體上半部分、塔體灰斗以及脫硫塔壁面處。塔體段的湍流有助于煙氣和漿液霧滴的充分接觸與反應,保證SO2的充分去除。但是塔體灰斗部分的湍流會造成沉積在塔底的脫硫副產物二次飛揚,隨氣流進入除塵器,使除塵器負荷增加。從實際脫硫塔出口煙道粉塵濃度檢測結果來看,粉塵質量濃度在15~50g/m3范圍波動,大部分的時候在30g/m3以下,這個濃度對布袋除塵器來說是適用的,但是從節能和除塵器使用壽命角度來講,建議在灰斗設置導流裝置來進一步改善灰斗處氣流分布,控制二次揚塵,降低粉塵濃度,減小除塵負荷。從圖5(略)可以看出脫硫塔內溫度分布均勻,說明漿液霧滴分散較好,塔內煙氣降溫勻稱有序,塔體出口溫度在350K左右,該溫度范圍對后期除塵有利,塔體和旋轉噴霧器設計擬合程度較高,設計合理。

布袋除塵器適用性分析

在SDA系統中,燒結煙氣經過脫硫塔處理后煙氣溫度可以降低到80~90℃,這為布袋除塵器的使用提供了基礎條件,但是燒結煙氣成分復雜,煙氣量大,易腐蝕[6],再加上經過脫硫塔后煙氣中粉塵濃度較大,如何使布袋除塵器最好地發揮其高效收塵的優勢,設備選型是關鍵。SDA系統建議采用長袋低壓中箱體進風結構的布袋除塵器,以減小除塵器占地和鋼材用量達到降低造價的目的[7]。同時,布袋防腐蝕、防水也是布袋除塵應用能夠成功的重要因素,因此,可以通過兩種方式共同作用達到該目的。①選用防腐蝕、防水濾料,為節省投資,建議采用PTFE覆膜或浸漬處理,袋籠考慮不銹鋼材質或者有機硅噴涂處理;②對前期系統進行合理控制,保證煙氣性質穩定,從而為布袋除塵提供較好的收塵環境。溫度是運行控制中的最主要參數,通常通過脫硫塔內漿液的噴入量控制脫硫塔出口煙氣溫度在80~90℃,不高于120℃防止布袋燒損(PTFE覆膜或浸漬濾料瞬時耐溫為130℃,耐溫120℃);不低于70℃,保證煙氣溫度高于水露點溫度15~20℃范圍,使煙氣一直處于干燥狀態。從目前在線監測系統檢測數據來看,粉塵排放質量濃度小于30mg/m3,布袋除塵器運行良好,布袋除塵器壓力損失控制在1100Pa左右,布袋未出現腐蝕、水浸漬情況。從節能角度,建議控制布袋運行壓力損失在1200~1500Pa。

結論

(1)SDA法適用于燒結煙氣脫硫,工藝設計及設備選型要充分考慮燒結煙氣特性。(2)設置煙氣分布裝置,可保證煙氣在塔內均衡;脫硫塔內可增設中心煙氣通道,對控制脫硫劑用量、降低脫硫塔高度有幫助。(3)要充分考慮噴霧半徑與脫硫塔半徑的契合程度,當脫硫塔設置有中心煙氣通道時,建議噴霧半徑低于脫硫塔半徑的10%~12%,防止粘壁,可調節漿液濃度來保證脫硫效果。(4)脫硫塔設計需保證煙氣在脫硫塔內停留時間大于10s,脫硫塔底部應設置煙氣導流裝置,防止二次揚塵。(5)建議采用長袋低壓脈沖式中箱體進風結構布袋除塵器,濾袋應達到防腐耐溫要求。

本文作者：黃鶯 余明銳 李東平 單位：重慶三峰環境產業集團有限公司 上海立誼環保工程技術有限公司