船用電噴柴油機SCR系統吹灰裝置噴孔布置優化有限元分析

楊智遠，張 釗，江國和

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

0 引 言

SCR技術最早由美國的Eegelhard公司發明，由日本在20世紀70年代成功實現工業化[1]。該技術是在有氧的條件下，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]，該套系統的結構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點。SCR技術在火力發電廠已經被廣泛應用，近十幾年來該項技術在船舶柴油機的應用上已經成為一個熱門課題。

煙氣中的飛灰沉積是一個復雜的過程，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反應上面，不受其他化學力的作用[4]，胡琛研究結果發現，積灰的粘結強度在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到達催化劑的活性表面，降低了NOx的轉化率。陳進生等[5]研究發現廢氣中的粉塵會造成孔徑小于3.5 nm的催化劑孔道發生堵塞，強華松等[6]研究發現，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的轉化率[7]。

為了降低和預防SCR系統催化劑表面的機會沉積，提高NOx的轉化率，減小反應器的壓降，通常在SCR反應器內部加裝吹灰裝置來保證反應高效進行。本文研究SCR反應器吹灰裝置噴孔布置方案的合理性，并且對其提出優化措施。

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標準不銹鋼管，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的數量對噴孔進行布置，如圖2所示，以1個催化劑單元內的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，法國后來轉借給美國華工1萬，為美國歐洲遠征軍服務。顧杏卿就是這十幾萬勞工中的一員，他給勞工擔任翻譯。

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，該方案噴孔數量按照4×4進行布置，在1個催化劑單元內的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行劃分網格時通過切分的控制手段，對模型采用六面體網格進行劃分[8–9]，六面體網格在計算精度、劃分網格數量、收斂性等方面較四面體網格有明顯的優勢[10]，能夠有效避免因為網格質量所造成的計算問題。網格劃分的結果如圖6所示。

圖 6 方案B網格劃分結果Fig. 6 Results of B scheme mesh

從模型網格劃分的結果來看，網格的平均質量在65%以上，具有較高的網格質量，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。

質量守恒方程：

動量守恒方程為：

由于氣體流動較為復雜，恰當地選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行求解，計算域的出口為壓力出口 ，將該出口的壓力設置為標準大氣壓力。

3 有限元計算結果分析

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 吹灰裝置噴孔優化

4.1 方案C優化設計

在方案C的基礎上對噴孔間角度進行優化，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°進行優化，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θ=60°時，覆蓋范圍面積比都已達到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到90%以上。在噴孔間角度θ=60°時的曲線覆蓋范圍優于其他角度，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 噴孔最終方案優化

由于催化劑殼四周由鋼結構搭建而成，若按照方案C進行布置壓縮空氣管路，靠近殼體的管路與結構鋼之間存在干涉，所以靠近催化劑殼體區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行重新設計、中間區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，重新設計噴孔布置方案D：管路中心距離研究對象一側為53 mm、另一側為107 mm。方案噴孔數量由原來的4個增加至5個，將5噴孔分為兩側，噴孔間角度為θ，θ 選擇 15°，20°，25°，30°進行優化分析。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 語

通過A，B，C三種布置方案的有限元分析與優化的結果，我們可以得出以下結論：

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

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明顯優于方案B。根據反應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、中間區域壓縮空氣管路布置選擇方案C。對方案D進行優化，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化比較，得到了SCR反應系統吹灰裝置噴孔設計的最佳方案，為吹灰裝置的設計研究提供相應的參考性意見。

[1]高鳳, 楊嘉謨. 燃煤煙氣脫硝技術的引用與進展[J]. 環境保護科學, 2007, 33(3): 11–13.

[2]吳碧君, 王述剛, 方志星, 等. 煙氣脫硝工藝及其化學反應原理分析[J]. 熱力發電, 2006(11): 59–60.

[3]范紅梅, 仲兆年, 金保升, 等. V2O5-WO3/TiO2催化劑氨法SCR脫硝反應動力學研究[J]. 燃燒化學學報, 2006, 34(3):377–380.

[4]岑可法. 鍋爐和熱交換器的積灰、結渣、磨損和腐蝕的防止原理與計算[M]. 北京: 科學出版社, 1994.

[5]陳進生, 商學松, 趙金平, 等. 煙氣脫硝催化劑的性能檢測與評價[J]. 中國電力, 2010, 43(11): 64–69.

[6]強華松, 劉清才. 燃煤電廠SCR脫硝催化劑的失活與再生[J].材料導報, 2008, 22(專輯Ⅻ): 285–287.

[7]CASTELLINO F, JENSEN A D, JOHNSSON J E, et al.Influence of reaction products of k-getter fuel additives on commercial vanadia-based SCR catalysts part Ⅱ: simultaneous addition of KCI, Ca(OH)2, H3PO4, H2SO4in a hot fuel gas at a SCR pilot-scale setup[J]. Applied Catalysis B: Environmental,2009, 86(3–4): 196–215.

[8]李海峰, 吳冀川, 劉建波, 等. 有限元網格剖分與網格質量判定指標[J]. 中國機械工程, 2012, 23(3): 368–377.

[9]BLACKER T. Automated conformal hexahedral meshing constraints, challenges and opportunities[J]. Engineering with Computers, 2001, 17(3): 201–210.

[10]王忠雷, 趙國群, 黃麗麗, 等. 六面體網格體積成形有限元分析關鍵技術[J]. 材料科學與工藝, 2010, 18(4): 509–513.

[11]彭維紅, 張海翔. CFD軟件在流體力學教學中的應用[J]. 亞太教育, 2016(7): 69–69.

[12]雷林, 王智祥, 孫鵬, 等. 計算流體力學k-ε二方程湍流模型應用研究[J]. 船舶工程, 2010, 32(3): 5–8.

[13]王澤斌, 宋濤, 張春梅. SV型靜態混合器數值模擬湍流模型選擇[J]. 當代化工, 2016, 45(1): 166–168