0 引　言

SCR技术最早由美国的Eegelhard公司发明，由日本在20世纪70年代成功实现工业化^[1]。该技术是在有氧的条件下，在催化剂的作用下，利用NH₃作为还原剂将烟气中的NOx还原为N₂和H₂O^{[2 – 3]}，该套系统的结构较为简单并且具有较高的脱硝率，在工作中具有运行可靠等优点。SCR技术在火力发电厂已经被广泛应用，近十几年来该项技术在船舶柴油机的应用上已经成为一个热门课题。

烟气中的飞灰沉积是一个复杂的过程，飞灰的沉积过程包括传热、飞灰颗粒的运动以及飞灰与反应器黏附等过程。烟气的积灰是松散型的很容易掉落并最终掉落到催化剂表面，形成堵塞，松散的积灰主要受重力、范德华力等力的作用附着在SCR反应上面，不受其他化学力的作用^[4]，胡琛研究结果发现，积灰的粘结强度在50~250 Pa之间，比较容易清除。

废气中的灰尘沉积在催化剂表面沉积，从而阻碍了NOx、NH₃、O₂到达催化剂的活性表面，降低了NOx的转化率。陈进生等^[5]研究发现废气中的粉尘会造成孔径小于3.5 nm的催化剂孔道发生堵塞，强华松等^[6]研究发现，积灰沉积在催化剂的孔道上，随着聚集的机会越来越多，机会颗粒之间互相交错搭建，最终可能将催化剂的孔道堵塞，此外飞灰中含有的Na，K等元素还容易造成催化剂中毒，从而降低NOx的转化率^[7]。

为了降低和预防SCR系统催化剂表面的机会沉积，提高NOx的转化率，减小反应器的压降，通常在SCR反应器内部加装吹灰装置来保证反应高效进行。本文研究SCR反应器吹灰装置喷孔布置方案的合理性，并且对其提出优化措施。

1 喷孔布置方案

对于压缩空气式吹灰装置来讲，喷孔布置在压缩空气管路上，定义喷孔间角度为θ，压缩空气管路选择型号D32标准不锈钢管，壁厚为5 mm，如图1所示。

以催化剂单元的1/4横向尺寸为160 mm×160 mm×500 mm的研究对象，喷孔数量按照3×3和4×4的布置方法提出A，B，C三种布置方案。

1.1 喷孔布置方案A

方案A是按照3×3的数量对喷孔进行布置，如图2所示，以1个催化剂单元内的1根压缩空气管路作为研究对象，该型催化剂的横截面尺寸为160×160，该方案提出在催化剂单元内取3个压缩空气管路的截面，在每个截面上分别布置3个喷孔，合计1根压缩空气管路上有9个喷孔。

方案A研究喷孔间角θ分别为20°，25°，30°，35°，40°，压缩空气的吹扫压力控制为5 bar，10 bar，15 bar进行研究

1.2 喷孔布置方案B

同布置方案A一样选择相同型号的催化剂，该方案喷孔数量按照4×4进行布置，在1个催化剂单元内的1根压缩空气管路上均匀选择4个截面，每个截面上按照均匀的喷孔间角布置4个喷孔，合计为16个喷孔，如图3所示。

方案B研究的是喷孔间角θ分别为15°，20°，25°，30°，35°，压缩空气的吹扫压力分别为5 bar，10 bar，15 bar进行研究。

1.3 喷孔布置方案C

C方案提出在一个催化剂单元内部布置2根压缩空气管路，同方案B一样，选取4个截面，在每根管子的每个截面上布置2个喷孔，合计共有16个喷孔。布置示意图如图4所示。

将喷孔间角分别控制为40°，50，60°，70°，压缩空气的压力不变同样为5 bar，10 bar，15 bar进行研究。

2 各布置方案有限元分析 2.1 有限元模型的建立

该计算模型选取的计算域尺寸为160 mm×160 mm×500 mm，计算域的选取取决于催化剂的型号，该型催化剂单元的截面尺寸为160 mm×160 mm，方案B的计算域模型如图5所示。

本文在对几何模型进行划分网格时通过切分的控制手段，对模型采用六面体网格进行划分^{[8 – 9]}，六面体网格在计算精度、划分网格数量、收敛性等方面较四面体网格有明显的优势^[10]，能够有效避免因为网格质量所造成的计算问题。网格划分的结果如图6所示。

从模型网格划分的结果来看，网格的平均质量在65%以上，具有较高的网格质量，能够满足计算的要求。

2.2 求解控制与边界条件

本文的计算是基于Ansys的Fluent模块进行计算，分别对于A，B，C三种方案进行流场分析计算，计算过程是基于纳维-斯托克斯方程（N-S）进行求解^[11]，纳维-斯托克斯方程如下所示：

$\begin{aligned}\rho \frac{{{\rm d}u}}{{{\rm d}t}} = - \frac{{\partial p}}{{\partial x}} + \rho X + \mu \Delta u, \\\rho \frac{{{\rm d}v}}{{{\rm d}t}} = - \frac{{\partial p}}{{\partial y}} + \rho Y + \mu \Delta v, \\\rho \frac{{{\rm d}w}}{{{\rm d}t}} = - \frac{{\partial p}}{{\partial z}} + \rho Z + \mu \Delta w{\text{。}}\end{aligned}$

式中：u，v，w分别为x，y，z方向上的速度分量；t为时间；p为压力；ρ为密度；μ为运动黏性系数。

质量守恒方程：

$\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho {u_i}} \right) = 0,$

动量守恒方程为：

$\frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho {u_i}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\rho {u_i}{u_j}} \right) = - \frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} + \frac{{\partial {\tau _{ij}}}}{{\partial {x_j}}} + \rho {g_i} + {F_i}\text{。}$

由于气体流动较为复杂，恰当地选择湍流模型能够较为真实地描述流动中的主要物理过程，能够在一定程度上提高计算的精度，故选用Realizable k-ε两方程湍流模型作为计算的湍流模型^{[12 – 13]}，该湍流模型方程在工程上应用广泛，是一种可信度较高的模型，该湍流模型的2个方程如下所示：

$\begin{align}&\displaystyle\frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho k} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho k{u_i}} \right) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _k}}}} \right)\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right] +\\ & {G_k} + {G_b} -\rho \varepsilon - {Y_M} + {S_k},\\&\displaystyle\frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho \varepsilon } \right) + \frac{\partial }{{{x_j}}}\left( {\rho \varepsilon {u_j}} \right) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _\varepsilon }}}} \right)\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_j}}}} \right] + \\ &\rho {C_1}{S_E} - \rho {C_2}\frac{{{\varepsilon ^2}}}{{k + \sqrt {v\varepsilon } }} + {C_{1E}}\frac{\varepsilon }{k}{C_{3\varepsilon }}{G_b} + {S_\varepsilon }{\text{。}}\end{align}$

在计算方法上选择速度与压力耦合的方法进行求解，计算域的出口为压力出口 ，将该出口的压力设置为标准大气压力。

3 有限元计算结果分析

通过对方案A、方案B和方案C的模拟计算，得到在喷孔距离催化剂表面180 mm（压缩空气管路中心线距离催化剂截面195 mm）截面上覆盖范围与截面面积之比，简称覆盖率a，如图7所示。

通过以上曲线可得出以下结论：

1）A，B，C三种方案在吹扫压力为5~10 bar时随着压力的增大，覆盖率a增大的速率很大，当压力大于10 bar之后，随着吹扫压力的增大覆盖率a增大的速度有所减小。

2）A，B，C三种方案的覆盖范围随着压力的增加逐渐增加。在压力5 bar～15 bar之间，方案A覆盖范围与截面面积之比在0.3～0.49之间；方案B覆盖范围与截面面积之比在0.47～0.67之间；方案C覆盖范围与截面面积之比在0.55～0.93之间。

3）方案B和方案C的覆盖范围明显优于方案A，在压缩空气压力为5 bar时，方案A和方案B覆盖范围相近，随着压缩空气的压力增大，方案C明显优于方案B。方案A、方案B和方案C在喷孔夹角为40°，30°，60°时表现出良好的吹扫性能。

A，B，C三种方案在最佳喷孔间角下各吹扫压力的下的覆盖率对照如表1所示。

选择A，B，C覆盖率增长率的奇点的吹扫压力为10 bar，在方案的最佳喷孔夹角下得到其速度分布云图如图8所示，依次为方案A、方案B和方案C的速度云图。

综合A，B，C各方案的覆盖率情况，最终评价C方案布置更加合理、吹扫的覆盖率更大，性能更加有保障。

4 吹灰装置喷孔优化 4.1 方案C优化设计

在方案C的基础上对喷孔间角度进行优化，并确定最终的压缩空气压力。喷孔间角度θ选取50°，54°，58°，60°，62°，66°，70°进行优化，压缩空气压力选择5 bar，6 bar，7 bar，8 bar，9 bar，10 bar，11 bar，12 bar，13 bar，14 bar，15 bar。通过仿真优化得到覆盖范围与截面面积之比与喷孔角度、压缩空气压力变化的曲线如图9所示。

通过方案C覆盖范围与截面面积比值的对比曲线可知，在压缩空气压力大于10 bar后，曲线整体变得平缓，且当θ=60°时，覆盖范围面积比都已达到0.9以上，说明压缩空气速度在15 m/s以上的覆盖范围都已达到90%以上。在喷孔间角度θ=60°时的曲线覆盖范围优于其他角度，所以最终选定方案C喷孔角度θ为60°，压缩空气压力选定在10～13 bar之间。

4.2 喷孔最终方案优化

由于催化剂壳四周由钢结构搭建而成，若按照方案C进行布置压缩空气管路，靠近壳体的管路与结构钢之间存在干涉，所以靠近催化剂壳体区域压缩空气管路布置不能够按照方案C布置。采用靠近壳体附近喷孔布置进行重新设计、中间区域压缩空气管路布置选择方案C。压缩空气管路布置示意图如图10所示。

由于压缩空气管路不在研究对象中心，重新设计喷孔布置方案D：管路中心距离研究对象一侧为53 mm、另一侧为107 mm。方案喷孔数量由原来的4个增加至5个，将5喷孔分为两侧，喷孔间角度为θ，θ选择15°，20°，25°，30°进行优化分析。压缩空气压力选择5 bar，6 bar，7 bar，8 bar，9 bar，10 bar，11 bar，12 bar，13 bar，14 ba，15 bar。通过仿真优化得到覆盖率与喷孔角度、压缩空气压力变化的曲线，如图11所示。

图13显示在方案D中喷孔间夹角为20°时，在各吹扫压力下，覆盖率均处于最大值，当吹扫压力超过10 bar时，在喷孔夹角处于20°的条件下，随着吹扫压力的增大覆盖率不会出现明显的变化，故将最佳的吹扫方案的吹扫压力定为10~13 bar。当吹扫压力为10 bar，D方案的喷孔间角为20°，在距压缩空气管路中心线距离195 mm截面处速度分布云图如图12所示。

5 结　语

通过A，B，C三种布置方案的有限元分析与优化的结果，我们可以得出以下结论：

1）方案A在在喷孔角度为35°时，吹扫效果优于其他角度；方案B在喷孔角度为30°时吹扫效果优于其他角度；方案C在喷孔角度为60°时吹扫效果优于其他角度。

2）方案A，方案B和方案C的覆盖范围随着压力的增加逐渐增加。在压力5 bar～15 bar之间，方案A覆盖范围与截面面积之比在0.3～0.49之间；方案B覆盖范围与截面面积之比在0.47～0.67之间；方案C覆盖范围与截面面积之比在0.55～0.93之间。

3）方案B和方案C的覆盖范围明显优于方案A，在压缩空气压力为5 bar时，方案A和方案B覆盖范围相近，随着压缩空气的压力增大，方案C明显优于方案B。根据反应器压缩空气管路状况实际情况，靠近壳体附近喷孔布置选择方案D、中间区域压缩空气管路布置选择方案C。对方案D进行优化，喷孔间角度为20°时能够获得较大的覆盖面积，压缩空气压力在10～13 bar之间，方案D覆盖范围与截面面积之比在0.8～0.83之间。通过A，B，C，D四种吹灰装置喷孔布置方案的分析优化比较，得到了SCR反应系统吹灰装置喷孔设计的最佳方案，为吹灰装置的设计研究提供相应的参考性意见。