基于数值模拟的SCR脱硝反应器流场优化.pdf
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1、第 卷第 期 年 月能 源 环 境 保 护 ,移动扫码阅读钟晓城 基于数值模拟的 脱硝反应器流场优化 能源环境保护,():,():收稿日期:;责任编辑:金丽丽 :作者简介:钟晓城(),男,江西赣州人,工程师,主要从事环保设备设计和开发工作。:基于数值模拟的 脱硝反应器流场优化钟晓城(上海东化环境工程有限公司,上海)摘要:为优化选择性催化还原()脱硝反应器的流场,采用了组合优化方案;在反应器入口处设置多孔板,在反应器内部设置渐扩口式、格栅式、弧板式共三种导流板;采用计算流体力学()进行数值模拟获得反应器内部流场,进行对比研究。研究发现:多孔板孔距与孔径比为时,压降较小且能获得较好的流场均布性能;
2、基于反应器结构特点设计的导流板能获得较好的优化效果;催化剂具有流场均布能力,催化剂多层布置可有效改善第一层之后的床层流场,但同时会增大压降;通过组合导流方案,第一层催化剂床层的流速相对标准偏差()从 降为,并改善了湍动能的耗散。研究结果对 反应器的导流件设计具有一定指导意义。关键词:;反应器;流场优化;计算流体力学();数值模拟中图分类号:文献标识码:文章编号:()(,):(),:,(),(),:;();引 言氮氧化物()的排放会引发一系列的健康问题和环境问题。选择性催化还原法()以其成熟高效的优势成为烟气脱硝的主流技术;其原理是在催化剂作用下将烟气中有害的转化成无害的 和。脱硝技术的核心设备
3、是一台固定床反应器,而流体均布是固能 源 环 境 保 护第 卷第 期定床反应器设计中经常涉及的问题,优化流场均布可以提高转化率、减少催化剂装填量和延长催化剂使用寿命;催化剂一般价格昂贵,因此,研究 反应器的流场优化具有较高的经济价值。基于数值模拟计算的计算流体力学()法因其成本低、周期短、可视化等优点,在反应器结构优化研究中应用较多。电力行业的 脱硝反应器通常采用在矩形烟道弯头处加设导流板的方式优化流场。姚学忠等通过加设导流板和整流格栅的方式优化了流场,有一定借鉴价值。杨一鸣的研究发现反应器的形式很大程度上影响了反应器内部流场分布,因此对三种不同形式的反应器采用了不同的导流方案来优化其流场。现
4、阶段对电力行业模块化的 反应器流场优化研究较多,化工行业的较少。化工行业的反应器一般为非模块化反应器,且入口管道多为多样化的圆形管道,电力行业常用的在入口烟道加设导流板方式并不适用,需要寻找新的流场优化方案。本文以化工行业某环保项目的一台侧面进出口的特殊 反应器为研究对象,通过在反应器入口设置多孔板作通用整流元件,在内部加设渐扩口式、格栅式、弧板式三种导流板的组合导流方案来优化流场;并用主流的 数值模拟软件 版模拟计算获得其流场,进行对比研究;为 反应器的结构设计提供指导。模型前处理 模型简化电力行业一般烟气量较大,通常每小时标态烟气量在 万 以上,是其主要污染物,氨耗量很大;为简化系统和降低
5、运行成本,一般以液氨、氨水或尿素为还原剂直接投入烟道,这些还原剂都较难以与烟气混合;而电力行业的烟气排放标准一般会对氨逃逸率有较为严格的要求。因此相关文献会较为关注氨均布的问题,以保证排放达标。化工行业污染物排放标准对排放尾气中的有机物、等污染物含量有较为严格规定,但一般不对氨逃逸率提出严格要求,其原因可能是化工尾气中的主要污染物是有机物等有害物质,则相对次要,而且化工行业的烟气量相对较小,通常在每小时几万标立方米;化工行业脱硝技术通常也会采用氨蒸发器、氨空混合器等预处理设备先将气态氨与少量尾气预混合,大幅降低氨与尾气混合的难度,再通过氨分布器加入烟道;通过合理布置氨分布器、低流速等措施可保证
6、氨与尾气能充分均匀混合。因此,本文不研究一般电力行业相关文献都会关注的氨均布问题,而是假设氨气与尾气已充分均匀混合,主要研究反应器的流场均布问题。入口管道对催化剂床层流场的影响较大,而出口管道影响较小。因此确定研究的流体区域为引风机出口第一个弯头处至反应器出口,并为方便模拟计算做以下假设和简化:()结构简化:反应器简化为由壳体和催化剂床层两部分组成,忽略催化剂支撑件、导流板厚度等的影响;整个反应器绝热;()尾气成分简化:工况介质是成分 为空气的洁净尾气,因此用空气代替尾气作为模拟介质;不考虑化学反应的影响;()流动状态简化:假设入口处的气流为均匀稳定的流体,反应器出口截面各处静压相同,流动为定
7、常流。计算条件设置根据实际工况,入口烟气量为 ,经过换算将反应器的入口处速度设为 ,温度为 ;还原反应的热量变化很小,温度变化可以忽略,因此出口处温度也设为 ,出口表压力 。介质的各物性参数通过查找工程常用物质的热物理性质手册获得并相应输入。通过计算雷诺数可知本文的反应器内部流动均为充分发展的湍流,因此湍流模型选用标准的的 方程,其基本的输运方程形式见文献或其他相关软件教材,在此不再复述。中多孔介质的动量源项方程如下:()方程右边第一项为粘性阻力,第二项为惯性阻力。式()中,为 方向上的动量源项,;为介质动力粘度,;为介质渗透性系数;为密度,;为 方向上的速度分量,;为惯性阻力系数,。本文的
8、催化剂为蜂窝型陶瓷催化剂,催化剂床层设置为多孔介质,通过对实验获得的压降和流速曲线拟合,其渗透性系数 的数值为,惯性阻力系数 的值为 ,代入式()可知催化剂的粘性阻力占主导地位,惯性阻力几乎可以忽略;催化剂孔隙率据实设为。多孔板采用三角形布置的锐边多孔板,板孔钟晓城 基于数值模拟的 脱硝反应器流场优化按等边三角形阵列,孔的边均倒成为锐边以消除板厚带来的粘性阻力。多孔板同样应设为多孔介质,压降公式采用 等的经验公式。通过该公式与式()联合推导可得,锐边多孔板只有惯性阻力,没有粘性阻力;即式()的第一项为,第二项的惯性阻力系数 公式如下:()()式()中,为与雷诺数、板厚和孔径相关的常数;为孔间距
9、,;为孔直径,;为板总面积与开孔总面积的比值;为板厚度,。评价指标流场优化的目的是获得均匀的催化剂床层流场,因此选用气流速度的相对标准偏差()作为评价流场均布程度的指标;流速相对标准偏差的计算公式如下:()()()式()中,为速度平均值,;为 点采样值,;为取样点数。优化方案 导流件设计本文研究对象为一台主体尺寸为 的固定床 反应器,进出口均为直径 的圆形管道。催化剂床层分三层布置在反应器腔内,床层厚度均为 ;进口管道由 个 弯头、个 弯头和若干直管段组成,进出口管道通过渐扩口与反应器侧面连接。用 按 建立反应器模型后,将其导入到 中进行模拟计算。要获得均匀的反应器内部流场,首先要获得均匀的入
10、口流速。鉴于工程中入口管道的多样性,在入口管道各处弯头加设导流板并不经济且安装难度大,需在反应器入口处加设通用的整流件。根据 等的研究,多孔板的压降与流速的平方成正比;不均匀的流速将会导致平方倍不均匀的压降,从而在多孔板迎风侧形成对应不均匀的压力分布,使气流产生水平流动,促使气流均匀化通过多孔板,获得很好的整流效果;其体积小、易于安装、模块化等优点也能很好地满足各种工程需求。因此,采用多孔板作为入口的整流件是不错的选择。获得均匀的入口流速后,需根据反应器的内部结构特点设置导流件。反应器的结构是确定规则的形状,采用导流板能获得较好的内部流场,且压力损失较小。为更好确定导流板的形式,假设气流在经过
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