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。
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图 1 喷孔间角示意图 Fig. 1 The picture of nozzle angle |
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。
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图 2 布置方案A示意图 Fig. 2 Schematic diagram of layout scheme A |
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。
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图 3 布置方案B示意图 Fig. 3 Schematic diagram of layout scheme B |
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CC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。
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图 4 布置方案C示意图 Fig. 4 Schematic diagram of layout scheme C |
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。
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图 5 方案B计算域 Fig. 5 Scheme B computing domain |
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。
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图 6 方案B网格划分结果 Fig. 6 Results of B scheme mesh |
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。
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图 7 A,B,C三种方案计算结果 Fig. 7 Calculation results of A, B, C three schemes |
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。
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表 1 最佳喷孔间角覆盖率对照表 Tab.1 Comparison table of angle coverage between the best spray holes |
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。
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图 8 A,B,C三种方案的速度云图分布 Fig. 8 Distribution of velocity graph of A, B and C |
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。
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图 9 方案C覆盖率曲线 Fig. 9 Coverage curve of scheme C |
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。
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图 10 压缩空气管路布置示意图 Fig. 10 Schematic diagram of compressed air pipe |
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。
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图 11 方案D覆盖率的对比曲线 Fig. 11 Comparison curve of scheme D coverage |
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。
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图 12 方案D速度云图 Fig. 12 Scheme D velocity graph |
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。
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