危废焚烧系统烟气急冷塔选型与同时脱酸的可行性探讨

1、    危废焚烧系统烟气急冷塔选型与同时脱酸的可行性探讨    摘要：探讨了危废焚烧急冷塔设备的工艺计算与参数优化，并对烟气急冷塔同时冷却和净化烟气的可行性进行初步的研究。旨在为今后的工作提供参考。关键词：危废焚烧;急冷塔;设备参数;脱酸：x703.1 ：a ：2095-672x（2019）05-00-02doi：10.16647/15-1369/x.2019.05.043abstract：process calculation for gas coolers in hazardous waste incineration plant was perfo

2、rmed. also the possibility to exploit gas cooler as semi-dry acid scrubber was explored based on lewis-whitman double-film theory.keywords：hazardous waste incineration;quenchingtower;equipmentparameters;deacidification目前，在危废处理处置技术中，焚烧法具有减容减量效果好，处理效果稳定，处置彻底等优点，符合我国国情的需要，近些年在国内飞速发展。然而采用焚烧技术处理危险废弃物的过程中

3、随之也会产生大量的有害物质（包括二噁英，重金属，sox，nox和其他酸性气体），产生二次污染，需要有效加以去除。烟气急冷塔作为烟气处理的一环，其作用是通过快速冷却烟气，使之避开200-500的二噁英再生成区间，从而控制烟气中二噁英含量。在传统危废焚烧过程中，烟气脱酸的工作通常独立设置湿法脱酸塔来处理1-3。如将急冷塔中的水滴换成消石灰浆液，这就使得此种急冷塔在冷却烟气的同时，具备了脱酸的作用。从工艺上来讲，相当于半干法。此工艺简化了系统工艺流程，减少了设备投资和运行成本。1 理论模型的选择1.1 浆滴干燥模型的建立在烟气急冷塔中浆滴干燥和烟气净化有着密切关系，众多研究把石灰浆滴蒸发分为三个阶段

4、：恒速反应阶段、降速反应和拟平衡阶段。恒速期浆滴表面的蒸发速率保持不变，其大小取决于表面水分的汽化速度，此时吸收反应是液相离子反应，反应将非常迅速。降速期浆滴表面不再全部湿润，浆滴内部固体颗粒之间发生物理接触，水分必须通过固体之间的空隙进行扩散，此时吸收反应和水分蒸发被颗粒内的扩散过程所控制，颗粒温度将逐步上升。在拟平衡期，颗粒含湿量还会随停留时间的延长而减少，但由于与周围介质气体的温度和湿度条件基本平衡而不再发生显著变化，此时hcl和s02与颗粒间的反应仍在进行，但极其缓慢，这是因为气固反应速度较慢所致。1.2hcl和so2脱除过程模型的确立烟气急冷塔内浆滴将同时吸收烟气中的so2和hcl。

5、危废焚烧产生的so2浓度相对较低而hcl较高，并且上文中提到烟气预脱酸的主要目的也是尽量多地脱除cl-离子，所以急冷塔内烟气的净化本文主要以hcl为主进行讨论。因为从工艺上来看本方法属于半干法范畴，所以本文将利用半干法研究采用最多的双膜理论来探讨急冷塔中恒速段hcl的脱除过程。非均相反应的双膜理论于1924年由lewis和whitman提出，其基本论点是：（1）两相界面的两侧都存在有一边界层薄膜，他们构成物质从一相传递到另一相时的阻力;（2）在兩相界面上达到了动态平衡，即传质过程是在稳态下进行的;（3）在每一相的薄膜内的传质速度与该组分在相的主流体与界面上的浓度差或者分压差成正比;（4）在各相

6、的薄膜传质过程彼此之间是独立的，因此各相薄膜的阻力可以串联相加的。本次研究将急冷塔中烟气净化过程分为两个阶段：第一阶段为浆滴的干燥阶段。此阶段中，浆滴呈润湿状态，此时hcl和s02被浆滴物理吸收后与浆滴中的ca（oh）2的反应是液相离子反应，反应非常迅速。第二阶段为完全干燥后阶段，此阶段中，浆滴已完全干燥，此时hcl和s02与浆滴之间的反应为气固反应，反应速度很慢。本文将综合考虑这两个阶段，并建立烟气急冷塔内烟气净化的物理和数学模型。烟气脱酸的化学过程以hcl为例，酸性气体的脱除过程大致如下：hcl、so2从气相主体到液滴表面的扩散。其本质是气膜中hcl气体在分压差驱动下的气相传质;液滴表面h

7、cl的吸收：hcl（g） ->hcl（aq）;液膜内hcl的电离：hcl（aq） -> h+ + cl-;离解后的离子在液相中扩散;消石灰在浆液中的溶解，即液膜中的消石灰颗粒在浓度差驱动下的溶解传质过程;钙盐的生成：浆滴中液体全部蒸发后酸性气体与剩余消石灰间的气固反应。2 工艺计算进行工艺计算前，鉴于流场与反应模型的复杂性，在本文中做出如下假设：烟气失去的热量等于水吸收的热量;喷出的液滴假设为球形;喷出的液滴之间不发生碰撞;不会出现湿壁情况;努赛尔数 nu=2;对于急冷降温模型，将液滴模型简化为外层水包裹内层消石灰核心，即将降温全过程假设为恒速干燥，不考虑降速干燥阶段。工艺计算根据

8、海安危险废物处置中心工艺参数进行。2.1 计算输入条件在海安项目中，烟气以及工艺输入条件（100%mcr情况）如下：烟气体积流量：14000nm3/h，质量流量：17215kg/h;急冷塔入口处烟气温度：564，出口烟气温度为175;急冷塔入口处烟气组分：急冷塔出口烟气温度：175;入口浆液温度50，出口水蒸气温度与烟气温度一致，即175;液滴粒径：200m;初始烟气速度：5m/s;假设入口烟气比定压热容为 1.3kj/kg?。2.2 急冷塔选型工艺计算过程2.2.1 耗水量计算根据烟气质量流量、假定的烟气比热容以及水进出口焓值的差，可以确定急冷塔的设计耗水量：式中：mw：理论需水量;mfg：

9、烟气质量流量;cfg： 烟气比定压热容，设定为1.3kj/kg?;tfg，in：烟气进口温度;tfg，out：烟气出口温度;qd：急冷塔自身散热;2739为将1kg h2o从25加热到175需要热量。对于急冷塔自身散热，假设塔壁的导热为一维多层圆筒壁稳态导热，则导热量qd为：式中：tin为塔内壁温度，;tout为塔外壁温度，;dn为塔内径，m;1为耐火层厚度，m;2为保温层厚度，m;1为耐火层导热系数，w/（m·k）;2为保温层导热系数，w/（m·k）。急冷塔外壁与周围空气之间的传热方式为自然对流换热，对流换热量qc。对急冷塔而言，塔内壁温度从高到低呈递减规律，我们利用冷却

10、塔换热计算公式，可以算出每一段塔内壁温度，而整塔的温度损失按照0.01s的区间进行累加计算。塔外壁全部按照50考虑，并且计算到塔内温度到200结束，因为200以下塔体长度可因项目不同而改变，并且绝大部分的散热是在高温段。那么急冷塔理论散热量可以用下图表示（横坐标为塔体从顶部向下的距离，纵坐标为散热量）：从上图可以看出，随着塔内温度的降低，每固定长度塔长能够散逸的热量也在降低。到4m处时，散热量达到3330w左右，即11988kj/s。将上述结果代入公式1，并以海安危废处置项目为蓝本，焚烧线100%mcr情况下烟气量14000nm3/h，质量流量17215kg/h，进口烟温559，出口烟温175

11、，烟气比定压热容1.3kj/kg*。可得：即每小时理论喷淋量为3133kg/h。南通海安危废焚烧项目工艺设计中喷淋量为3006kg/h，相差约4%，误差可能是由于：1.本次计算没有包括200到出口塔段的散热;2.保温/耐火材料选择不同;3.本次计算将烟气比热容简化为常数而导致。2.2.2 烟气急冷时间计算气体的比热计算公式：其中a和b的值根据气体种类的不同而不同，而烟气的a、b值可以按照其各组分的a、b值加权平均计算。根据某危废处置项目的烟气中各组分百分比和a，b值，可算得烟气a=1.09456，b=0.000279，所以烟气的定压比热值与自身温度关系可由下式来表示：液滴蒸发后携带热量计算：初

12、始液滴体积：假定液态水的密度为1000kg/m3，则初始液滴质量=4.19*10-9kg。上文中假设烟气以5m/s速度下降，现取烟气下降0.01秒所经过塔段，即0.05m长塔段。该塔段内喷入水的质量为，约合4.057*106颗液滴。上文中假设入口液滴温度50，并且依据湿烟气的导热系数可算出每一滴液滴吸收的热量为2.88*10-7kj，那么该塔段中水的吸收总热量为2.88*10-7*4.057*106kj=1.168kj。那么此塔段蒸发烟气吸收热量为1.168kj。该段塔的自身散热根据式（2）计算，为0.000416kj。所以该塔段的烟气总降低热量为1.168+0.000416=1.16842k

13、jj。根据式（5）算出该塔段烟气比热容为1.172kj/kgk，在第一个0.01s区间烟气温度降低9.1。将上述计算过程重复，可知在给定条件下，约1秒时烟气温度可以达到200，恰能达到标准要求，而液滴雾化粒径越小冷却时间就越短。所以我们可以知道在烟气急冷喷枪选型的一个关键就是雾化粒径必须达到200m以下。3 总结与思考如果利用急冷塔的喷淋系统可以对烟气进行初步脱酸，则可以省去布袋除尘器前管道喷射设备，并且减小后续脱酸塔体积与氢氧化钠药剂耗量，从而减少投资和运行成本。然而，笔者认为目前该理论面临下面两个问题的挑战：因为烟气需在1s内完成降温，并且喷洒的降温液在更短的时间内（对于直径小于100um

14、的液滴：0.30.5s）完成气化，而脱酸浆液与酸性气体的反应只能在液相中进行。这就意味着中和反应的反应时间不超过0.5s。过短的反应时间带来两个问题：钙硫比提高与去除效率降低。盛锴等在fluent中模拟结果显示，在浆液初始粒径40um，hcl浓度1200ppm，so2浓度300ppm的条件下，钙酸比超过3才能保证so2与hcl的去除率超过70%，经济可行性不高;鉴于急冷塔用水量大（14000nm3/h的烟气需要3t/h的喷淋水），在保证合理的钙酸比的情况下消石灰浆液浓度过低，液相反应的效率和速度均不理想。在以后的设计工作与研究中，笔者认为可以从以下几个角度优化急冷脱酸塔的设计，以达到提升技术可行性与经济可行性的目的：因为naoh比消石灰浆液反应速度更快，溶解性更好，可以考虑在急冷塔内喷射naoh的方式来代替消石灰浆。这样可以有效降低碱/酸比，节省药剂用量，并且大幅度提高脱酸效率，甚至达到代替目前技术中洗涤塔设备的目的;因为急冷塔中用水量大，如果所有喷枪都使用氢氧化钠溶液，则会导致每一滴碱液中oh-离子浓