本文通過(guò)對(duì)單體NTG高效噴嘴進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，得出流體在噴嘴腔體內(nèi)的分布形態(tài)，為噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。此外，提出基于CFD數(shù)值模擬的脫硫吸收塔噴淋系統(tǒng)布置優(yōu)化分析，在準(zhǔn)確建立網(wǎng)格后，通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)分析塔內(nèi)流場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，優(yōu)化噴淋層布置，為設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)。

1、引言

近年來(lái)我國(guó)霧霾現(xiàn)象嚴(yán)重，針對(duì)火電項(xiàng)目環(huán)保設(shè)備要求日趨嚴(yán)格。新建火電項(xiàng)目煙氣煙塵、SO2、NOX等要達(dá)到燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，即要求排放限值（6%O2）：煙塵：10mg/m3、SO2：35mg/m3、NOx：50mg/m3，這就要求新建火力發(fā)電廠環(huán)保設(shè)備具有更高的煙塵、SO2、NOX等主動(dòng)脫除及環(huán)保設(shè)備間的協(xié)同處理能力。此外，目前全國(guó)300MW以上機(jī)組92%采用的石灰石/石膏濕法脫硫，絕大部分脫硫裝置都需要進(jìn)行增容提效的改造。因此，單塔/雙塔-雙循環(huán)；單塔單循環(huán)強(qiáng)化傳質(zhì)/提高液氣比等各種新型流程工藝相繼被推出，同時(shí)也催生了脫硫塔內(nèi)噴嘴、除霧器、合金等工藝裝備的升級(jí)改造。而脫硫吸收塔內(nèi)噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及配套噴嘴的選型布置是決定最終煙氣排放指標(biāo)的最核心因素之一。

作為研究流體流動(dòng)的新方法，基于CFD（ComputationalFluidDynamics）數(shù)值模擬的工程設(shè)計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，CFD是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計(jì)算工具，用于求解流體的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題。CFD數(shù)值模擬相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究，具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實(shí)及理想條件等優(yōu)點(diǎn)[1]。

脫硫吸收塔噴淋層噴嘴布置需要考慮噴嘴的形式、流量/壓力、噴射角度、霧化粒徑以及覆蓋率等參數(shù)，由于CFD可以準(zhǔn)確的給出流體流動(dòng)的細(xì)節(jié)，采用CFD對(duì)噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬，從對(duì)流場(chǎng)的定量分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并結(jié)合脫硫工藝，優(yōu)化噴淋層設(shè)計(jì)布置方案，進(jìn)而達(dá)到改變傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程及提高脫硫效率的目的。

2、噴嘴的CFD數(shù)值模擬

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某脫硫吸收塔項(xiàng)目配套噴嘴，就單向雙頭空心錐高效噴嘴，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行CFD數(shù)值分析，為噴嘴產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和改進(jìn)意見(jiàn)，并結(jié)合脫硫工藝，使吸收塔內(nèi)煙氣流向可視化，設(shè)計(jì)和評(píng)估噴嘴布置方案以提高吸收塔綜合脫硫效率。

2.1噴嘴設(shè)計(jì)參數(shù)

表1噴嘴設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2單體噴嘴的CFD數(shù)值分析

由于噴嘴的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)不同，所以其內(nèi)部流態(tài)和壓力分布都不盡相同，本次分析以北京華德提供的美國(guó)NTG高效噴嘴為例，根據(jù)噴嘴樣品檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)，建立幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬。

在用數(shù)值模擬方法求解噴嘴內(nèi)部形態(tài)時(shí)，關(guān)鍵問(wèn)題是建立準(zhǔn)確描述液體介質(zhì)變形過(guò)程、液體與氣體作用過(guò)程、液體由連續(xù)相破裂成液滴的過(guò)程及液滴在空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程的計(jì)算模型。由于噴嘴出口為自由液面，屬于突變邊界，因此，在計(jì)算中需要進(jìn)行特殊處理，此處所采用的計(jì)算網(wǎng)格和計(jì)算模型是否合理也將直接影響計(jì)算的結(jié)果。

2.2.1噴嘴內(nèi)部流速形態(tài)分布

圖1NTG高效噴嘴內(nèi)部流速形態(tài)分布圖

從噴嘴出口處可以看出，流體速度沿噴嘴出口處邊緣射出，中心處產(chǎn)生渦流，所以，出口處角度決定噴射覆蓋范圍，角度越大，覆蓋范圍越廣。流體從入口到中心分流后，存在一個(gè)速度最大區(qū)域，且在中間產(chǎn)生的空心旋流區(qū)使更多流體趨于向內(nèi)腔壁運(yùn)動(dòng)，CFD分析表明，空心區(qū)域越大，霧化粒徑越小，空心區(qū)域與噴嘴內(nèi)部流道設(shè)計(jì)有關(guān)。

2.2.2噴嘴內(nèi)部壓力形態(tài)分布

圖2NTG高效噴嘴內(nèi)部壓力形態(tài)分布圖

從圖2壓力形態(tài)分布圖可以看出，在高效噴嘴旋流腔體內(nèi)形成一定程度的負(fù)壓區(qū)，可進(jìn)一步使空氣產(chǎn)生回流，CFD模擬分析表明，該種結(jié)構(gòu)的高效噴嘴在工作壓力變動(dòng)較大的范圍內(nèi)（0.2-1.0bar）可保持良好的工作狀態(tài)，產(chǎn)生的液滴粒徑分布范圍寬且平均粒徑小。

圖3NTG高效噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)分布

噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)分布分析可為噴嘴設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，在一定程度上可以提高產(chǎn)品一次性合格率，在充分了解和掌握噴嘴的內(nèi)部流體形態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)后，如何有效、合理的布置噴嘴，使得噴嘴的作用最大化且不發(fā)生SO2逃逸現(xiàn)象是每個(gè)設(shè)計(jì)者需要考慮的問(wèn)題。借助CFD模擬分析，對(duì)噴淋系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和評(píng)估以提高吸收塔綜合脫硫效率是切實(shí)可行的手段之一。

3、噴淋層設(shè)計(jì)數(shù)值模擬與預(yù)測(cè)

吸收塔噴淋層的設(shè)計(jì)，應(yīng)使噴淋層的布置達(dá)到所要求的噴淋漿液的覆蓋率，使吸收漿液與煙氣充分接觸，以保證在適當(dāng)?shù)腖/G條件下能可靠地實(shí)現(xiàn)所要求的脫硫效率，且在吸收塔的內(nèi)表面不產(chǎn)生結(jié)垢[2]。

一個(gè)噴淋層由帶連接支管的漿液母管和噴嘴組成（見(jiàn)圖4）。漿液循環(huán)一般采用單元制設(shè)計(jì)，每個(gè)噴淋層配一臺(tái)吸收塔再循環(huán)泵，從而保證吸收塔內(nèi)所要求的漿液噴淋覆蓋率。各層噴嘴在上下空間上應(yīng)錯(cuò)開(kāi)布置，應(yīng)保證漿液重疊覆蓋率至少達(dá)200-250%，一般以噴嘴頂端下0.9m的錐形噴霧覆蓋的面積乘以每層的噴嘴數(shù)，應(yīng)等于能覆蓋200-250%的吸收塔橫截面的面積。

圖4噴淋層布置平面示意圖

為保證選擇的噴嘴在工作流量條件下能滿(mǎn)足對(duì)煙氣的噴淋效果，每一層噴淋層的所有噴嘴在設(shè)計(jì)布置時(shí)，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)計(jì)算，反復(fù)調(diào)整，以避免出現(xiàn)噴淋死角。另外，噴嘴的設(shè)計(jì)還應(yīng)保證每個(gè)圓形區(qū)域具有相同的噴霧密度，一般的脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或理論公式計(jì)算噴嘴布置，這往往會(huì)導(dǎo)致實(shí)際與計(jì)算結(jié)果不符，利用CFD可以模擬真實(shí)及理想條件的特點(diǎn)，創(chuàng)造性的把CFD與噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置結(jié)合起來(lái)是解決脫硫系統(tǒng)綜合脫硫效率低的有效手段。

圖5吸收塔噴淋系統(tǒng)CFD數(shù)值分析

吸收塔內(nèi)噴淋層的設(shè)計(jì)及噴嘴布置是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，噴嘴霧化角度的大小對(duì)吸收塔工作有很大的影響，霧化角度過(guò)大，漿液會(huì)噴射到吸收塔內(nèi)壁，造成嚴(yán)重的貼壁現(xiàn)象，霧化角度過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致吸收塔內(nèi)傳質(zhì)過(guò)程減弱，影響脫硫效率，因此，通過(guò)CFD手段，找出噴嘴適合的工作條件、布置及環(huán)境，對(duì)改進(jìn)脫硫工業(yè)用噴嘴有非常重要的指導(dǎo)意義。

在對(duì)脫硫噴淋系統(tǒng)進(jìn)行CFD模擬分析時(shí)，由于存在噴淋管及噴嘴，且噴淋管及噴嘴的尺寸與吸收塔的尺寸有數(shù)量級(jí)上的差異，故在劃分網(wǎng)格時(shí)要進(jìn)行綜合考慮，在一些曲面棉花較劇烈的地方要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，這樣會(huì)增加計(jì)算量，但可以保證計(jì)算精度，由于塔內(nèi)曲面較多，不能采用正交網(wǎng)格，采用混合網(wǎng)格可以在滿(mǎn)足曲面邊界要求的情況下提高精度。在準(zhǔn)確建立網(wǎng)格后，通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)分析塔內(nèi)流場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，優(yōu)化噴淋層布置，降低系統(tǒng)一次性投資，為設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化提供指導(dǎo)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，一個(gè)300kw機(jī)組的脫硫系統(tǒng)，原設(shè)計(jì)采用4層噴淋層，通過(guò)CFD模擬分析，在保證脫硫效率及相同噴嘴數(shù)量的前提下，可將4層噴淋層優(yōu)化為3層噴淋層，這就意味著整個(gè)系統(tǒng)少了一層噴淋管道、一臺(tái)循環(huán)泵和配套閥門(mén)以及儀器儀表，可節(jié)省數(shù)十萬(wàn)的設(shè)備投資。

結(jié)束語(yǔ)

脫硫吸收塔內(nèi)的氣液流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，通過(guò)CFD模擬分析了解和改進(jìn)單體噴嘴的設(shè)計(jì)固然重要，但噴淋層設(shè)計(jì)的優(yōu)化對(duì)整個(gè)脫硫系統(tǒng)的意義更大，而且也是未來(lái)的脫硫研究發(fā)展方向。北京華德創(chuàng)業(yè)一直致力于脫硫系統(tǒng)工藝及核心設(shè)備的研發(fā)，結(jié)合各種不同脫硫工藝進(jìn)行噴嘴和除霧系統(tǒng)布置組合，為不同工藝技術(shù)的脫硫工程商提供絕無(wú)僅有的技術(shù)服務(wù)，這也讓華德創(chuàng)業(yè)成為國(guó)內(nèi)唯一具有高效介質(zhì)噴嘴系統(tǒng)和除霧除塵系統(tǒng)KNOW-HOW核心技術(shù)的企業(yè)。可以預(yù)測(cè)，隨著計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分不斷成熟，基于CFD數(shù)值模擬的脫硫吸收塔噴淋系統(tǒng)布置優(yōu)化分析必將取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和理論設(shè)計(jì)，為電廠脫硫系統(tǒng)提供更具完善的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行優(yōu)化服務(wù)指日可待！

編輯：張偉