本文通過對單體NTG高效噴嘴進行CFD數值模擬，得出流體在噴嘴腔體內的分布形態，為噴嘴的優化設計提供技術依據。此外，提出基于CFD數值模擬的脫硫吸收塔噴淋系統布置優化分析，在準確建立網格后，通過數值計算來分析塔內流場、濃度場、壓力場，優化噴淋層布置，為設計、施工和運行優化提供技術指導。

1、引言

近年來我國霧霾現象嚴重，針對火電項目環保設備要求日趨嚴格。新建火電項目煙氣煙塵、SO2、NOX等要達到燃機標準，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電廠環保設備具有更高的煙塵、SO2、NOX等主動脫除及環保設備間的協同處理能力。此外，目前全國300MW以上機組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行增容提效的改造。因此，單塔/雙塔-雙循環；單塔單循環強化傳質/提高液氣比等各種新型流程工藝相繼被推出，同時也催生了脫硫塔內噴嘴、除霧器、合金等工藝裝備的升級改造。而脫硫吸收塔內噴淋系統的設計及配套噴嘴的選型布置是決定最終煙氣排放指標的最核心因素之一。

作為研究流體流動的新方法，基于CFD（ComputationalFluidDynamics）數值模擬的工程設計在工業領域得到了越來越廣泛的應用，CFD是計算機技術的一種數值計算工具，用于求解流體的流動和傳熱問題。CFD數值模擬相對于實驗研究，具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優點[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，由于CFD可以準確的給出流體流動的細節，采用CFD對噴嘴進行數值模擬，從對流場的定量分析中發現產品設計中存在的問題，并結合脫硫工藝，優化噴淋層設計布置方案，進而達到改變傳統產品設計過程及提高脫硫效率的目的。

2、噴嘴的CFD數值模擬

本文針對國內某脫硫吸收塔項目配套噴嘴，就單向雙頭空心錐高效噴嘴，在實驗數據的基礎上進行CFD數值分析，為噴嘴產品結構設計提供技術支持和改進意見，并結合脫硫工藝，使吸收塔內煙氣流向可視化，設計和評估噴嘴布置方案以提高吸收塔綜合脫硫效率。

2.1噴嘴設計參數

表1噴嘴設計參數

2.2單體噴嘴的CFD數值分析

由于噴嘴的內部流道結構不同，所以其內部流態和壓力分布都不盡相同，本次分析以北京華德提供的美國NTG高效噴嘴為例，根據噴嘴樣品檢驗測試結果和相關數據，建立幾何模型，進行網格劃分和數值模擬。

在用數值模擬方法求解噴嘴內部形態時，關鍵問題是建立準確描述液體介質變形過程、液體與氣體作用過程、液體由連續相破裂成液滴的過程及液滴在空間運動過程的計算模型。由于噴嘴出口為自由液面，屬于突變邊界，因此，在計算中需要進行特殊處理，此處所采用的計算網格和計算模型是否合理也將直接影響計算的結果。

2.2.1噴嘴內部流速形態分布

圖1NTG高效噴嘴內部流速形態分布圖

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，存在一個速度最大區域，且在中間產生的空心旋流區使更多流體趨于向內腔壁運動，CFD分析表明，空心區域越大，霧化粒徑越小，空心區域與噴嘴內部流道設計有關。

2.2.2噴嘴內部壓力形態分布

圖2NTG高效噴嘴內部壓力形態分布圖

從圖2壓力形態分布圖可以看出，在高效噴嘴旋流腔體內形成一定程度的負壓區，可進一步使空氣產生回流，CFD模擬分析表明，該種結構的高效噴嘴在工作壓力變動較大的范圍內（0.2-1.0bar）可保持良好的工作狀態，產生的液滴粒徑分布范圍寬且平均粒徑小。

圖3NTG高效噴嘴內部流場分布

噴嘴內部流場分布分析可為噴嘴設計提供技術依據，在一定程度上可以提高產品一次性合格率，在充分了解和掌握噴嘴的內部流體形態和運行狀態后，如何有效、合理的布置噴嘴，使得噴嘴的作用最大化且不發生SO2逃逸現象是每個設計者需要考慮的問題。借助CFD模擬分析，對噴淋系統進行設計優化和評估以提高吸收塔綜合脫硫效率是切實可行的手段之一。

3、噴淋層設計數值模擬與預測

吸收塔噴淋層的設計，應使噴淋層的布置達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，以保證在適當的L/G條件下能可靠地實現所要求的脫硫效率，且在吸收塔的內表面不產生結垢[2]。

一個噴淋層由帶連接支管的漿液母管和噴嘴組成（見圖4）。漿液循環一般采用單元制設計，每個噴淋層配一臺吸收塔再循環泵，從而保證吸收塔內所要求的漿液噴淋覆蓋率。各層噴嘴在上下空間上應錯開布置，應保證漿液重疊覆蓋率至少達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，應等于能覆蓋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足對煙氣的噴淋效果，每一層噴淋層的所有噴嘴在設計布置時，應進行仔細計算，反復調整，以避免出現噴淋死角。另外，噴嘴的設計還應保證每個圓形區域具有相同的噴霧密度，一般的脫硫系統設計者根據經驗或理論公式計算噴嘴布置，這往往會導致實際與計算結果不符，利用CFD可以模擬真實及理想條件的特點，創造性的把CFD與噴淋系統設計布置結合起來是解決脫硫系統綜合脫硫效率低的有效手段。

圖5吸收塔噴淋系統CFD數值分析

吸收塔內噴淋層的設計及噴嘴布置是非常關鍵的環節，噴嘴霧化角度的大小對吸收塔工作有很大的影響，霧化角度過大，漿液會噴射到吸收塔內壁，造成嚴重的貼壁現象，霧化角度過小則會導致吸收塔內傳質過程減弱，影響脫硫效率，因此，通過CFD手段，找出噴嘴適合的工作條件、布置及環境，對改進脫硫工業用噴嘴有非常重要的指導意義。

在對脫硫噴淋系統進行CFD模擬分析時，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量級上的差異，故在劃分網格時要進行綜合考慮，在一些曲面棉花較劇烈的地方要進行網格細化，這樣會增加計算量，但可以保證計算精度，由于塔內曲面較多，不能采用正交網格，采用混合網格可以在滿足曲面邊界要求的情況下提高精度。在準確建立網格后，通過數值計算來分析塔內流場、濃度場、壓力場，優化噴淋層布置，降低系統一次性投資，為設計優化、施工優化和運行優化提供指導。舉一個簡單的例子，一個300kw機組的脫硫系統，原設計采用4層噴淋層，通過CFD模擬分析，在保證脫硫效率及相同噴嘴數量的前提下，可將4層噴淋層優化為3層噴淋層，這就意味著整個系統少了一層噴淋管道、一臺循環泵和配套閥門以及儀器儀表，可節省數十萬的設備投資。

結束語

脫硫吸收塔內的氣液流動、傳熱傳質和化學反應是一個復雜過程，通過CFD模擬分析了解和改進單體噴嘴的設計固然重要，但噴淋層設計的優化對整個脫硫系統的意義更大，而且也是未來的脫硫研究發展方向。北京華德創業一直致力于脫硫系統工藝及核心設備的研發，結合各種不同脫硫工藝進行噴嘴和除霧系統布置組合，為不同工藝技術的脫硫工程商提供絕無僅有的技術服務，這也讓華德創業成為國內唯一具有高效介質噴嘴系統和除霧除塵系統KNOW-HOW核心技術的企業。可以預測，隨著計算模型和網格劃分不斷成熟，基于CFD數值模擬的脫硫吸收塔噴淋系統布置優化分析必將取代傳統的經驗和理論設計，為電廠脫硫系統提供更具完善的設計、施工和運行優化服務指日可待！

編輯：張偉