垃圾焚烧烟气喷雾干燥净化分析

重庆大学学报（自然科学版）垃圾焚烧烟气喷雾干燥净化分析蒲舸，张力，辛明道（重庆大学动力工程学院，重庆400030）有前途的工艺。文中详细分析了喷雾干燥塔中碱性液滴与烟气之间的传热、传质与化学反应机理，得出液滴干燥4个阶段的传热、传质的计算公式，同时分析了喷雾干燥法去除垃圾焚烧酸性气体的影响因素，为建立喷雾净化过程数学模型打下了基础。
随着城市生活垃圾的逐年加，垃圾的无害化处理显得日益迫切。焚烧处理虽然投资较大，但在垃圾的无害化、减量化方面优点明显，故在世界各国得到逐渐推广。然而垃圾在燃烧时，会产生不少有害物质，主要是飞灰、以多氯二恶英/呋喃PCDDs/PCDFs为代表的毒性有机物质、Hg等重金属，以及HCl、SOx、NOx、HF、C0等有害气体。这些有害物质如果得不到有效净化处理，必将对环境产生严重污染。
垃圾焚烧烟气典型的烟气吸收净化工艺有3种：半干式喷雾干燥法、干式烟气净化和湿式烟气洗涤，这几种工艺各有特点。其中，半干式喷雾干燥法污染物去除效率介于干法和湿法之间，具有系统简单、投资和运行费用低、不产生废水等优点，是一种极有前途的工艺，目前在生活垃圾焚烧厂烟气净化系统中的应用越来越多。该工艺被美国国家环保局定为生活垃圾焚烧烟气净化佳工艺。半干式喷雾干燥法净化工艺常以Ca（0H）2浆液为吸收剂，用喷嘴将其雾化成50~150Lm的液滴，与垃圾焚烧烟气充分混合，在液滴蒸发干燥的同时吸收酸性气体。喷雾干燥净化工艺是一个很复杂的流动、传热、传质与化学反应过程，它的机理有许多方面迄今尚未被很好认识和理解。
近几十年来，随着多相流理论的日益成熟，计算机技术的迅猛发展，人们尝试用数学模拟的方法研究喷雾干燥过程，以提高对污染物的去除效率，降低运行成本。
要建立喷雾干燥塔整体的数学模型，首先就应仔细研究烟气与碱性液滴之间传热、传质与化学反应。
1传热、蒸发喷雾干燥净化工艺污染物的去除效率与碱性液滴的蒸发干燥过程密切相关。液滴干燥过快污染物的去除效率急剧下降；液滴干燥过慢，喷雾干燥器出口还是潮湿状态，会影响后续设备的正常工作。研究喷雾干燥过程的传热、蒸发过程对提高污染物的去除效率有十分重要的作用。
2.1传热和蒸发机理整个喷雾干燥过程的机理是：碱性雾滴离开雾化器后，在干燥室内与热烟气混合，在两者的边界层内同时发生热量和质量的交换。影响液滴与烟气之间传热、传质的因素有许多，它包括烟气的温度和流动状态，液滴的大小及吸收剂浓度、液滴在干燥器内的停留时间等等，为便于分析，文中作如下假设：反应热和溶解热很小，可以忽略；水在液滴内部不循环；酸性气体和水蒸气同时扩散，水分蒸发和酸性气体吸收互不影响。
喷雾干燥净化过程中，碱性液滴与烟气之间不断发生的热、质交换，可分别用努谢尔特数Nu和舍伍德基金项目：教育部春晖计划资助项目（24026）i作者筒介W969cai四川南充人重庆大学博士研Mg主要从事燃烧与环保研究ed数Sh来表示。考虑到干燥塔中风场流动和粒子运动的特性，整个干燥过程中发生的传热可认为属于强制对流传热，对传热系数的影响因素，全部包括在有关的无因次数群（准则数）中。对于球形雾可用兰兹-马歇尔关系式表示过程的传热、传质2）第2阶段（，B-C），液滴的水分大量蒸发，液滴尺寸收缩。在这个阶段，液滴的温度将保持烟气的湿球温度，并假定液滴有一致的温度分布。液滴的收缩将一直持续到液滴的外表面形成一个SO2与Ca（OH）2发生反应生成的CaS31/2H2O刚性的外壳。这个阶段的传热量也由（3）式计算，液滴内部的水分可以自由扩散到液滴表面，使液滴表面保持润湿状态，此过程相当于纯水滴的蒸发。烟气传给液滴的热量几乎全部用于液滴中水分的蒸发，传质与传热能瞬时达到平衡57.因此其中，Re为雷诺数，*Pr为普朗特数，*Sc为施密特数，*hr为对流换热系数，*dp为液滴直径，*k~为烟气的导热系数，*Kh为以湿含量表示的传质系数，*Dv为蒸汽的扩散系数，*V为烟气与液滴的相对速度，*P为烟气密度，*L为烟气动力粘度，*cp为烟气比热。
2.2传热和蒸发过程液滴的干燥经历了4个阶段，具体如所示：液滴干燥过程示意）第1阶段（，A-B），碱性液滴进入喷雾干燥塔以后，被烟气加热直到液滴表面达到烟气湿球温度，这个过程没有显著的蒸发，液滴与空气之间通过边界层传递的热量为：将hc代入上式，得滴周围烟气的温度，*Ts为液滴表面的温度。
烟气传给液滴的热量主要用于液滴温度升高。忽汽化潜热。
湿含量。
液滴半径的变化为：体密度。
变，固体外壳变厚，形成了不断向内核延伸的移动界面，颗粒分为两部分：干的外壳和湿的内核。在这个阶段粒子内部水分向表面的扩散过程变得比较困难，液滴表面无法继续保持湿润，传质速率比传热速率要小，两者之间不可能始终保持平衡。一旦空气对粒子的传热速率高于粒子对空气的传质速率，在干燥过程中会自动调整粒子的温度，进而也调整粒子的饱和蒸汽压，达到调整粒子传质速率，维持两者之间的平衡的目的。
因此，由空气传递给液滴的热量不能完全消耗于水分的蒸发，还有一部分使颗粒的温度上升57.这个阶段烟气向颗粒的传热仍用（3）式计算，同一时间步长内所蒸发的水分可按式（7）计算，但液滴表面的饱和湿含量略液滴内部的液体流动，热传导方程（5），可以用来计H，*应换成表面湿含量Hs.将传质系数Kh：上代入（7）式得由水分蒸发所带走的热量仍可按式（6）计算剩余部分的热量用来使物料颗粒的温度升高。设这一时间内物料的温度升高则有液体与固体的比热。整个过程中的热量应保持平衡（忽略热损失），液滴总吸热量为：经整理得到液滴温度变化的计算公式57给颗粒的热量使颗粒温度继续升高。这个阶段可由（3）式计算烟气与颗粒之间的传热。小直径的颗粒能在喷雾干燥塔内开始这个阶段大直径的颗粒这个阶段主要在喷雾干燥塔以后的烟道及除尘设备中进行。
2酸性气体吸收2.1吸收过程垃圾焚烧时产生的酸性气体主要是S2与HCl，这些气体进入喷雾干燥塔后与Ca（OH）2液滴发生以下反应而被除去：液相溶解的离子在液相中的扩散；氯化钙、亚硫酸钙的生成；通常，离子反应在液相中是瞬间完成的，但在缺水的情况下相对缓慢，液滴中水分的蒸发直接影响着酸性气体的脱除，干燥过程和去除酸性气体密切相关（当液滴干燥成固体颗粒且含水量低于临界值时，酸性气体去除效率急剧减少）。延长液滴表面呈湿润状态的时间，对提高酸性气体去除效率具有重要意义。
喷雾干燥过程的吸收、扩散、反应及液滴蒸发干燥是同时进行的，SO2与Ca（OH）2发生反应生成的CaS3 1/2H2O在水中的溶解度很低，很快在液滴表面形成沉淀，当达到一个临界湿度，液相后退，接着在外表面1/2H2O壳体，然后在里面形成Ca（OH）2核心。因为壳体的形成将阻碍酸性气体与Ca（OH）2的接触，从而使吸收效率下降。
2.2影响酸性气体去除效率的主要因素2.2.1化学计量比对酸性气体去除效率的影响化学计量比是指进入系统的氢氧化钙的摩尔数与氯化氢和二氧化硫的摩尔数之比。酸性气体的去除效率随化学计量比的加而大，但当化学计量比大到一定的数值后，继续提高计量比，则酸性气体的去除效率提高缓慢而吸收剂的利用率将会显著的降低。因此合理地选择酸性气体去除效率，对节约吸收剂用量、降低运行费用是至关重要的。
2.2.2烟气近绝热饱和温度对酸性气体去除效率的影响吸收塔出口烟气的近绝热饱和温度值，即吸收塔出口烟气的平均温度与烟气绝热饱和温度的差值111.反应可分为以下几个步骤：酸性从气相主体到液滴表面的扩散；液滴表面HCl、S2的吸收；液相中溶解的HCLSO2离解；在相同的化学计量比和较高的近绝热饱和温度的条件下，去除效率较低；降低近饱和绝热温度，去除效率提高明显。这是因为，近绝热饱和温度越低，浆滴干燥的时间就越长，从而延长了浆滴吸收酸性气体的时间，吸收塔的去除效率就越高。在实际的操作中，出塔烟气温度必须高于绝热饱和温度10~20*C，否则，水分会凝结，造成粉料在除尘器部分板结，影响系统的运转。
2.2.3HCl对S2吸收的影响在焚烧垃圾等固体废弃物时，由于含有较多的氯元素，将产生HCl气体。由于有HCl气体的存在，将使*1HS迦）Hcatei+盈⑶加nic（2品lishit液滴的吸收、反靡蒸发过程发锡变。虽（0H）2发生反应生成的CaS31/2HO在水中的溶解度很低，但是HCl与Ca（OH）2反应生成的CaCh在水中的溶解度很高。这样，CaCk就降低了液滴中水的蒸发压力，从而延长了液滴蒸发的时间，在HCl浓度较低时，对提高SO2吸收效率是有利的。另外，由于液滴吸收HCl的热动力特性占优势，在HCl浓度较高时将取代SO2的吸收，从而使SO2的吸收效率降低11（）。
3结论液滴的蒸发干燥过程十分复杂，文中将其化分为4个阶段，得出了各阶段的传热、传质计算公式。
离子反应在液相中是瞬间完成的，但在缺水的情况下相对缓慢，碱性液滴中水分的蒸发直接影响着酸性气体的脱除。
影响酸性气体去除效率的因素很多，其中化学计量比与出口烟气的近绝热饱和温度是两个主要因素。当有烟气中有HCl气体存在时，对S2气体的吸收会产生影响。