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大气污染是目前全球面临的最严重的环境问题之一，随着排放情况日渐严峻，优化现有的污染物脱除方案，研究多种污染物的协同吸收技术是必要且迫切的需求。
湿法烟气脱硝是利用液体吸收剂将NOx溶解的原理来净化燃煤烟气。由于NO很难溶于水，需要把NO先氧化为NO2。所以一般先让NO与氧化剂反应生成NO2，再用可吸收NO2的溶液或水吸收，完成烟气脱硝。湿式氨法烟气脱硝可以协同脱除SO2，而且副产物可作为氨肥利用，经济高效，作为一种符合我国国情的脱除技术得到国内外学者的广泛关注。
喷淋散射塔是一种具有深度脱硫脱硝和精细除尘的新型吸收塔。对于脱硝功能而言，经过前置臭氧氧化的烟气中所包含的NO2在该装置中得到吸收，从而达到深度脱硝的目的。本论文结合某5 000 m3/h示范装置，采用数值模拟方法研究其氨法脱硝过程，探究所发生的物理化学过程，考察主要工艺和运行参数的影响规律，以为该类燃煤烟气处理装置的设计和运行提供依据。
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模拟对象为某5 000 m3/h喷淋散射塔示范装置，该装置的整体结构和用于鼓泡区烟气分布的散射板结构,见图2、图3。
喷淋散射塔上部为喷淋区域，下部为鼓泡区域，距离塔体1 m的入口烟道内有臭氧投加装置。
计算区域的离散网格有结构化网格、非结构化网格、多面体网格3种方式。结构化网格生成速度快，质量好，但只适合简单规则的结构；非结构化网格相比结构化网格更容易适应复杂结构，但网格生成数量较大，而多面体网格既有结构化网格一样的计算效率，又有像非结构化网格一样适应复杂外形的能力。喷淋区结构比较复杂，省略臭氧投加管道，使用多面体网格划分喷淋区域。鼓泡区为对称结构，可以取一半物理模型建模计算，使用多块拼接的结构化网格对鼓泡区域进行划分。壁面处流动区域采用幂函数规律变化进行加密。喷淋区和鼓泡区网格分别见图4、图5。几何参数见表1。
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烟气和载臭氧气体入口烟道内进行氧化进入喷淋区域，与喷淋液滴发生质量、动量、热量交换。将烟气看作连续相，液滴看作离散相，用欧拉-拉格朗日模型描述烟气和液滴的运动，将烟气视为不可压缩流体。
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气相湍流控制方程可用通用形式见式（5）。
式（5）中，
${\vec u_g}$ 为烟气速度，m/s；φ为通用变量，φ=1时方程为连续性方程，为烟气速度时方程为动量守恒方程，为烟气温度时方程为能量守恒方程，为烟气中组分的质量分数时方程为组分输运方程；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项，包括气相中一氧化氮的氧化反应，液滴蒸发，浆液吸收二氧化氮的质量交换与气液之间的相间作用力。 -
标准k-e模型可以解决一般流体湍流计算的问题，固使用它描述烟气湍流作用。湍动能方程和湍流耗散率方程见式（6）。
式（6）中，ρg为烟气密度，kg/m3；μg为烟气的动力粘度，Pa·s；
${\mu _{t,g}}$ 为烟气湍流动力粘度；k为湍动能；Πkm为湍动能方程的源项；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。式（7）中，ε为湍流耗散率；Πεm为湍流耗散率方程的源项。模型中各参数见表2。
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在喷淋区域烟气与浆液液滴相互作用，液滴粒径较大，不能忽略其与烟气之间的滑移作用，同时浆液液滴的运动轨迹也受到烟气湍流作用的影响。随机颗粒轨道模型基于单颗粒动力模型发展而来，考虑了这两者的作用。所以采用随机颗粒轨道模型描述液滴的运动。
单个液滴的运动方程见式（8）。
式（8）中，mp为浆液液滴质量，kg；
${\vec u_p}$ 为浆液液滴的瞬时速度，m/s；${\vec F_p}$ 为浆液液滴受到的合力(假定只受到曳力和重力作用)。单个浆液液滴受到的曳力见式（9）。
式（9）中，rp为浆液液滴的半径，m；ρp为浆液液滴的密度，kg/m3；CD为曳力系数。
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根据文献的研究[3]，液滴蒸发过程目前是基于在离散轨道模型的基础上的单液滴稳态蒸发模型来假设和计算的。使用强迫对流换热中单颗粒蒸发模型对喷淋区域中的液滴蒸发过程进行描述。
单个液滴的蒸发速率见式（10）。
式（10）中，Ni为水蒸汽的摩尔流率，kmol/(m2·s)；kc为传质系数，m/s；
${C_{i,s}}$ 为液滴表面的蒸汽浓度，kmol/m3；${C_{i,\infty }}$ 为气相主流中的蒸汽浓度，kmol/m3；kc根据式（11）得到。式（11）中，
${D_{i,m}}$ 为水蒸气在烟气中的扩散系数，m2/s；Sc为（传质）施密特数；Rep为液滴的相对雷诺数；dp为液滴直径，m。单个液滴的蒸发量见式（12）。
式（12）中，Δt为液滴运动的时间步长，s；mp为此刻的浆液液滴的质量，kg；
${m_p}\left( {t + \varDelta t} \right)$ 时刻的浆液液滴的质量，kg。单个液滴的传热过程见式（13）。
式（13）中，hfg为汽化潜热，J/kg；
${c_{p,p}}$ 为液滴的比热容，J/(kg·K)；Tg为烟气温度，K；Tp为液滴温度，K。方程中的对流换热系数h由RANZ et al[4]给出的公式计算见式（14）。
式（14）中，Nu为努赛尔数；Pr为连续相的普朗特数。
饱和水蒸气分压Psat与温度的关系参考经验见式（15）[5]。
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将烟气和浆液均视为连续相，用双欧拉模型描述烟气和浆液两相流动。
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1）质量守恒方程。烟气和浆液均视为不可压缩流体，烟气和浆液的质量守恒方程见式（16）。
式（16）中，αg为气相体积分数；αl为液相体积分数；ρl为浆液密度，kg/m3；ul为浆液速度，m/s；
2）动量守恒方程。烟气和浆液的动量守恒方程见式（17）。
式（17）中，μl为浆液的动力粘度，Pa·s；
${\mu _{t,l}}$ 为浆液的湍流动力粘度；${\vec F_g}$ 为作用在气相微元体上的力，包括相间作用力和流体的重力作用；${\vec F_l}$ 为作用在液相微元体上的力，包括相间作用力和流体的重力作用；${\vec F_D}$ 为曳力作用；${\vec F_l}$ 为升力作用；${S_{g,l}}$ 为烟气和浆液的广义动量源项。3）能量守恒方程。在喷淋散射塔中，浆液池中的浆液不断被补充和排出，烟气传递的热量对浆液池的温度几乎没有影响，忽略浆液温度的变化。所以只考虑烟气的能量方程，见式（18）。
式（18）中，
${S_{T,g}}$ 为气相能量方程源项，相间对流传热；Tl为浆液温度，K；dg为气泡索特直径，m；4）组分输运方程。烟气中二氧化氮通过扩散作用从气相进入吸收液中。烟气中二氧化氮的组分输运方程见式（19）。
式（19）中，Sct为湍流施密特数；
${S_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_2},{\rm{g}}}}$ 为二氧化氮组分输运方程中的质量源项，kg/s。 -
根据文献[6-7]的研究，采用RNG k-ε模型的每个相模式来描述鼓泡区域的气液两相湍流运动。烟气和浆液的湍动能和湍流耗散率方程为见式（20）～（21）。
式（21）中，Rε为液相的时均应变率产生的湍流耗散源项；Π表示湍动能或湍流耗散率的源项。
将Troshko湍流作用模型用于描述气泡相对液相湍流的影响[8]。
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根据李孟[9]对鼓泡塔气液两相流的研究，可以得出：湍流鼓泡流中曳力和升力占主导作用，因此，只考虑曳力和升力作用对鼓泡区域气液两相流的影响。
气泡曳力表达式见式（22）。
气泡升力表达式见式（23）。
式（23）中，Cl为升力系数。
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采用群体平衡模型（PBM模型）对鼓泡区域气泡尺寸分布和动态变化进行模拟。
在模拟鼓泡区域气泡流动时，只考虑气泡的聚并和破碎，不考虑气泡的增长，使用Luo模型来模拟鼓泡区域中气泡的聚并和破碎过程[10]。
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气体的液相中的吸收过程经过了多年的研究，学者们提出了包含双膜理论模型、渗透模型、表面更新模型等传质吸收模型。这三种理论都是本质一样的典型传质理论，其区别主要在于获得液相传质系数的方法双膜理论是应用最广泛的传质模型。该模型最早由惠德曼学者提出的，双膜理论的主要观点如下：
（1）气液两相流体间存在稳定的相界面，界面两侧各有一层稳定的气膜或液膜，溶质以分子扩散的方式通过这两层膜。
（2）界面上的气、液两相呈平衡。相界面上没有传质阻力。
（3）在气液两膜层之外的气体以及液体两相主体内部不存在传质阻力，也就是其自身的分压梯度数值（或是浓度梯度数值）都是零。
XIANGGAO[11]和杜振等[12]通过实验研究得出结论：当(NH4)2SO3浓度大于0.05 mol/L时，上述反应为气膜控制。基于化学反应吸收理论，(NH4)2SO3溶液与NO和NO2发生的反应被认为是快速不可逆反应。本次模拟中液相(NH4)2SO3的浓度为0.94 mol/L，此时NO2吸收反应为气膜控制，因此假设忽略液膜阻力，且NO2在液相主体中浓度为0，此时可认为NO2在气液交界面已反应完毕。在喷淋区域，单个液滴中NO2的吸收过程见式（24）。
式（24）中，
${N_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_2}}}$ 为NO2传质速率，kmol/s；${k_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_2},{\rm{g}}}}$ 为气相传质系数，kmol/(m2·Pa·s)；${P_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_2},{\rm{g}}}}$ 为气相主体中NO2的分压，Pa；AP为单个液滴的传质面积，m2；式（25）中，zG为气相有效滞流膜层厚度，m；
${D_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_2}}}$ 为NO2的扩散系数，m2/s；P为气体总压强，Pa；R为热力学常数，8 314 J/(kmol·K)；Tg为烟气温度，K；
${D_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_2}}}$ 由Maxwell-Gilliland公式求得式（26）。式（26）中，
${M_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_2}}}$ 为NO2的分子量，g/mol；MB为烟气中其它成分的的分子量，g/mol，这里视为空气；${v_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_2}}}$ 为NO2的分子体积，cm3/mol；vB为烟气中其它成分的的分子体积，cm3/mol，这里视为空气；P为气体总压强，Pa 。气膜厚度zG采用赵光玲提出的公式（27）[13]计算，式中d p为液滴直径，m。
PBm计算方法见式（28）。
在鼓泡区域见式（29）。
Ag为单位体积内气液交界面面积，m2/m3，见式（30）。
dg为气泡平均索特直径，m，见式（31）。
式（31）中，d为气泡直径，m；dmax为最大气泡直径，m；dmin为最小气泡直径，m；N为气泡数目。
3.1. 喷淋区数学模型
3.1.1. 气相控制方程
3.1.2. 湍流模型
3.1.3. 随机颗粒轨道模型
3.1.4. 液滴蒸发模型
3.2. 鼓泡区数学模型
3.2.1. 控制方程
3.2.2. 湍流模型
3.2.3. 相间作用力
3.2.4. 气泡模型
3.3. 脱硝模型
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气体入口均为速度入口，出口为压力出口，壁面设为绝热无滑移壁面。在喷淋区域方程离散方式采用二阶迎风格式，用SIMPLE算法进行求解，鼓泡区域方程离散方式采用一阶迎风格式，用Phase Coupled SIMPLE算法进行求解，时间步长为0.002 s，m每一步迭代20次，在模拟中认为液滴运动到塔壁后离开计算区域。脱硝反应的实现通过用户自定义函数（UserDefinedFuctions）实现，NO氧化反应通过添加单相反应的方程及参数设置实现，化学反应设置见表3。
先计算喷淋区域流场，以喷淋区的出口条件作为鼓泡区的入口条件，最后得到整体脱硝效果。烟气及浆液参数见表4。
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本文通过某5 000 m3/h喷淋散射烟气处理示范装置的实验结果验证所建立的氨法脱硝模型，再分析喷淋散射塔中的传热传质过程。该装置所处理的烟气中的经臭氧氧化后的NO2是前置SCR处理后残余的NO。
用所建立的数学模型计算喷淋散射塔的氧化脱硝。脱硝效果对比结果见图6。液气比由2增加到4 L/Nm3时，计算所得NOx含量从61.92到53.94 mg/Nm3，实验结果为68到50 mg/Nm3。计算结果与该5 000 m3/h喷淋散射烟气处理示范装置的实验结果基本一致，所以所建立模型是合理的。
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烟气与喷淋液滴发生传热后温度降低，烟气初始温度为413 K，出口烟温平均温度为365 K，温度降低了48 K，这有利于脱硝的放热反应，同时降低温度也可减少氨的逃逸。水蒸气分布见图7，液滴中的水蒸发后进入气相，提高了烟气中水蒸气的质量分数，在喷嘴、散射管附近等发生传热传质过程较剧烈的地方水蒸气浓度较高。NO2浓度分布见图8，NO2先由NO氧化生成，在入口烟道处浓度随烟气流动逐渐增大，随着气液传质加剧，被液滴吸收后减小。
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此时时刻为15.406 s，在Fluent中通过设置监测面，可在出口截面上观察到呈周期性波动的NO2的质量分数曲线，由此可得知计算已经稳定，取此刻的气含率分布见图9。其与烟气带动浆液的运动有关，烟气从散射板流入浆液，挤压浆液，散射管周围的浆液向上鼓动。在烟气与浆液接触，带动浆液运动的过程中完成气液两相的传热传质。
NO2在鼓泡区的分布情况见图10，因为在喷淋区已经完成了大部分NO2的吸收，在鼓泡区只吸收很少一部分就达到了平衡状态。
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液气比对脱硝率的影响见图11。
图11可见，随着液气比增大，脱硝率从24.1%上升到33.9%。其中的原因是喷淋量的增加使气液接触面积增大，传质过程加剧，导致NO2的吸收量提高，因为改变液气比是改变喷淋浆液与烟气的体积关系，所以液气比的改变对喷淋散射塔整体脱硝效果的影响体现在喷淋区域。
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烟气流量对脱硝率的影响见图12。
图12可见，烟气流量从4 000增大到6 000 Nm3时，脱硝率从33.3%降低至24.1%。这是因为烟气流量增大代表着烟气速度的增加，烟气在喷淋散射塔中的停留时间减小，从而减少了气液接触时间，所以NO2的吸收量减少。
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O3/NO摩尔比对脱硝率的影响见图13。
图13可见，当O3/NO摩尔比从0.7增大到1.5时，脱硝率从24.1%提高到39.6%。这是因为当臭氧过量时，NO几乎被完全氧化，生成的NO2浓度大，增加了反应速率，同时会发生深度氧化反应，一部分二氧化氮生成极不稳定的三氧化氮，从而使NOx含量减小。
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浸没深度对脱硝率的影响见图14。
图14可见，随着鼓泡区散射在浆液中的“浸没深度”的增大，脱硝率有所增加，当浸没深度从0.1增加到0.5 m时，脱硝率从29.8%提高到31.6%，这是因为浸没深度增加，鼓泡区气液接触时间随之增加，从而提高了脱硝率，同时也可得知二氧化氮在鼓泡区域的吸收量很少，所以变化幅度较小。
4.1. 边界条件及求解方式
4.2. 模型验证
4.3. 喷淋区气液两相热质传递分析
4.4. 鼓泡区气液两相热质传递分析
4.5. 影响喷淋散射塔脱硝率的因素
4.5.1. 液气比
4.5.2. 烟气流量
4.5.3. O3/NO摩尔比
4.5.4. 浸没深度
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通过对工业示范喷淋散射塔经臭氧氧化后燃煤烟气中NO2吸收过程的数值模拟研究，结论如下4点。
1）随着液气比的增大，气液接触面积增大，脱硝率提高。同时这一结论通过实验结果并证得出，并验证了在该研究对象上建立的数学模型合理。
2）增加烟气流量会使烟气速度增加，气液接触时间减少，脱硝率降低。烟气流量在增大的时候，脱硝率降低的趋势会随之减缓。
3）O3/NO摩尔比增加会使NO氧化率提高，增加反应速率，生成高价氮氧化物，提高脱硝率。但当脱硝率增加到一定程度时，再增加O3/NO摩尔比对脱硝率的提升就很小了。
4）增加浆液浸没深度可以增加气液接触时间，从而提高脱硝率，脱硝率增加的速率随浸没深度先增加后减少，因为NO2的吸收已经达到饱和，很难再有进一步的提高。
