急冷塔噴霧蒸發過程模擬及噴嘴流量配比研究

作者簡介：王炳忠（1970-），副教授，從事航空氣液保障工作，szwbz@sina.com。

引用本文：王炳忠，毛宇，胡新生，等.急冷塔噴霧蒸發過程模擬及噴嘴流量配比研究[J].化工機械，2024，51（2）：214-218;251.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402007

摘 要 基于危險區域占比和出口溫度均勻性這兩個指標，對急冷塔內的噴嘴流量配比進行了優化研究;并通過改變噴霧粒徑和錐角，得到不同工況下的流量配比系數。結果表明：逆流噴射時，配比從10%～100%變化，危險區域占比呈現出先增大后減小并逐漸穩定的趨勢;配比40%時，危險區域占比達到峰值，且該峰值會隨噴霧粒徑和錐角的增大而增大;配比超過70%時，危險區域占比基本降至5%以下，此時受噴霧參數的影響較小。當噴霧粒徑較大或錐角較小時，會影響出口溫度的均勻性。當流量配比處于70%～90%，5種工況下的評價系數均處于90%以上。

關鍵詞 急冷塔 噴霧蒸發 噴嘴流量 流量配比

中圖分類號 TQ053.5" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）02?0214?06

在現有固體廢棄物處理技術中，焚燒處理是減小危害和實現減量最有效的方法之一，生成的物質穩定且無公害化[1，2]。但焚燒產生的二噁英類物質是世界上已知的毒性最強的污染物之一，國家最新排放標準規定二噁英排放濃度必須低于0.1 ng/Nm3（I?TEQ），調查國內19座垃圾焚燒爐二噁英的排放情況，只有6座滿足排放標準[3]。二噁英主要來自物料攜帶、高溫燃燒生成和燃燒后低溫區生成，其中主要來源為尾部煙氣冷卻過程中的低溫再生成[4，5]，二噁英在800 ℃以上高溫

時，會處于分解狀態，250～500 ℃會再次合成，其中在300～450 ℃這個溫度區間生成的比例最大。

工程上常使用急冷塔來減少二噁英的后期合成，塔內核心部件為雙流體噴槍（空氣霧化噴槍），它是通過調節氣壓與水壓來改變出水量和噴霧粒徑大小的。李文俊等基于渦殼進氣型急冷塔研究了噴嘴霧化粒徑、噴射速度及噴射角度等噴嘴運行參數對急冷塔內蒸發過程的影響機

制[6]。吳博威等研究了噴嘴的入射角度、噴嘴中水的入射速度和噴射半角對急冷效果的影響[7]。賴喜銳等考慮了進氣管結構對氣流的影響，分析了某急冷塔內部流場分布與故障原因[8]。詹仕巍和虞斌對急冷塔內氣液兩相流動進行了模擬，研究了入口煙氣溫度、液滴初始粒徑、初始溫度和噴射速度對液滴群蒸發的影響[9]。

目前，對于急冷塔內的溫度場分析和參數影響研究較為成熟，但對如何降低二噁英低溫合成的溫度區間比例、提高塔體出口溫度的均勻性，對二噁英排放和后續煙氣處理起到實質性作用的相關研究相對較少。因此急冷塔內噴霧蒸發過程中，合成溫度區間的占比和出口溫度均勻性極為重要。基于以上兩個指標，筆者從工程實際項目出發，確定了急冷塔的噴射方式，并通過調整噴嘴流量配比和噴霧參數，進行優化研究。

1 噴射方式選擇

急冷塔內的噴射方式有順流和逆流之分，即煙氣與噴霧液滴流向相同或相反，如圖1所示。某項目急冷塔相關參數見表1，煙氣主要成分為CO2、O2、N2、H2O，各組分摩爾分率占比分別為11.2%、5.2%、70.5%、13.1%。塔內設置有上、下兩層噴嘴，噴霧形式為空心錐，噴霧粒徑、速度、錐角分別為50 μm、35 m/s、55°。筆者采用Fluent16.0軟件對急冷塔內部流場進行三維數值模擬，網格劃分采用非結構化六面體，尺寸設置為0.035 m，質量在0.9以上，網格數量為19 807。圖2為網格的無關性驗證，描述的是3種網格尺寸下的出口溫度隨時間的變化趨勢，可以看出網格尺寸減小到0.035 m時已經變化很小，考慮到計算資源，故選取適中的網格尺寸0.035 m。

仿真思路是首先求解沒有液滴的流場，使用Realiable湍流模型加上Species模型對高溫煙氣（連續相）進行氣相模擬，入口邊界為質量流量入口，出口邊界為壓力出口，穩態求解;再啟動DPM模型仿真液滴和蒸發問題，加入噴霧液滴（離散相）進行耦合計算，進出口的DPM邊界條件設為“Escaped”，壁面DPM邊界條件設為“Trapped”，非穩態求解，時間步長0.01 s，壓力-速度耦合方式改為PISO算法，收斂標準采用默認參數。

圖3左側為兩種噴射方式下塔內溫度場分布，紅色和藍色區域分別代表煙氣冷卻前和冷卻后的狀態，交界的黃色部分則為煙氣與噴霧接觸時的蒸發區域。順流噴射時，煙氣與空心錐噴霧外表面接觸，因此其蒸發區域較為狹長;而逆流噴射時，煙氣首先與空心錐噴霧底端接觸，導致蒸發區比順流噴射時要小。蒸發區域越小，意味著煙氣在降溫過程中產生二噁英的溫度區域越小。圖3右側為兩種噴射方式下，危險區域占比情況（300～450 ℃溫度區間占比）。兩種方式在前1.0 s內都會經歷先上升后下降的趨勢，在1.2 s后均趨于穩定。逆流會比順流的峰值更大，但逆流的穩定值要低很多，因此逆流噴射更加有利于抑制二噁英的生成。

圖4為兩種噴射方式下，塔內截面平均溫度和溫度均勻性變化情況。為了定量描述塔內溫度的均勻性，定義溫度均勻性指標Tu=1-r（r為塔截面溫差絕對值與其平均溫度的比值）對溫度場進行分析。

順流時，塔內平均溫度變化較為緩慢，整體溫度均勻性隨塔高先減小后增大。對于雙層噴嘴在逆流噴射方式下，塔內平均溫度有兩次較為明顯的下降，均發生在噴嘴附近;在溫度急劇下降的同時，溫度均勻性也有大幅度的下降，而后有所回升。

綜上，逆流噴射時，能更早達到平均溫度，同時塔體出口溫度均勻性更高，而且危險區域占比更小，因此將采用逆流噴射方式進一步研究。

2 確定噴嘴流量最佳配比

為了研究噴嘴流量配比對溫度場的影響，將第1層配比從10%變化到100%，圖5為不同噴嘴流量配比下，塔內的溫度云圖對比。可以看出，

當配比為10%和30%時，第1層的噴霧不足以將煙氣溫度降至300 ℃以下，導致出現面積較大的危險區域。隨著流量配比增大，危險區域逐漸減小;當配比為80%時，危險區域已經達到比較小的范圍。

圖6為不同噴嘴流量配比下危險區域占比和出口溫度均勻性變化，可以看出，在逆流噴射方式下，第1層噴嘴流量配比從10%逐漸增大到100%，危險區域占比呈現出先增大后減小，并逐漸穩定的趨勢。配比40%時，危險區域占比達到峰值;配比超過70%時，危險區域占比降至5%以

下。配比30%～80%時，出口溫度均勻性較高，其余配比系數均勻性較低，呈現中間高，兩頭低的趨勢;但出口煙氣溫度都可以達到95%以上的均勻程度，總體影響很小。

通過以上兩個指標，無法定量描述噴嘴流量的配比好壞，于是定義流量配比評價系數Qp=Tua（Tu為出口溫度均勻性，a為危險區域占比）。流量配比評價系數Qp是能夠反映第1、2層噴嘴流量配比對于提升煙氣出口溫度均勻性和抑制塔內二噁英生成量占比的綜合評價系數，Qp在0～1之間，越接近1，表明控制效果越佳。

如圖7所示，隨著噴嘴流量配比從10%逐漸增大到100%，流量配比評價系數呈現出先減小后增大，并逐漸穩定的趨勢。當配比在70%～100%時，流量配比評價系數均處于90%以上，屬于較好的配比區間。

3 不同噴霧參數下的噴嘴最佳流量配比

改變噴霧粒徑和錐角進行分析，表2為各工況下的噴霧參數。

圖8、9分別反映了不同噴霧粒徑和錐角下的危險區域占比和出口溫度均勻性變化，可以看出配比40%時，危險區間占比達到20%左右的峰值，且該峰值會隨著噴霧粒徑和錐角的增大而增大;配比超過70%時，危險區間占比基本降至5%以下，此時受到噴霧參數的影響較小。

塔體出口溫度均勻性隨著噴霧粒徑和錐角增大，而略有提升。噴霧錐角55、90°，噴霧粒徑在50、75 μm時，出口溫度均勻性基本均在95%以上;當噴霧錐角20°時，出口溫度均勻性處于90%～95%;隨著噴霧粒徑增大到100 μm，由于粒徑較大無法快速蒸發，會影響到出口溫度均勻性。

表3為不同工況下流量配比評價系數，可以看出這5種工況下都反映出，最佳流量配比范圍在70%～90%之間，流量配比評價系數均處于90%以上。

4 結論

4.1 在逆流噴射方式下，噴嘴流量配比從10%逐漸增大到100%，危險區域占比呈現出先增大后減小，并逐漸穩定的趨勢。配比40%時，危險區間占比達到20%左右的峰值，且該峰值會隨著噴霧粒徑和錐角的增大而增大;配比超過70%時，危險區間占比基本降至5%以下，此時受到噴霧參數的影響較小。

4.2 塔體出口溫度均勻性隨著噴霧粒徑和錐角增大，而略有提升。噴霧錐角55、90°，以及噴霧粒徑在50、75 μm時，出口溫度均勻性基本均在95%以上;當噴霧錐角20°時，出口溫度均勻性處于90%～95%;隨著噴霧粒徑增大到100 μm，由于粒徑較大無法快速蒸發，會影響到出口溫度均勻性。

4.3 當流量配比處于70%～90%，5種工況下的流量配比評價系數均處于90%以上。

參 考 文 獻

[1] 苑紹鵬，李奇君，王卉春.醫療垃圾的處理技術探索[J].產業與科技論壇，2016，15（5）：45-46.

[2] 陳宋璇，王云，王昊.垃圾焚燒飛灰無害化處置產業現狀及技術進展[J].中國有色冶金，2022，51（6）：71-80.

[3] 林曉青，李曉東，陸勝勇，等.垃圾焚燒爐二惡英排放特性與減排技術展望[J].熱能動力工程，2015，30（3）：329-332;487.

[4] 魏宇軒，李棟，田苗，等.二噁英的生成及防治研究現狀[J].有色金屬科學與工程，2022，13（6）：119-126.

[5] 許鵬，周品，柏寄榮，等.二噁英形成機理研究進展[J].中國資源綜合利用，2022，40（6）：100-111.

[6] 李文俊，鄭成航，王伊凡，等.受限空間小型急冷塔內噴霧蒸發的數值模擬[J].環境工程，2022，40（4）：50-56;78.

[7] 吳博威，周良，林則全，等.電爐煉鋼煙氣急冷過程的數值模擬[J].天津冶金，2022（1）：20-23.

[8] 賴喜銳，林健奔，吳蔚，等.危廢焚燒系統急冷塔模擬分析[J].廣東化工，2022，49（23）：214-216;207.

[9] 詹仕巍，虞斌.急冷塔內噴霧蒸發過程的數值模擬[J].輕工機械，2017，35（6）：87-91;96.

（收稿日期：2023-03-07，修回日期：2024-03-13）

Simulation Process of Spray Evaporation in the Quench

Tower and Proportion Research of Nozzle Flow

WANG Bing?zhong ， MAO Yu ， HU Xin?sheng ， DAI Bo?wen

（Naval Aviation University Qingdao Campus）

Abstract" "Based on the two indicators of dangerous area and the uniformity of export temperature， the nozzle flow ratio in the quench tower was optimized. Through changing spray particle size and cone angle， the flow ratio coefficient under different conditions was obtained to show that， as for the countercurrent spray， the ratio changes from 10% to 100%， and the proportion of dangerous areas shows a trend of being increased first， then decreased and gradually becomes stable. When the flow ratio is 40%， the proportion reaches the peak which will rise with the increase of both spray particle and cone angle; when the flow ratio exceeds 70%， the proportion will basically decrease to be less than 5%. At this time， the impact of parameters becomes small. When the spray size becomes large or the cone angle is small， it will influence uniformity of the export temperature. When the flow ratio stays at 70% to 90%， the evaluation coefficients under five working conditions stay above 90%.

Key words" " quench tower， spray evaporation， nozzle flow， flow ratio