新型 SNCR 气力式雾化喷嘴的数值模拟研究

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新型SNCR气力式雾化喷嘴的数值模拟研究

林伟荣，高洪培，时正海，王海涛

中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京市，102209

1、引言

氮氧化物（NOx）是火电厂排放的主要大气污染物之一，70%的NOx排放来自燃煤燃烧，其形成的酸雨、光化学烟雾等会对环境和人体健康有重大危害。循环流化床（CFB）锅炉多选用选择性非催化还原（SNCR）法脱硝，其技术原理是把含NHx基的还原剂喷入850~1050℃的烟气温度区域，通过反应消耗烟气中的NO，从而降低NOx排放。SNCR脱硝受温度、氨氮摩尔比与烟气还原剂混合程度等多因素影响，而雾化喷嘴作为还原剂**的核心部件，其良好的性能有利于烟气与还原剂的充分混合。

**雾化通过喷嘴将液体**到气体介质中，使之分散并破碎成小颗粒液滴。雾化喷嘴包括机械式、旋转式、气力式喷嘴等，其中气力式喷嘴在喷嘴内部设计有气液流道，利用高速气流与低速液体射流间的相互剪切作用，在喷嘴内外分别实现初次破碎与二次破碎，最终将液体破碎、雾化成更细小的液滴。用以衡量喷嘴性能的指标包括雾化角、雾滴粒径均匀度、雾滴粒径和射程等。

郑艳等使用Fluent软件对气助雾化喷嘴的雾化特性进行模拟，观察了喷嘴结构与运行参数对喷雾粒径分布的影响；周林华等使用VOF多相流模型对扇形气力雾化喷嘴进行模拟，研究了喷雾过程中流场分布；李明磊等基于VOF和DPM模型对气力式喷嘴的流场与喷雾场进行了观察，研究了喷雾参数对喷雾角和雾滴直径等的影响。

本文对华能清洁能源技术研究院有限公司（简称华能清能院）设计的某款新型SNCR气力式喷嘴雾化性能展开冷态模拟，利用CFD软件Fluent模拟研究液体射流在喷嘴内部的初次破碎与外部的二次破碎特征以及喷枪冷却风对雾滴的辅助雾化作用。

2、雾化理论

2.1 液流初次破碎模型

对于喷嘴内部气液两相流体的初次混合破碎过程，使用VOF模型，气体设置为第1相，液体设置为第2相。使用标量场函数体积分数f来表征第2相流体在网格中所占的体积百分比：f=1表示网格中全为第2相对于喷嘴内部气液两相流体的初次混合破碎过程，用VOF模型，气体设置为第1相，液体设置为第2相。使用标量场函数体积数f来表征第2相流体在网格中所占的体积百分比：f=1表示网格中全为第2相流体，f=0表示网格中全为第1相流体，f介于0与1表明网格中第1相和第2相流体共存，而其余的f值没有物理意义。第2相体积分数的连续性方程为：

流场内任意一点气液两相密度的加权值即为混合流体的密度ρ。

其中：v2为液相速度，ρ1和ρ2分别为第1相与第2相流体密度；m12和m21分别表示第1和第2相对另一相的输运质量；Sf为第2相的质量源项。

2.2 液滴二次破碎模型

在Reitz提出的波动（WAVE）破碎模型中，气液两相间的速度差引发了射流雾滴的二次破碎，破碎时间及破碎后的液滴尺寸取决于液滴表面快速增长的不稳定波[8]。对于较大射流雾滴，其不稳定波最大增长率?及其对应波长Λ有：

其中：a为较大雾滴的半径。雷诺数Re，韦伯数We，昂色格数Oh和泰勒数Ta分别为：

大雾滴破碎后半径变化率和雾滴破碎所需时间τ为：

其中，B1是破碎时间常数，取决于初始射流的湍流度，其值依喷嘴设计而定。

液滴破碎后形成的小液滴，其半径r与较大射流雾滴的最大不稳定波长成正比，有：

其中，B0为模型常数，取值0.61。

3、喷嘴模型

图1为华能清能院设计的气力式雾化喷嘴的结构。

使用前处理软件ICEM对喷嘴进行全尺寸三维网格划分，见图2。模型采用非结构化四面体网格，网格数量约80万。模拟区域沿x轴总长度为45.57mm，气液相入口段长各为7.3m，坐标原点位于液相入口圆心处。

4、液流初次破碎模拟

使用Fluent模拟液流在混合腔内的初次破碎，以水为雾化介质，空气为雾化辅助气体。视流场为定常流动，湍流模型采用可实现k-ε模型，多相流模型使用VOF模型设置空气为第1相，视为可压缩理想气体，

水为第2相。对气液间的相互作用，考虑两相间存在的表面张力作用，设定液相表面张力系数为0.073N/m。

由于喷嘴运行中调节气液相入口压力更为方便稳定，两相入口边界条件都采用压力进口，设置空气进口压力为0.5MPa（总压，以下同）水进口压力为0.5Mpa，喷孔出口压力为0.1Mpa。

压力速度耦合离散采用simple算法，压力选用PRESTO离散方式，动量与体积分数等分别采用二阶迎风以保证模拟精度。适当降低收敛因子至0.3有利于VOF计算收敛，其中动量、体积分数函数、湍动能和湍流耗散项的收敛因子降至0.1。当残差曲线无较大波动并降至1E-05数量级时，计算收敛。

4.1 速度分布

图3显示了Z=0截面的气液混合速度场。空气流经初级导流片时，由于压缩空气膨胀，且截面积收缩，空气流速增加。进入次级导流件前端由于截面积变大，空气流速有所下降，流经次级导流腔时，空气继续膨胀，加之截面积的收缩，空气流速再次提高；进入末端混合腔后，空气动能向液相传递，使得流速低；最后在喷孔内部，压力的作用使得流体流速迅速增加。空气与水的速度从入口处的5.0m/s和0.84m/s分别增至口处的246.6m/s。

4.2 压力分布

空气在喷嘴内部的膨胀加速源于压差驱使而水在流动过程中，静压能逐渐转换成动压能，直至与空气静压相等。沿着流动方向，水的静压逐渐减小，而在撞击件处，静压从~0.24Mpa增至~0.32Mpa（见图4），源自水流的撞击使得水的动压转换为静压。撞击件处高静压的存在使得水克服周边空气的阻力而流向四周

4.3 液相体积分布

图5(a)为Z=0截面水的体积分数分布图。可见，气液混合流动具有明显的交界线，水的体积分数呈梯度分布。由于交界线处高速气流对水流的剪切作用，越靠近交界线水的体积分数越小。而在整个混合腔内，水的体积分数低于10%，出口处水的平均体积分数为0.62%，这表明空气与水进行了充分均匀的混合，实现了水的初步雾化。

该SNCR雾化喷嘴具有良好的初步雾化性能主要有以下三个原因：

1.喷嘴内部存在诸多回流区，见图7。气流在液相入口段、锥形导流件底部、混合腔底部、喷孔入口附近形成多个回流区，气液两相接触面积的增加使得气体的剪切混合作用增强。

2.液相出口结构设计，使得气体流速在垂直流向的截面上分布不均，见图7 X=9.3mm截面（即圆柱形液流通道中心截面）速度分布。液流出口两侧的较高速气流除了对出口液流进行剪切混合，还有利于促进气液在锥形导流腔内的进一步混合。

3.液流在喷嘴内部除了与撞击件相撞，有可能与包括初级导流件与次级导流件在内的壁面多次相撞。

4.4 喷嘴流量特性

喷嘴流量特性是雾化性能的重要技术指标。图8显示了喷嘴水入口压力为设计运行（0.5Mpa）时的流量特性，随着空气入口压力的升高，喷嘴喷雾量减小，而气耗率升高。

5、液滴二次破碎模拟

经初次破碎后的液滴被空气携带**后，随着液滴与空气间相对速度的增加，液滴在空气中可发生进一步破碎（伴随着聚合）。在液相体积分数低于10%的情况下，利用Fluent的离散相模型（DPM）模拟液滴的二次破碎过程。

使用前处理软件ICEM对圆柱体喷雾空间（直径400mm，长500mm）划分网格，采用四面体非结构网格，网格最大尺寸为15mm，在喷口区域对网格进行加密，网格数量约150（见图9）

在DPM模拟中，水滴为离散相，空气为连续相。由于喷嘴出口空气流速较大（Ma>0.3，见下表），将空气视为可压缩理想气体，湍流模型选用可实现k-ε模型。先模拟连续相流动至收敛，再加入离散相进行瞬态计算。激活离散相与连续相间的耦合计算，选择随机碰撞、波动破碎和雾滴聚合模型，使用空气辅助雾化器。迭代时间步长为1ms，步长数量500个。表1列出了3组典型工况用于DPM模拟。图10为**开始后0.5s的喷雾液滴速度分布空间分布图。

用以衡量雾化质量的指标包括喷嘴雾化角、雾滴粒径均匀度、雾滴粒径和射程等。工况1~3 的雾化圆锥角分别为37.1o、32.6o和28.5o,出口空气流速越大，圆锥角越小。连续相流场（图11）的模拟结果表明喷嘴出口气流间存在相互作用而使流动方向向中心偏转，而初次破碎形成的雾滴离开喷孔后在气流作用下运动方向也会偏转，气流速度越大，偏转越明显，故雾化锥角越小。结合图10可见，出口空气速度越大，对雾滴的携带加速作用越明显。

图12列出了工况1-3的雾滴粒度频率分布，喷口空气速度越大，气流对初次破碎液滴的撕裂与破碎越彻底，雾滴的粒径就越小。其粒径满足Rosin-Rammler分布规律(Yd=exp(-(d/d0)n)，Yd代表直径大于d的雾滴数量所占份额，d0为中位径，n为分布指数，代表粒径分布范围)。表2列出了雾滴的索特尔（Sauter）直径等参数。可见，喷口空气速度越大，二次雾化形成雾滴就越小，但分布指数越小，意味着其粒径分布范围更大。

6、冷却风辅助雾化模拟

SNCR喷嘴在高温、高灰浓度和高烟速的水平烟道内工作，为延长其寿命，在喷嘴外围设计有冷却风管套，连接高压流化风源。运行时出口风速约243.6m/s(对应背压约为60kPa)，该高速气流对喷雾液滴具有辅助雾化作用。图13列出了表中工况1与工况3下冷却风的辅助雾化模拟结果（**时间0.5s）

可见，高速冷却风的存在改变了液滴二次破碎的圆锥形雾化形状，雾化区域集中在冷却风正下游，在该区域内雾滴速度较大，将具有更大的贯穿距离，而在主体区域外，空气流速大幅降低，气液相相对作用减弱。

由于冷却风的环状结构，在喷嘴出口处形成了多处回流区（见图14），使得喷孔出口高速气流速度迅速减小，雾滴二次雾化主要依靠冷却风，这也是图13中不同工况在喷嘴下游相同位置处雾滴的速度较接近的原因。

对比图15与图12（c）可见，冷却风的存在有效降低了雾滴的雾化粒径：将粒径大于20μm的雾滴深度破碎至10~20μm，大幅降低了雾滴的索特尔直径（对比表3与表4）。但冷却风的存在降低了对应的分布指数n，说明雾滴粒径分布范围变大，这与冷却风的环形结构有关，因为在圆形区域内部气流速度较小，对雾滴雾化效果没有外围明显。由于雾滴二次破碎主要依赖外围高速冷却气流，使得不同工况下的雾滴平均直径较为接近。

以上结果表明，高速冷却风的引入，不仅提高了雾滴二次雾化效果，也增加了雾滴的射程，若将其用于SNCR 脱硝，有利于实现还原剂与烟气的良好混合，从而收获理想的脱硝效果。

7、结论

本文对某款新型SNCR气力式雾化喷嘴的喷雾特性进行了冷态模拟研究，并观察了喷枪冷却风对雾滴的辅助雾化作用，得出以下结论：

1）对于喷嘴内两相混合破碎过程，喷嘴的结构设计使液相实现了良好的初次破碎，在气液相入口压力分别为0.5Mpa时，喷孔出口处液相体积分数为0.62%。

2）对于喷嘴外雾滴的二次雾化，出口空气流速越大，圆锥角越小，二次雾化形成雾滴粒径越小，但雾滴粒径分布越广。

3)高速冷却风对雾滴的二次破碎起到主要作用，能有效提高雾化效果。