楊智遠(yuǎn)，張 釗，江國和

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

SCR技術(shù)最早由美國的Eegelhard公司發(fā)明，由日本在20世紀(jì)70年代成功實現(xiàn)工業(yè)化[1]。該技術(shù)是在有氧的條件下，在催化劑的作用下，利用NH3作為還原劑將煙氣中的NOx還原為N2和H2O[2–3]，該套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單并且具有較高的脫硝率，在工作中具有運行可靠等優(yōu)點。SCR技術(shù)在火力發(fā)電廠已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，近十幾年來該項技術(shù)在船舶柴油機的應(yīng)用上已經(jīng)成為一個熱門課題。

煙氣中的飛灰沉積是一個復(fù)雜的過程，飛灰的沉積過程包括傳熱、飛灰顆粒的運動以及飛灰與反應(yīng)器黏附等過程。煙氣的積灰是松散型的很容易掉落并最終掉落到催化劑表面，形成堵塞，松散的積灰主要受重力、范德華力等力的作用附著在SCR反應(yīng)上面，不受其他化學(xué)力的作用[4]，胡琛研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，積灰的粘結(jié)強度在50～250 Pa之間，比較容易清除。

廢氣中的灰塵沉積在催化劑表面沉積，從而阻礙了NOx、NH3、O2到達(dá)催化劑的活性表面，降低了NOx的轉(zhuǎn)化率。陳進(jìn)生等[5]研究發(fā)現(xiàn)廢氣中的粉塵會造成孔徑小于3.5 nm的催化劑孔道發(fā)生堵塞，強華松等[6]研究發(fā)現(xiàn)，積灰沉積在催化劑的孔道上，隨著聚集的機會越來越多，機會顆粒之間互相交錯搭建，最終可能將催化劑的孔道堵塞，此外飛灰中含有的Na，K等元素還容易造成催化劑中毒，從而降低NOx的轉(zhuǎn)化率[7]。

為了降低和預(yù)防SCR系統(tǒng)催化劑表面的機會沉積，提高NOx的轉(zhuǎn)化率，減小反應(yīng)器的壓降，通常在SCR反應(yīng)器內(nèi)部加裝吹灰裝置來保證反應(yīng)高效進(jìn)行。本文研究SCR反應(yīng)器吹灰裝置噴孔布置方案的合理性，并且對其提出優(yōu)化措施。

1 噴孔布置方案

對于壓縮空氣式吹灰裝置來講，噴孔布置在壓縮空氣管路上，定義噴孔間角度為θ，壓縮空氣管路選擇型號D32標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼管，壁厚為5 mm，如圖1所示。

圖 1 噴孔間角示意圖Fig. 1 The picture of nozzle angle

以催化劑單元的1/4橫向尺寸為160 mm×160 mm×500 mm的研究對象，噴孔數(shù)量按照3×3和4×4的布置方法提出A，B，C三種布置方案。

1.1 噴孔布置方案A

方案A是按照3×3的數(shù)量對噴孔進(jìn)行布置，如圖2所示，以1個催化劑單元內(nèi)的1根壓縮空氣管路作為研究對象，該型催化劑的橫截面尺寸為160×160，該方案提出在催化劑單元內(nèi)取3個壓縮空氣管路的截面，在每個截面上分別布置3個噴孔，合計1根壓縮空氣管路上有9個噴孔。

中國政府曾經(jīng)招募了14萬華工馳援歐洲，其中英國10萬，法國4萬，法國后來轉(zhuǎn)借給美國華工1萬，為美國歐洲遠(yuǎn)征軍服務(wù)。顧杏卿就是這十幾萬勞工中的一員，他給勞工擔(dān)任翻譯。

圖 2 布置方案A示意圖Fig. 2 Schematic diagram of layout scheme A

方案A研究噴孔間角θ分別為20°，25°，30°，35°，40°，壓縮空氣的吹掃壓力控制為5 bar，10 bar，15 bar進(jìn)行研究

1.2 噴孔布置方案B

同布置方案A一樣選擇相同型號的催化劑，該方案噴孔數(shù)量按照4×4進(jìn)行布置，在1個催化劑單元內(nèi)的1根壓縮空氣管路上均勻選擇4個截面，每個截面上按照均勻的噴孔間角布置4個噴孔，合計為16個噴孔，如圖3所示。

圖 3 布置方案B示意圖Fig. 3 Schematic diagram of layout scheme B

方案B研究的是噴孔間角θ分別為15°，20°，25°，30°，35°，壓縮空氣的吹掃壓力分別為 5 bar，10 bar，15 bar進(jìn)行研究。

1.3 噴孔布置方案C

C方案提出在一個催化劑單元內(nèi)部布置2根壓縮空氣管路，同方案B一樣，選取4個截面，在每根管子的每個截面上布置2個噴孔，合計共有16個噴孔。布置示意圖如圖4所示。

圖 4 布置方案C示意圖Fig. 4 Schematic diagram of layout scheme C

將噴孔間角分別控制為40°，50，60°，70°，壓縮空氣的壓力不變同樣為5 bar，10 bar，15 bar進(jìn)行研究。

2 各布置方案有限元分析

2.1 有限元模型的建立

該計算模型選取的計算域尺寸為160 mm×160 mm×500 mm，計算域的選取取決于催化劑的型號，該型催化劑單元的截面尺寸為160 mm×160 mm，方案B的計算域模型如圖5所示。

圖 5 方案B計算域Fig. 5 Scheme B computing domain

本文在對幾何模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格時通過切分的控制手段，對模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分[8–9]，六面體網(wǎng)格在計算精度、劃分網(wǎng)格數(shù)量、收斂性等方面較四面體網(wǎng)格有明顯的優(yōu)勢[10]，能夠有效避免因為網(wǎng)格質(zhì)量所造成的計算問題。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖6所示。

圖 6 方案B網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig. 6 Results of B scheme mesh

從模型網(wǎng)格劃分的結(jié)果來看，網(wǎng)格的平均質(zhì)量在65%以上，具有較高的網(wǎng)格質(zhì)量，能夠滿足計算的要求。

2.2 求解控制與邊界條件

式中：u，v，w分別為x，y，z方向上的速度分量；t為時間；p為壓力；ρ為密度；μ為運動黏性系數(shù)。

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程為：

由于氣體流動較為復(fù)雜，恰當(dāng)?shù)剡x擇湍流模型能夠較為真實地描述流動中的主要物理過程，能夠在一定程度上提高計算的精度，故選用Realizable k-ε兩方程湍流模型作為計算的湍流模型[12–13]，該湍流模型方程在工程上應(yīng)用廣泛，是一種可信度較高的模型，該湍流模型的2個方程如下所示：

在計算方法上選擇速度與壓力耦合的方法進(jìn)行求解，計算域的出口為壓力出口 ，將該出口的壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。

3 有限元計算結(jié)果分析

通過對方案A、方案B和方案C的模擬計算，得到在噴孔距離催化劑表面180 mm（壓縮空氣管路中心線距離催化劑截面195 mm）截面上覆蓋范圍與截面面積之比，簡稱覆蓋率a，如圖7所示。

通過以上曲線可得出以下結(jié)論：

1）A，B，C三種方案在吹掃壓力為5～10 bar時隨著壓力的增大，覆蓋率a增大的速率很大，當(dāng)壓力大于10 bar之后，隨著吹掃壓力的增大覆蓋率a增大的速度有所減小。

2）A，B，C三種方案的覆蓋范圍隨著壓力的增加逐漸增加。在壓力5 bar～15 bar之間，方案A覆蓋范圍與截面面積之比在0.3～0.49之間；方案B覆蓋范圍與截面面積之比在0.47～0.67之間；方案C覆蓋范圍與截面面積之比在0.55～0.93之間。

3）方案B和方案C的覆蓋范圍明顯優(yōu)于方案A，在壓縮空氣壓力為5 bar時，方案A和方案B覆蓋范圍相近，隨著壓縮空氣的壓力增大，方案C明顯優(yōu)于方案B。方案A、方案B和方案C在噴孔夾角為40°，30°，60°時表現(xiàn)出良好的吹掃性能。

A，B，C三種方案在最佳噴孔間角下各吹掃壓力的下的覆蓋率對照如表1所示。

選擇A，B，C覆蓋率增長率的奇點的吹掃壓力為10 bar，在方案的最佳噴孔夾角下得到其速度分布云圖如圖8所示，依次為方案A、方案B和方案C的速度云圖。

圖 7 A，B，C三種方案計算結(jié)果Fig. 7 Calculation results of A, B, C three schemes

綜合A，B，C各方案的覆蓋率情況，最終評價C方案布置更加合理、吹掃的覆蓋率更大，性能更加有保障。

4 吹灰裝置噴孔優(yōu)化

4.1 方案C優(yōu)化設(shè)計

在方案C的基礎(chǔ)上對噴孔間角度進(jìn)行優(yōu)化，并確定最終的壓縮空氣壓力。噴孔間角度θ選取50°，54°，58°，60°，62°，66°，70°進(jìn)行優(yōu)化，壓縮空氣壓力選擇 5 bar，6 bar，7 bar，8 bar，9 bar，10 bar，11 bar，12 bar，13 bar，14 bar，15 bar。通過仿真優(yōu)化得到覆蓋范圍與截面面積之比與噴孔角度、壓縮空氣壓力變化的曲線如圖9所示。

表 1 最佳噴孔間角覆蓋率對照表Tab. 1 Comparison table of angle coverage between the best spray holes

圖 8 A，B，C三種方案的速度云圖分布Fig. 8 Distribution of velocity graph of A, B and C

圖 9 方案C覆蓋率曲線Fig. 9 Coverage curve of scheme C

通過方案C覆蓋范圍與截面面積比值的對比曲線可知，在壓縮空氣壓力大于10 bar后，曲線整體變得平緩，且當(dāng)θ=60°時，覆蓋范圍面積比都已達(dá)到0.9以上，說明壓縮空氣速度在15 m/s以上的覆蓋范圍都已達(dá)到90%以上。在噴孔間角度θ=60°時的曲線覆蓋范圍優(yōu)于其他角度，所以最終選定方案C噴孔角度θ為60°，壓縮空氣壓力選定在10～13 bar之間。

4.2 噴孔最終方案優(yōu)化

由于催化劑殼四周由鋼結(jié)構(gòu)搭建而成，若按照方案C進(jìn)行布置壓縮空氣管路，靠近殼體的管路與結(jié)構(gòu)鋼之間存在干涉，所以靠近催化劑殼體區(qū)域壓縮空氣管路布置不能夠按照方案C布置。采用靠近殼體附近噴孔布置進(jìn)行重新設(shè)計、中間區(qū)域壓縮空氣管路布置選擇方案C。壓縮空氣管路布置示意圖如圖10所示。

圖 10 壓縮空氣管路布置示意圖Fig. 10 Schematic diagram of compressed air pipe

由于壓縮空氣管路不在研究對象中心，重新設(shè)計噴孔布置方案D：管路中心距離研究對象一側(cè)為53 mm、另一側(cè)為107 mm。方案噴孔數(shù)量由原來的4個增加至5個，將5噴孔分為兩側(cè)，噴孔間角度為θ，θ 選擇 15°，20°，25°，30°進(jìn)行優(yōu)化分析。壓縮空氣壓力選擇 5 bar，6 bar，7 bar，8 bar，9 bar，10 bar，11 bar，12 bar，13 bar，14 ba，15 bar。通過仿真優(yōu)化得到覆蓋率與噴孔角度、壓縮空氣壓力變化的曲線，如圖11所示。

圖 11 方案D覆蓋率的對比曲線Fig. 11 Comparison curve of scheme D coverage

圖13顯示在方案D中噴孔間夾角為20°時，在各吹掃壓力下，覆蓋率均處于最大值，當(dāng)吹掃壓力超過10 bar時，在噴孔夾角處于20°的條件下，隨著吹掃壓力的增大覆蓋率不會出現(xiàn)明顯的變化，故將最佳的吹掃方案的吹掃壓力定為10～13 bar。當(dāng)吹掃壓力為10 bar，D方案的噴孔間角為20°，在距壓縮空氣管路中心線距離195 mm截面處速度分布云圖如圖12所示。

圖 12 方案D速度云圖Fig. 12 Scheme D velocity graph

5 結(jié) 語

通過A，B，C三種布置方案的有限元分析與優(yōu)化的結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：

1）方案A在在噴孔角度為35°時，吹掃效果優(yōu)于其他角度；方案B在噴孔角度為30°時吹掃效果優(yōu)于其他角度；方案C在噴孔角度為60°時吹掃效果優(yōu)于其他角度。

2）方案A，方案B和方案C的覆蓋范圍隨著壓力的增加逐漸增加。在壓力5 bar～15 bar之間，方案A覆蓋范圍與截面面積之比在0.3～0.49之間；方案B覆蓋范圍與截面面積之比在0.47～0.67之間；方案C覆蓋范圍與截面面積之比在0.55～0.93之間。

3）方案B和方案C的覆蓋范圍明顯優(yōu)于方案A，在壓縮空氣壓力為5 bar時，方案A和方案B覆蓋范圍相近，隨著壓縮空氣的壓力增大，方案C明顯優(yōu)于方案B。根據(jù)反應(yīng)器壓縮空氣管路狀況實際情況，靠近殼體附近噴孔布置選擇方案D、中間區(qū)域壓縮空氣管路布置選擇方案C。對方案D進(jìn)行優(yōu)化，噴孔間角度為20°時能夠獲得較大的覆蓋面積，壓縮空氣壓力在10～13 bar之間，方案D覆蓋范圍與截面面積之比在0.8～0.83之間。通過A，B，C，D四種吹灰裝置噴孔布置方案的分析優(yōu)化比較，得到了SCR反應(yīng)系統(tǒng)吹灰裝置噴孔設(shè)計的最佳方案，為吹灰裝置的設(shè)計研究提供相應(yīng)的參考性意見。

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