摘要：本文通过对单体NTG高效喷嘴进行CFD数值模拟，得出流体在喷嘴腔体内的分布形态，为喷嘴的优化设计提供技术依据。此外，提出基于CFD数值模拟的脱硫吸收塔喷淋系统布置优化分析，在准确建立网格后，通过数值计算来分析塔内流场、浓度场、压力场，优化喷淋层布置，为设计、施工和运行优化提供技术指导。
1、引言
近年来我国雾霾现象严重，针对火电项目环保设备要求日趋严格。新建火电项目烟气烟尘、SO2、NOX等要达到燃机标准，即要求排放限值(6%O2)：烟尘：10mg/m3、SO2：35mg/m3、NOx：50mg/m3，这就要求新建火力发电厂环保设备具有更高的烟尘、SO2、NOX等主动脱除及环保设备间的协同处理能力。此外，目前全国300MW以上机组92%采用的石灰石/石膏湿法脱硫，绝大部分脱硫装置都需要进行增容提效的改造。因此，单塔/双塔-双循环;单塔单循环强化传质/提高液气比等各种新型流程工艺相继被推出，同时也催生了脱硫塔内喷嘴、除雾器、合金等工艺装备的升级改造。而脱硫吸收塔内喷淋系统的设计及配套喷嘴的选型布置是决定最终烟气排放指标的最核心因素之一。
作为研究流体流动的新方法，基于CFD(ComputationalFluidDynamics)数值模拟的工程设计在工业领域得到了越来越广泛的应用，CFD是计算机技术的一种数值计算工具，用于求解流体的流动和传热问题。CFD数值模拟相对于实验研究，具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点[1]。
脱硫吸收塔喷淋层喷嘴布置需要考虑喷嘴的形式、流量/压力、喷射角度、雾化粒径以及覆盖率等参数，由于CFD可以准确的给出流体流动的细节，采用CFD对喷嘴进行数值模拟，从对流场的定量分析中发现产品设计中存在的问题，并结合脱硫工艺，优化喷淋层设计布置方案，进而达到改变传统产品设计过程及提高脱硫效率的目的。
2、喷嘴的CFD数值模拟
本文针对国内某脱硫吸收塔项目配套喷嘴，就单向双头空心锥高效喷嘴，在实验数据的基础上进行CFD数值分析，为喷嘴产品结构设计提供技术支持和改进意见，并结合脱硫工艺，使吸收塔内烟气流向可视化，设计和评估喷嘴布置方案以提高吸收塔综合脱硫效率。
2.1喷嘴设计参数
表1喷嘴设计参数
2.2单体喷嘴的CFD数值分析
由于喷嘴的内部流道结构不同，所以其内部流态和压力分布都不尽相同，本次分析以北京华德提供的美国NTG高效喷嘴为例，根据喷嘴样品检验测试结果和相关数据，建立几何模型，进行网格划分和数值模拟。
在用数值模拟方法求解喷嘴内部形态时，关键问题是建立准确描述液体介质变形过程、液体与气体作用过程、液体由连续相破裂成液滴的过程及液滴在空间运动过程的计算模型。由于喷嘴出口为自由液面，属于突变边界，因此，在计算中需要进行特殊处理，此处所采用的计算网格和计算模型是否合理也将直接影响计算的结果。
2.2.1喷嘴内部流速形态分布
图1NTG高效喷嘴内部流速形态分布图
从喷嘴出口处可以看出，流体速度沿喷嘴出口处边缘射出，中心处产生涡流，所以，出口处角度决定喷射覆盖范围，角度越大，覆盖范围越广。流体从入口到中心分流后，存在一个速度最大区域，且在中间产生的空心旋流区使更多流体趋于向内腔壁运动，CFD分析表明，空心区域越大，雾化粒径越小，空心区域与喷嘴内部流道设计有关。
2.2.2喷嘴内部压力形态分布
图2NTG高效喷嘴内部压力形态分布图
从图2压力形态分布图可以看出，在高效喷嘴旋流腔体内形成一定程度的负压区，可进一步使空气产生回流，CFD模拟分析表明，该种结构的高效喷嘴在工作压力变动较大的范围内(0.2-1.0bar)可保持良好的工作状态，产生的液滴粒径分布范围宽且平均粒径小。
图3NTG高效喷嘴内部流场分布
喷嘴内部流场分布分析可为喷嘴设计提供技术依据，在一定程度上可以提高产品一次性合格率，在充分了解和掌握喷嘴的内部流体形态和运行状态后，如何有效、合理的布置喷嘴，使得喷嘴的作用最大化且不发生SO2逃逸现象是每个设计者需要考虑的问题。借助CFD模拟分析，对喷淋系统进行设计优化和评估以提高吸收塔综合脱硫效率是切实可行的手段之一。
3、喷淋层设计数值模拟与预测
吸收塔喷淋层的设计，应使喷淋层的布置达到所要求的喷淋浆液的覆盖率，使吸收浆液与烟气充分接触，以保证在适当的L/G条件下能可靠地实现所要求的脱硫效率，且在吸收塔的内表面不产生结垢[2]。
一个喷淋层由带连接支管的浆液母管和喷嘴组成(见图4)。浆液循环一般采用单元制设计，每个喷淋层配一台吸收塔再循环泵，从而保证吸收塔内所要求的浆液喷淋覆盖率。各层喷嘴在上下空间上应错开布置，应保证浆液重叠覆盖率至少达200-250%，一般以喷嘴顶端下0.9m的锥形喷雾覆盖的面积乘以每层的喷嘴数，应等于能覆盖200-250%的吸收塔横截面的面积。
图4喷淋层布置平面示意图
为保证选择的喷嘴在工作流量条件下能满足对烟气的喷淋效果，每一层喷淋层的所有喷嘴在设计布置时，应进行仔细计算，反复调整，以避免出现喷淋死角。另外，喷嘴的设计还应保证每个圆形区域具有相同的喷雾密度，一般的脱硫系统设计者根据经验或理论公式计算喷嘴布置，这往往会导致实际与计算结果不符，利用CFD可以模拟真实及理想条件的特点，创造性的把CFD与喷淋系统设计布置结合起来是解决脱硫系统综合脱硫效率低的有效手段。
图5吸收塔喷淋系统CFD数值分析
吸收塔内喷淋层的设计及喷嘴布置是非常关键的环节，喷嘴雾化角度的大小对吸收塔工作有很大的影响，雾化角度过大，浆液会喷射到吸收塔内壁，造成严重的贴壁现象，雾化角度过小则会导致吸收塔内传质过程减弱，影响脱硫效率，因此，通过CFD手段，找出喷嘴适合的工作条件、布置及环境，对改进脱硫工业用喷嘴有非常重要的指导意义。
在对脱硫喷淋系统进行CFD模拟分析时，由于存在喷淋管及喷嘴，且喷淋管及喷嘴的尺寸与吸收塔的尺寸有数量级上的差异，故在划分网格时要进行综合考虑，在一些曲面棉花较剧烈的地方要进行网格细化，这样会增加计算量，但可以保证计算精度，由于塔内曲面较多，不能采用正交网格，采用混合网格可以在满足曲面边界要求的情况下提高精度。在准确建立网格后，通过数值计算来分析塔内流场、浓度场、压力场，优化喷淋层布置，降低系统一次性投资，为设计优化、施工优化和运行优化提供指导。举一个简单的例子，一个300kw机组的脱硫系统，原设计采用4层喷淋层，通过CFD模拟分析，在保证脱硫效率及相同喷嘴数量的前提下，可将4层喷淋层优化为3层喷淋层，这就意味着整个系统少了一层喷淋管道、一台循环泵和配套阀门以及仪器仪表，可节省数十万的设备投资。
3、结束语
脱硫吸收塔内的气液流动、传热传质和化学反应是一个复杂过程，通过CFD模拟分析了解和改进单体喷嘴的设计固然重要，但喷淋层设计的优化对整个脱硫系统的意义更大，而且也是未来的脱硫研究发展方向。北京华德创业一直致力于脱硫系统工艺及核心设备的研发，结合各种不同脱硫工艺进行喷嘴和除雾系统布置组合，为不同工艺技术的脱硫工程商提供绝无仅有的技术服务，这也让华德创业成为国内唯一具有高效介质喷嘴系统和除雾除尘系统KNOW-HOW核心技术的企业。可以预测，随着计算模型和网格划分不断成熟，基于CFD数值模拟的脱硫吸收塔喷淋系统布置优化分析必将取代传统的经验和理论设计，为电厂脱硫系统提供更具完善的设计、施工和运行优化服务指日可待!
