高温烟气急冷过程数值模拟

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇高温烟气急冷过程数值模拟范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要： 为解决含氯有机废液、废气焚烧时高温烟气降温过程中会产生二英的问题，提出了高温烟气急冷工艺.将焚烧产生的高温烟气直接通入水槽中进行冷却，通过分析不同烟气温度、不同入口速度时烟气在冷却水槽中的温度、体积以及速度分布，得到高温烟气降温所需要的冷却水液面高度和溢流堰宽度随烟气温度和入口速度的变化规律，为工程实际应用提供理论基础.计算结果表明，高温烟气的温度越高，进入水槽的速度越大，所需冷却水液面高度越大，溢流堰宽度越大.

关键词： 烟气； 急冷； 模拟

中图分类号： X 701文献标志码： A

Numerical simulation of the hightemperature

fluegas quenching process

HOU Fengyun， ZHANG Jie， CUI Xiaolan， ZHENG Quanjun， WANG Jun

（Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing Aerospace Petrochemical Technology and

Equipment Engineering Corporation， Beijing 100076，China）

Abstract： When incinerating chlorinecontaining organic wastewater and waste gas，dioxins may be produced during fluegas temperature drop.In order to bring down the formation of dioxins，the hightemperature fluegas quenching process was suggested.The hightemperature flue gas from the incinerator was introduced directly into a water tank for cooling.By analyzing the temperature， volume and velocity distributions of the flue gas in the water tank at different inlet temperatures and velocities，the water level and overflowdam width were obtained for hightemperature fluegas quenching.The calculating results indicated that the water level and overflowdam width increase with increasing inlet temperature and velocity of the flue gas.

Key words： fluegas； quenching； simulation

氯代有机物不仅毒性大而且物理化学性质稳定，难以分解.美国环境保护署（EPA）规定的优先控制的有机污染物中50%以上为含氯有机物[1].含氯有机废液、废气广泛存在于化工、制药等行业，有毒且难以生物降解，采用普通的生物、物理和化学方法难以实现脱毒的目的.焚烧法是处理含氯有机废液、废气的有效途径，含氯有机物焚烧完全的产物为HCl或Cl2[2].Booty等[3]的研究表明，无论在缺氧燃烧还是富氧燃烧情况下，HCl的排放均远高于Cl2的排放；在缺氧情况下，HCl的排放浓度比Cl2高5～8个数量级.因此，含氯有机废液、废气的焚烧处理主要考虑HCl的排放[4-6].

含氯有机废液、废气焚烧后，产生的烟气中含有大量的HCl，烟气降温过程中会产生二英.温度是影响二英产生的重要因素.国外实验表明[7]，烟气中的二英前驱物即HCl、Cl2在Cu、Fe等催化作用下，在约270～600 ℃，尤其是300 ℃ 左右的温度会生成大量二英.为了减少二英的生成，采用急冷工艺将烟气的温度骤冷至100 ℃以下，以缩短烟气在有利于二英生成的温度区间的停留时间.

1急冷工艺模型

对某化工厂含氯有机废液焚烧产生的烟气进行急冷数值模拟，烟气组分如表1所示.

表1烟气组分

Tab.1The component of flue gas

主要组分含量/（kg・h-1）Ar70.27CO2766.70N24 121.00H2O348.70NOx1.07Cl20.27HCl137.10O2557.30CO0.02

含氯高温烟气急冷工艺的模型如图1所示.为了使高温烟气高效、快速降温，高温烟气先进入急冷导管中，再从急冷导管下部进入管外冷却水槽中.高温烟气和冷却水相接触，冷却水被加热、汽化，带走大部分热量，高温烟气则将迅速降温至100 ℃以下.

能源研究与信息2013年第29卷

第3期侯凤云，等：高温烟气急冷过程数值模拟

图1高温烟气急冷工艺模型

Fig.1Schematic of the hightemperature fluegas

quenching process

该模型中主要考虑传热过程，即热量平衡.烟气在急冷过程中释放的热量Qe分两部分吸收：急冷罐内冷却水汽化吸收的热量Q1；补充液位的循环液吸收的热量Q2.计算式为Qa=Qe（1）

Qa=Q1+Q2（2）

Qe=cpm（t1-t2）（3）

cp=a0+a1T+a2T2+a3T3（4）

Q1=rm1（5）

Q2=cLm2（t4-t3）（6）式中，Qa为急冷罐吸收的总热量；cL为水的比热容；cp为气体的比定压热容；m为烟气质量；t1、t2分别为进、出口烟气的温度；a0为常数；a1、a2、a3为各阶温度系数；T为热力学温度；r为水的汽化潜热；m1、m2分别为汽化水、循环液的质量；t3、t4分别为循环液的进、出口温度.

2烟气急冷过程数值模拟

2.1计算目的及研究方法

该模型计算目的是根据高温烟气从导管下部流入冷却水槽时的温度t1和流速W，模拟得到将高温烟气冷却到90 ℃时，液面下的烟气流型以及冷却水液面高度H和溢流堰的位置即宽度L的变化规律，为工程设计提供理论依据.该模型的结构参数如表2所示，其中导管下部喷孔共有8个.

表2模型的结构参数

Tab.2The parameters of configuration

参数数值导管高度h/mm1 830导管内径D/mm250导管下部喷孔尺寸/mm100×75

采用计算流体力学软件CFX进行数值模拟，重点分析计算域中高温烟气在冷却水槽中的温度场和流场，包括水槽中不同液面高度处横截面上烟气的温度分布、纵截面上烟气的速度分布和体积分数分布，从而得到不同烟气温度和入口速度时，烟气温度降至90 ℃时所需的冷却水液面高度和溢流堰宽度的变化规律.

2.2几何模型的建立及网格划分

根据导管下部高温烟气喷孔及冷却水槽的对称性，对所计算的几何模型作对称简化，取某一高温烟气入口附近流域进行计算，如图2所示.模型中，冷却水槽有8个高温烟气入口.建立内、外两个环形腔室，内环腔为高温烟气冷却水槽，外环腔为补给冷却水槽.内、外环腔之间在底部连通，为补给冷却水从外腔进入高温烟气冷却水槽提供通道.

由于该模型主要分析高温烟气在冷却水槽中的温度场和流场，为方便建模及计算，仅取导管外侧冷却水槽中的流体区域进行计算，不考虑导管内侧高温烟气通过导管体与导管外侧冷却水之间的换热.

3计算结果及分析

通过模拟计算得到各工况下，烟气出口不同冷却水液面高度H处横截面上的烟气温度分布、垂直于烟气入口中心纵剖面上的烟气体积分数分布和速度分布.烟气温度1 200 ℃、流速50 m・s-1时不同冷却水液面高度处横截面上烟气的温度分图2简化的几何模型图

Fig.2The simplified geometrical model

布如图3所示，垂直于烟气入口的中心纵剖面上烟气的体积分数分布和速度分布分别如图4和图5所示.

图3入口烟气温度1 200 ℃、流速50 m・s-1时不同冷却水液面高度H处

横截面上的烟气温度分布

Fig.3Fluegas temperature distributions on the cross sections of different water levels H at an inlet

temperature of 1 200 ℃ and an inlet velocity of 50 m・s-1

图4垂直于烟气入口的中心纵剖面上

烟气的体积分数分布

Fig.4Fluegas volume fraction distribution on the

certral lateral plane perpendicular to the gas inlet

图5垂直于烟气入口的中心纵剖面上

烟气速度分布

Fig.5Fluegas volume distribution on the certral

lateral plane perpendicular to the gas inlet

图3（a）为截面所处冷却水液面高度H=0 mm，即高温烟气入口中心所处的横截面上烟气的温度分布，因此烟气最高温度为烟气入口温度1 200 ℃.随着离烟气入口中心距离越来越远，烟气将部分热量横向传递给了冷却水，故其温度越来越低.

图3（b）～3（f）的结果表明，随着冷却水液面高度的逐渐增大，烟气的最高温度则逐渐降低，这主要是烟气在向上流动过程中与冷却水换热的结果.同时可以看出，随着冷却水液面高度的逐渐增大，烟气沿液面高度方向的温度梯度的绝对值也逐渐减小，即烟气温度降低的速度逐渐减小，这是因为烟气在流动过程中的流通面积逐渐增大（见图4）以及受到水的阻力作用，其相对于冷却水的流速会逐渐减小（见图5），湍流强度也会逐渐减弱，与冷却水的换热也会逐渐减弱，导致烟气温度降低的速度也逐渐减小.

图4表明大部分烟气在冷却水中基本形成一个主要成分为烟气的通道，此通道中烟气的体积分数为0.85～1.00.而靠近冷却水槽内壁面附近，烟气的体积分数仅为0.35～0.85，这是因为冷却水汽化生成的水蒸气已经渗入到了烟气中，占据了另一部分的体积分数.

图5表明，随着冷却水液面高度的逐渐增大，烟气流速也逐渐减小.在烟气入口上方，流速最大的区域不是烟气体积分数最大的区域，而是靠近冷却水槽内壁面附近烟气与水蒸气混合的区域，说明水蒸气向烟气的渗入及其流动引起两者的强烈搅混，增大了烟气的流速.

经计算得到不同工况下冷却水槽中所需冷却水液面高度H和溢流堰宽度L的变化规律，结果如图6所示.

水槽中冷却水液面高度决定了烟气与冷却水的换热时间，设置溢流堰位置的宽度则决定了烟气与冷却水的接触换热面积.从图6可知，在其它条件相同情况下，随着烟气入口温度的增大，烟气降至目标温度时所需交换的热量增多，要求其与冷却水的换热时间和换热面积也增大，故冷却水槽中所需液面高度和设置溢流堰位置的宽度也增大.随着烟气入口流速的增大，一方面烟气的流量增大，其降至目标温度值时所需交换的热量增多，要求其与冷却水的换热时间和换热面积也增大；另一方面，流速的增大使得流经相同高度冷却水所需的时间减少，为了延长烟气与冷却水的换热时间，需增大冷却水液面高度，这两个原因使得冷却水槽中所需液面高度和设置溢流堰位置的宽度随着烟气入口流速的增大而增大.

图6冷却水液面高度和溢流堰宽度的变化规律

Fig.6Dependence of cooling water level and overflowdam width on fluegas inlet velocity

4结论

（1） 随着冷却水液面高度的逐渐增大，烟气沿液面高度方向的温度梯度的绝对值也逐渐减小，即烟气温度降低的速度逐渐减小.

（2） 在冷却水中大部分烟气基本上形成一个主要成分为烟气的通道，通道中烟气的体积分数为0.85～1.00.

（3） 随着冷却水液面高度的逐渐增大，烟气流速也逐渐减小.在烟气入口上方，流速最大的区域不是烟气体积分数最大的区域，而是靠近冷却水槽内壁面附近烟气与水蒸气混合的区域.

（4） 在其它条件相同情况下，随着烟气入口温度或流速的增大，冷却水槽中所需冷却水液面的高度和设置溢流堰位置的宽度在总体上呈增大趋势，说明烟气入口温度或流速对液面高度和溢流堰宽度的影响都很大.

参考文献：

[1]李鑫，赵昆，刘勇.含氯有机废液在流化床中焚烧时HCl排放特性的试验研究[J].锅炉技术，2004，35（2）：73-75.

[2]LEE C C，HUFFUMAN G L.Incineration of solid waste[J].Environmental Progress，1989，8（3）：143-151.

[3]BOOTY M R，BOZZELLI J W，HO W，et al.Simulation of a threestage chlorocarbon incinerator through the use of a detailed reaction mechanism：chlorine to hydrogen mole ratios below 0.15[J].Environmental Science and Technology，1995，29（12）：3059-3063.

[4]JULIEN S，BRERETON C M H，LIM C J，et al.The effect of halogen on emissions from circulating fluidized bed combustion of fossil fuels[J].Fuel，1996，75（14）：1655-1663.

[5]GULLETT B K，LEMIEUX P M，DUNN J E.Role of combustion and sorbent parameters in prevention of polychlorinated dibenzopdioxin and polychlorinated dibenzofuran formation during waste combustion [J].Environment Science and Technology，1994，28（1）：107-118.

[6]别如山，李鑫，杨励丹，等.含氯有机废水在流化床中焚烧HCl生成与控制的试验研究[J].环境科学学报，2001，21（4）：394-399.

[7]MULLEN J F.Consider fluidbed incineration for hazardous waste destruction[J].Chemical Engineering Progress，1992，88（6）：50-58.第29卷第3期能源研究与信息Energy Research and InformationVol.29No.32013