在现代工业危险废物管理系统中，焚烧已成为最广泛采用的处理技术之一，因为它具有高减量能力和有效破坏高浓度难降解有机污染物的能力[1,2]。在焚烧炉内的高温条件下，二噁英及其分子前体可以高效分解[3]。然而，在随后的冷却阶段，如果烟气缓慢通过大约200–450°C的温度窗口（该温度窗口对二噁英重组非常敏感），仍可能发生二次合成。这种二次形成不仅增加了污染物再排放的风险，还对下游气体净化装置造成了巨大负担[4,5]。因此，实现快速烟气冷却，使烟气在最短时间内通过这一关键温度窗口，已成为抑制危险废物焚烧系统中二噁英重组的关键工程挑战[6,7]。图1。
喷雾冷却塔作为一种典型的直接接触冷却装置，由于其较大的气液界面面积和强大的湍流混合能力，被广泛用于快速烟气冷却。从过程强化的角度来看，喷雾冷却本质上是一个时间强化的热过程，其主要目标是压缩特征热停留时间。通过强化气体和液体相之间的直接接触传热和质量传递，可以在紧凑的空间内实现高热流去除，从而使烟气快速通过二噁英重组窗口，从而在源头抑制污染物形成。与传统间接换热器相比，喷雾冷却塔不仅具有冷却功能，还集成了流体组织、相变控制和操作安全性。
然而，与传统换热设备不同，喷雾冷却涉及强耦合的多物理过程，包括湍流混合、液滴动量交换、蒸发驱动的相变和瞬态热传递。因此，冷却性能和强化效果对喷雾结构和操作条件非常敏感。这种强耦合使得基于稳态假设或半经验关系的传统设计方法难以准确捕捉喷雾参数、冷却速率和操作安全裕度之间的内在关系，从而限制了在过程强化框架内对冷却塔的进一步优化。
近年来，计算流体动力学（CFD）已成为揭示喷雾冷却塔中复杂流动和相变机制的强大工具[8]。现有研究表明，喷嘴雾化特性（特别是液滴尺寸分布、喷射速度和喷射角度）在决定气液界面面积、液滴蒸发路径和温度场均匀性方面起着决定性作用[9][10][11]。例如，[12]指出液滴尺寸是控制冷却速率的主要因素，而[13]进一步揭示了多喷嘴配置下的液滴相互作用和壁面润湿风险。此外，郭等人[14]、李等人[15]和Raoult等人[16]结合实验测量和数值模拟，定量评估了液滴动力学对蒸发和酸性气体去除的影响，从而确立了CFD在评估冷却塔热力学性能中的核心作用。
尽管在单参数敏感性分析方面取得了这些进展，但喷雾冷却本质上是一个多目标过程，受到多种相互冲突的约束。减小液滴尺寸可以增强蒸发和热传递强度，但可能会减弱喷射穿透力；而提高喷射速度虽然能增强湍流混合，却会增加夹带风险和能耗[17]。在这种情况下，基于CFD的暴力参数扫描或单目标优化方法在计算上变得不可行，且无法在存在多个冲突目标的情况下找到工程上可行的最优解。因此，将喷雾冷却设计从传统的单参数调整发展为多变量、多目标协同优化，是实现面向过程强化的性能提升的必要条件。
为了解决高计算成本和多目标冲突的联合问题，混合建模策略最近被引入到过程强化（PI）领域。这些方法将第一性原理模型与数据驱动的替代模型相结合，能够在保持物理一致性和可解释性的同时，高效探索高维设计空间[18]。在喷雾冷却研究中，基于机器学习和神经网络的替代模型已被证明能够有效捕捉冷却性能对操作参数的非线性依赖性，同时显著降低计算成本[19][20][21]。同时，非支配排序遗传算法NSGA-II在多目标优化中表现出稳健的性能，其与TOPSIS决策制定的结合可以将帕累托最优解集转化为符合明确定义的标准和权重方案的实用工程设计[22]。
在这个过程强化框架中，喷雾喷嘴是冷却塔的核心强化组件。其雾化特性直接决定了气液界面通量、蒸发时间尺度和烟气冷却轨迹。因此，协调优化液滴尺寸分布、喷射速度和喷射角度是加速烟气冷却和最小化烟气在二噁英重组温度窗口内停留时间的关键手段。对喷嘴参数的系统化多目标优化对于基于喷雾的强化单元操作的设计具有直接工程意义和广泛的理论价值。
据此，本研究提出了一个用于危险废物焚烧冷却塔喷嘴参数设计的集成优化框架，该框架结合了瞬态高保真CFD采样、GA–BP替代建模、NSGA-II多目标优化和TOPSIS决策分析。液滴尺寸、喷射速度和喷射角度被视为协同设计变量，并使用正交实验设计生成代表性训练样本，以建立喷嘴参数与冷却性能之间的高精度非线性映射。在此基础上，采用NSGA-II获得帕累托最优解集，无需事先设定权重，然后应用TOPSIS识别工程上可行的折中方案。最后进行CFD回代验证，形成闭环验证链。所提出的方法为实现烟气在1秒内通过二噁英重组窗口提供了定量支持，并为直接接触热设备的多变量协同设计提供了一种可转移的过程强化导向策略。
