喷雾干燥脱硫法处理垃圾焚烧烟气的优化设计
采用旋转喷雾干燥法处理垃圾焚烧烟气设备、技术相对简单、投资低、运行费用也不高；运行过程中，不会产生结垢和堵塞；由于其干式运行，最终产物易于处理。只要控制好干燥吸收器的出口烟气温度，不会产生对设备的腐蚀，但脱硫效率略低于湿法。喷雾干燥法与活性炭喷射、布袋除尘器联用，可除去垃圾焚烧烟气中含有对环境有害的酸性气体、颗粒物、重金属、二恶英或呋喃等污染物。
深圳市环保示范工程的南山垃圾焚烧电厂的烟气净化系统是由旋转喷雾及吸收塔，活性炭喷射及袋式除尘器组成。烟气首先经过半干式反应塔除去酸性物质；接着在反应塔烟气出口和袋式除尘器之间的烟道中喷入活性炭用来吸附烟气中的汞蒸汽和二恶英；最后烟气进入袋式除尘器，几乎所有的固体颗粒包括烟尘、生成物（固态）、未完全反应的石灰、固态重金属以及吸附有二恶英的活性炭等都被除去。净化后的烟气通过烟囱排入大气。
为获得最佳的除酸效果，提高吸收剂的利用率，需要从理论上对其流场进行分析，我们将利用CFD讨论旋转喷雾及半干式反应塔的优化设计。
1 喷雾干燥脱硫工艺及原理
旋转喷雾烟气脱硫工艺一般用生石灰（主要成分是CaO）作吸收剂。生石灰经熟化变成具有较好反应能力的熟石灰（主要成分是Ca（OH）2）浆液。熟石灰浆液经装在吸收塔顶部的高达15000～20000r／min的高速旋转雾化器喷射成均匀的雾滴，其雾粒直径可小于100μm。这些微粒具有很大的比表面积，与烟气接触，将发生强烈的热交换和化学反应，迅速地将大部分水分蒸发，形成含水量少的固体灰渣。如果吸收剂颗粒没有完全干燥，则在吸收塔之后的烟道和除尘器中仍可继续发生吸收二氧化硫的化学反应。喷雾干燥烟气脱硫化学过程如下：
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从理论上讲，强碱吸收剂与酸性污染物的反应在极短时间内就可以完成，但由于该反应涉及“气－液”或“气－固”不同的传质过程，使得污染物的去除效率不同。二相之间的传质过程分为3步，即：被吸收成分从气相主体到“气－液”或“气－固”界面的传质过程，界面上的溶解平衡过程，从界面到“液”或“固”相主体的扩散过程。可用公式归纳为：
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上式中NA为单位时间、单位面积上传质的量；KPA和KGA是分别以浓度和分压表示的A组分的传质系数；S为吸收传质面积，括号中两个数值的差反应了传质面积的大小。NA传质量越大，则A组分污染物的去除效率越高，而NA的大小决定于传质系数、传质表面积和传质推动力。传质系数反应了传质阻力的大小，阻力越大，相应的系数越小。因“气－液”传质系数大于“气－固”传质系数，所以，在其他条件相同的情况下，湿法的净化效果明显高于干法，半干法的净化效果居于湿法与干法之间。另外，增加表面积和“吸收剂与污染物”的摩尔浓度也可使净化效果增加。然而，在实际操作过程中，更重要的是通过足够的停留时间来保证污染物的高效去除。
2 优化设计
由于喷雾脱硫的脱硫率低于湿法脱硫，吸收剂的利用率较低，获得最佳的除酸效果，提高吸收剂的利用率就显得至关重要。雾化器、烟气导流叶片、半干式反应塔及其附属设备的功能为：
将石灰浆及冷却水雾化成均匀的微粒；使烟气在反应塔内分布均匀；强化烟气与液滴的混合和接触；提供适当的反应温度；提供足够长的烟气停留（反应）时间。优化设计主要从强化烟气与液滴的混合和接触，提供足够的停留时间，防止半湿物料贴壁等方面着手。目前在工程实践及实验的基础上已经得出了一些经验公式、参数，基于流场分析的优化设计还没见报道。
2.1反应塔流场分析
烟气旋转进入反应塔，石灰浆和水经雾化盘进入反应塔，与烟气以相反旋转方向混和发生反应，气、液、固三相反应及流动，生成固体产物。经验表明对蒸发过程的有效控制，对避免在喷雾干燥塔内形成沉积是十分重要的。因此对烟气流动采用CFD进行分析，了解烟气与液滴在不同的设计参数下的混合及分布状态，了解液滴蒸发区的情况，从而确定最优设计方案。
2.2数学模型
由于从雾化器喷嘴到反应塔，其几何尺度跨度很大，为得到足够精细的网格，需要的网格数很庞大，为简化起见，采用了二维轴对称模型。由于烟气出口的存在，并非严格的二维轴对称，但对于反应塔的前半段，还是基本真实的反映了其流场特征。计算采用雷诺应力模型，气相为干烟气、水蒸气，采用离散相（水）蒸发模型。因为主要考察蒸发区的情况，以下对离散相颗粒运动作一简单分析。
2.3颗粒运动方程
颗粒在x方向受力：
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此外还要考虑重力等因素（在x方向）。利用颗粒随机轨道法，颗粒速度取流体平均速度或：
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则可得颗粒在给定时间的速率和位置。
粒径按Rosin-Rammler分布，导流叶片角度为15°时，石灰浆液集中在中心区，石灰浆液集中在中心区，气液不能充分混合；导流叶片角度为40°、50°时，颗粒碰到反应塔壁，会导致较严重的结垢；导流叶片角度为25。时，既可得到较为充分的混合气液，又能防止贴壁，由此保流叶片的角度为25°时为最优设计。
3 结束语
针对喷雾脱硫法处理垃圾焚烧烟气脱硫率和吸收剂利用率低的缺点进行了优化设计，通过探讨，证明基于CFD的流场优化设计是可行的。
4 参考文献略
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