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新型SNCR气力式雾化喷嘴的数值模拟研究

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
 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喷射的核心部件,其良好的性能有利于烟气与还原剂的充分混合。喷射雾化通过喷嘴将液体喷射到气体介质中,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Ω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。 
(责任编辑:xxycoadmi)
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