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系統(tǒng)的作用是將廢氣中的NOx通過與NH3反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)將有害的NOx還原為無毒害作用的N2[1]，在眾多的脫硝技術(shù)中，SCR技術(shù)能夠有效降低煙氣中NOx的含量[2]。在該反應(yīng)過程中，催化劑的活性是反應(yīng)能夠高效進(jìn)行的重要保障。煙氣中的飛灰對催化劑的性能有很大的影響，Hans Sobolewski等[3]通過研究表明，煙氣中的灰塵對催化劑的沖蝕與堵塞，會在一定程度上引起催化劑活性的物理惰性，Karina Rigby等[4]研究表明，煙氣中的灰塵對催化劑孔道的堵塞也會引起催化劑活性的物理惰性。文小于等[5]研究表明，廢氣中含有的大量堿金屬會對催化劑參數(shù)很強(qiáng)的化學(xué)毒害作用，導(dǎo)致催化劑活性降低。

排煙中的積灰松散，其形成原因是燃燒產(chǎn)生的灰粒隨排煙漂浮至催化劑表面，細(xì)小的灰粒在層流狀態(tài)下聚集于SCR反應(yīng)器的上游部位，凝聚并最終掉落到催化劑表面，形成搭橋、堵塞。松散型積灰主要受重力、范德華力、表面張力作用，不受化學(xué)力作用[6]。資料顯示這種積灰的粘結(jié)強(qiáng)度在50～250 Pa之間，較容易清除[7]。為降低積灰對柴油機(jī)以及SCR系統(tǒng)影響，需要采用吹灰裝置及時(shí)地將積灰清除。壓縮空氣在船舶上易得，一般都能達(dá)到較好地吹掃效果。

噴孔的孔徑大小、壓縮空氣壓力的大小這些參數(shù)都會對噴孔的性能產(chǎn)生較大的影響，孔徑太大會浪費(fèi)掉大量的壓縮空氣，孔徑太小又達(dá)不到吹掃效果，因此，本文對基于壓縮空氣式的SCR吹灰裝置進(jìn)行有限元分析，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的軟件來分析噴孔直徑、噴射壓力、氣耗比、吹掃強(qiáng)度之間的關(guān)系。

1 吹灰裝置布置

吹灰裝置中的吹灰管路布置與催化劑前，與煙氣的入口呈現(xiàn)就近原則，其布置方案如圖1所示，某型低速柴油機(jī)的SCR吹灰器管路布置如圖2所示。

壓縮空氣進(jìn)入吹灰器的管路，高壓空氣從管路上的小孔噴出，從而實(shí)現(xiàn)對于沉積在催化劑表面的機(jī)會進(jìn)行清除。

2 噴孔有限元模型

本文選擇壓縮空氣式的吹掃方式。在吹掃管路中上面有很多吹掃小孔，為獲得最佳的吹掃方案，首先要獲得單個(gè)噴孔在不同孔徑、不同工況下的吹掃特性，綜合耗氣量、吹掃范圍、管路布置方案等因素以確定管路噴孔數(shù)量和噴孔布置位置，從而確定最優(yōu)的壓縮空氣管路與噴孔的布置方案。

2.1 噴孔幾何模型

從噴孔的可加工性等角度出發(fā)，分別選擇噴孔直徑為1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm 等4種方案進(jìn)行研究。壓縮空氣管路選擇船用不銹鋼管。從催化劑的規(guī)格以及計(jì)算經(jīng)驗(yàn)的角度出發(fā)，選擇噴孔計(jì)算域的尺寸為320 mm×320 mm×400 mm，X表示截面與噴孔末端的距離。噴孔計(jì)算域的二維模型和三維模型如圖3所示。

2.2 噴孔計(jì)算域網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上相當(dāng)于矩形域內(nèi)的均勻網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)定義在每一層的網(wǎng)格線上，且每一層上節(jié)點(diǎn)數(shù)都相等，這樣使復(fù)雜外形的貼體網(wǎng)格生成比較困難。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格沒有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8–9]，也沒有層的概念，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的分布隨意，因此具有靈活性。

由于本模型相對較為簡單，能夠較好地對模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分[10–12]，所以采用網(wǎng)格質(zhì)量相對較高、計(jì)算時(shí)間較短、收斂性較好的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

本模型采用六面體網(wǎng)格劃分網(wǎng)格質(zhì)量在0.65～1，網(wǎng)格質(zhì)量較高，能夠滿足計(jì)算精度的需求。網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)約為23萬個(gè)，單元數(shù)約為25萬個(gè)。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法與邊界條件

本文的流場計(jì)算分析是基于納維-斯托克斯方程（N-S）進(jìn)行求解[13]，利用商用的Fluent軟件作為計(jì)算平臺，對該模型就行流場分析計(jì)算。N-S方程在直角坐標(biāo)系中可以寫成：

式中：u，v為沿著x，y方向上的速度分量；t為時(shí)間；p為壓力；ρ為密度；ν為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。在不同條件下，N-S方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)也不一樣。

在CFD中湍流控制一般選擇k-ε兩方程計(jì)算模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，是針對湍流發(fā)展非常充分的湍流流動(dòng)來建立的，是一種針對高Re數(shù)的湍流計(jì)算模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，對于Reynolds應(yīng)力的各個(gè)分量，假定粘度系數(shù)μt相同。而在彎曲流線的情況下，湍流各向異性，μt應(yīng)該是各向異性的張量，因此標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對于強(qiáng)旋流、彎曲壁面流動(dòng)或彎曲流線流動(dòng)時(shí)，會產(chǎn)生一定失真。

Realizable k-ε模型已被有效地用于各種不同類型的流動(dòng)模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)，以及帶有分離的流動(dòng)等。

本文采用的湍流模型為Realizable k-ε兩方程湍流模型[14–15]，因?yàn)闅怏w流動(dòng)較為復(fù)雜，湍流模型能較為真實(shí)地描述流動(dòng)中主要的物理過程，有較好的通用性和精度，且不需要太大的計(jì)算量，是目前應(yīng)用最廣、在科學(xué)研究及工程實(shí)際中得到廣泛檢驗(yàn)和成功應(yīng)用的模型。在此模型中k方程及ε方程如下：

因?yàn)樵诹黧w流動(dòng)過程中遵循質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒，質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程：

在慣性坐標(biāo)系中i方向上的動(dòng)量守恒方程為：

采用速度與壓力耦合的Coupled方法進(jìn)行求解，壓力、密度、動(dòng)量等均采用求解精度較高的二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。噴孔進(jìn)口設(shè)置壓力入口，壓力取值分別為5～20 bar，選擇計(jì)算域出口為壓力出口，設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3 有限元分析

3.1 吹掃強(qiáng)度與氣流速度關(guān)系

根據(jù)動(dòng)量定理Ft=mv，可以推導(dǎo)為F=v×（m/t），m/t為壓縮空氣流經(jīng)截面的質(zhì)量流量，kg/s，通過Fluent軟件可以計(jì)算出在某一截面上的平均作用力，也可以剪切出在某一速度區(qū)間內(nèi)的在截面上所形成的面積。根據(jù)P=F/S，可求得此截面上壓強(qiáng)。以下計(jì)算的是噴孔直徑為1 mm，噴射壓力為5 bar，距噴孔為200 mm，不同速度范圍的剪切面速度，如圖5所示。

在X=200 mm截面上以速度范圍7.5～8.5 m/s和14.5～15.5 m/s區(qū)域形成2個(gè)圓環(huán)。通過計(jì)算，可以得到在此剪切截面的面積以及在此截面上的平均作用力如表1所示。

根據(jù)此原則，確定了作用強(qiáng)度分別為50 Pa，100 Pa，150 Pa，200 Pa，250 Pa所對應(yīng)的空氣速度，如圖6所示。

通過作用強(qiáng)度f與空氣速度v之間的關(guān)系曲線可得作用強(qiáng)度在50～250 Pa之間時(shí)，空氣速度與作用強(qiáng)度之間呈線性關(guān)系，擬合方程為：

式中：v為空氣速度，m/s；f為作用強(qiáng)度，Pa。

表1 不同速度范圍內(nèi)剪切面面積、作用力、壓強(qiáng)Tab. 1 Shear surface area，force，pressure of different velocity scale

3.2 吹掃范圍與孔徑、壓力關(guān)系

吹掃范圍L是指空氣速度大于15 m/s的區(qū)域面積等效圓的直徑稱為吹掃范圍，要想獲得較大的吹掃范圍就需要有較多的空氣消耗，但是空氣消耗量過大對氣源以及整體空氣的供應(yīng)提出不小的挑戰(zhàn)。吹掃范圍、耗氣量由壓縮空氣噴孔直徑和噴射壓力共同決定。模擬采用噴孔直徑分別為1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，壓縮空氣管路壁厚為5 mm，在壓力為5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar在 X=200 mm 截面的吹掃范圍。模擬結(jié)果如圖7所示。

由以上模擬結(jié)果可知：

1）在噴孔直徑1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，壓力 5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar的條件下，吹掃范圍在23～62 mm之間。

2）噴孔直徑相同時(shí)，隨著壓力的增加，吹掃范圍逐漸增加，但增加的趨勢逐漸平緩，例如：孔徑1 mm隨著壓力從5 bar增加至30 bar，吹掃范圍增量ΔL逐漸由5 mm減小至1 mm。

3）吹掃壓力相同時(shí)，隨著噴孔孔徑的增大，吹掃范圍逐漸增加，增加的趨勢逐漸平緩，例如：壓力為10 bar時(shí)，孔徑由1 mm逐漸增加至2.5 mm時(shí)，吹掃范圍的增量ΔL逐漸由10 mm減小至6 mm。

3.3 耗氣量Q與孔徑、壓力關(guān)系

通過計(jì)算獲得耗氣量隨著孔徑與壓力的變化關(guān)系，噴孔直徑分別為1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，壓縮空氣管路壁厚為5 mm，在壓力為5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar下耗氣量曲線，如圖8所示。

通過以上模擬結(jié)果可知：

1）在噴孔直徑1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm壓力 5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar的條件下，耗氣量在35～436 L/min之間。

2）噴孔直徑相同時(shí)，隨著壓力的增加耗氣量逐漸增加，但增加的趨勢逐漸平緩，例如孔徑1 mm，在5～30 bar之間，耗氣量增量的增加量ΔQ由10 L/min逐漸減小至5 L/min，耗氣量的變化趨勢與吹掃范圍相符。

3）吹掃壓力相同時(shí)，隨著噴孔孔徑的增大，耗氣量逐漸增加，趨勢逐漸上揚(yáng)，例如：壓力為10 bar時(shí)，孔徑由1 mm逐漸增加至2.5 mm時(shí)，耗氣量增量的增量ΔQ逐漸由59 L/min增加至104 L/min。由此可見噴孔直徑對耗氣量的影響遠(yuǎn)大于壓力對耗氣量的影響。

3.4 氣耗比α與噴孔直徑、噴射壓力之間關(guān)系

耗氣量與噴孔孔徑、噴氣壓力之間關(guān)系，在噴孔直徑、吹掃壓力、吹掃范圍和耗氣量之間尋求平衡，定義氣耗比。定義氣耗比α是吹掃范圍L與耗氣量Q之比的100倍，如下式所示：

由上式可知：耗氣量一定時(shí)，氣耗比與吹掃范圍成正比；吹掃范圍一定時(shí)，氣耗比與耗氣量成反比。氣耗比越大則在消耗相同體積的壓縮空氣所覆蓋的面積越大，壓縮空氣的利用率也就越大，說明經(jīng)濟(jì)性較好。模擬計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

由以上模擬結(jié)果可知：

1）在噴孔直徑1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，壓力 5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar的條件下，耗氣比在14～66之間。

2）噴孔直徑相同時(shí)，隨著壓力的增加，氣耗比逐漸減小。就本模型而言，隨著壓力的增大，吹掃的經(jīng)濟(jì)性逐漸變差。

3）吹掃壓力相同時(shí)，隨著噴孔孔徑的增大，氣耗比逐漸減小，趨勢逐漸上揚(yáng)。例如，壓力為10 bar時(shí)，孔徑由1 mm逐漸增加至2.5 mm時(shí)，耗氣比減小量Δα逐漸由25減小至8。由此可見，本模型中噴孔直徑越大，壓縮空氣吹掃的經(jīng)濟(jì)性也就越差。

4 結(jié) 語

本文基于Fluent軟件對SCR吹灰裝置的性能進(jìn)行分析，比較了噴孔孔徑、噴射壓力、吹掃范圍、吹掃強(qiáng)度、氣耗比、耗氣量之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1）在一定的作用強(qiáng)度范圍之內(nèi)，空氣速度與作用強(qiáng)度呈現(xiàn)出線性關(guān)系，空氣速度隨作用強(qiáng)度的增大而增大，通過模擬計(jì)算準(zhǔn)確地確定了作用強(qiáng)度與空氣速度的關(guān)系。

2）在壓縮空氣的壓力一定時(shí)，噴孔孔徑越小，吹掃范圍越小，耗氣量越小，氣耗比越大。要達(dá)到較大范圍的吹掃效果，應(yīng)該將噴孔的噴射壓力控制在20 bar以下，在20 bar上提高噴射壓力吹掃強(qiáng)度有所加強(qiáng)，但是效果不是很明顯。

3）當(dāng)壓縮空氣壓力控制在20 bar時(shí)，孔徑在1 mm到2 mm之間隨著孔徑的增大，吹掃范圍平均每毫米增加20 mm，耗氣量平均每毫米增加181 L/min。但是當(dāng)孔徑在2～2.5 mm之間時(shí)，隨著孔徑的增大，吹掃范圍平均每毫米增加12 mm，耗氣量平均每毫米增加270 L/min.。因此，從噴孔的性能角度出發(fā)，噴孔的大小應(yīng)該控制在2 mm。從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，孔徑越小氣耗比越高，尤其是當(dāng)孔徑小于1.5 mm時(shí)，其經(jīng)濟(jì)的性能提高十分顯著。

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