SCR系统流场优化数值模拟研究

为提高选择性催化还原脱硝系统(SCR)的烟气气流均匀性,进而提高SCR反应器的催化效率、减少催化剂的冲蚀和损耗、提高催化剂使用寿命和提高催化反应反应物的接触程度,针对SCR反应器的流场开展数值模拟以及导流板和整流板的结构优化,基于Realizable k-ε模型和多孔介质模型,通过对全尺寸SCR反应器模型的速度场的模拟,研究导流板结构、整流板数量对于SCR脱硝系统的流场组织和气流均匀性的影响。通过模拟SCR反应器内的颗粒分布,研究飞灰颗粒对流场的影响。通过计算整流板前截面的相对速度偏差和分析不同优化方案下的SCR反应器的速度场,评估导流板和整流板的导流效果,进而确定最佳方案。结果表明:在弧形、直弧形、弧形、直弧直4种导流板方案中,直弧直形导流效果最好,这是因为弧形导流板前的水平直板和竖直直板可以更好地引导气流流动;结合反应器采用斜顶设计的几何特点,基于流场调整导流板形状与速度梯度方向相同,可以显著优化烟气的气流组织,减少转弯处的能量耗散;催化剂层前的整流板可进一步引导气流流动,极大改善气流均匀性;但过多的整流板提高近壁面处的烟气气流阻力,加剧能量耗散和速度不均匀性,反而降低整流板的整流效果。本研究整流板数量15较为合适。经过对导流板和整流板结构及数量的调整,最终可将催化剂上层的速度偏差降至6.68%,符合工业要求。针对烟气颗粒场的分析表明,飞灰颗粒主要沉积在烟道右壁面和上升通道上壁面处;同时,对颗粒沉积处必要的飞灰处理可减少烟气飞灰对于催化剂的冲蚀作用。     

SCR反应器入口流场均匀性模拟研究

采用Fluent软件对SCR反应器的入口部分流场进行了模拟,分析了不同导流板形式对烟气速度分布的影响。对整流格栅的画法进行了研究,分别对比了采用多孔介质模型和直接画出整流格栅两种方式,发现采用多孔介质模型所得模拟结果与实际物理场有偏差,最后选定直接画出整流格栅的方式进行模拟。对比了在流道转弯处设置不同导流板形式对流场的影响,发现当转弯处设置10块弧形等长导流板时流场分布最为均匀。     

水泥厂SCR脱硝反应器入口段流场数值模拟研究

为了提高脱硝效率,必须保证SCR脱硝反应器入口段烟气流速均匀分布,使烟气和催化剂均匀接触,进而使催化效率提高。利用计算流体力学软件FLUENT对SCR脱硝反应器入口段进行数值模拟,在模拟研究空塔时烟道内流场的基础上,有针对性地设置导流板进行优化,摸索出最佳的导流板布置形式,分析烟气速度分布和氨质量分数分布情况,结果表明:导流板的加入使SCR脱硝反应器烟道流场有明显改善,烟气进入第一层催化剂前的速度相对标准偏差为8.2%,氨质量分数相对标准偏差为3.5%,均满足行业标准。     

水泥厂SCR脱硝反应器入口段流场数值模拟研究

为了提高脱硝效率,必须保证SCR脱硝反应器入口段烟气流速均匀分布,使烟气和催化剂均匀接触,进而使催化效率提高。本文利用流体力学计算软件Fluent对SCR脱硝反应器入口段进行了数值模拟,在模拟研究空塔时烟道内流场的基础上,有针对性地设置导流板进行优化,摸索出最佳的导流板布置形式,分析了烟气速度分布和氨质量分数分布情况。结果表明:导流板的加入使SCR脱硝反应器烟道流场有明显改善,烟气进入第一层催化剂前的速度相对标准偏差为8.2%,氨质量分数相对标准偏差为3.5%,均满足行业标准。     

水泥窑SCR烟气脱硝反应器内流场均匀性研究

采用Fluent软件对选择性催化还原(SCR)脱硝反应器内流场进行模拟,基于标准k-ε模型、多孔介质模型、物质输运模型、DPM模型,采用单一气相烟气分析了不同整流格栅间距、整流格栅高度、整流格栅位置及导流板个数、导流板角度对烟气流场均匀性的影响,最终对最优方案下单一气相不同组分的烟气、不同负荷进行了验证,以及DPM双相耦合条件下不同负荷进行了验证。结果表明,从无整流格栅到加整流格栅时,最大入射角均小于90°,催化剂上方涡流消失;当整流格栅的间距为107 mm,整流格栅高度为200 mm,整流位置与入口下边缘平齐时首层催化剂上层100 mm处的速度分布偏差系数降至19%;当导流板的个数为7个,导流板角度为18.2°时最为合适,此时首层催化剂上方100 mm处的速度分布偏差系数为11.91%,最大入射角度为3.14°。当最佳参数下对单一气相不同组分的烟气、不同负荷进行模拟,均符合工程要求。采用DPM双相耦合,颗粒物采用Rosin-Rammler分布条件下与单一气相进行对比发现,首层催化剂上方100 mm处平均速度有了一定的增加,速度标准差变化较小,速度分布偏差系数相应减小,符合工程要求。     

水泥窑SCR脱硝反应器入口烟气均流扩散的数值模拟研究

为解决上进下出布置形式的SCR反应器入口烟道内流场分布不均匀、催化剂层中心区域磨损以及靠近烟道壁面区域积灰等问题，本研究以天津振兴产能为2 000 t/d二线水泥窑的中温中尘SCR脱硝装置为研究对象进行了流场模拟及流场优化。通过Ansys fluent软件对全尺寸SCR反应器烟道内的流场分布特性进行了模拟，提出了在反应器扩张段烟道进口位置设置一组导流格栅、在扩张段烟道中间位置设置一层均布板及第二组导流格栅的流场优化方案，优化方案中导流格栅起到引导烟气扩散流动的辅助作用，均布板起到了主要的均流作用，本研究通过仿真试验的方式选取50%开孔率、60°错排圆孔、孔径60 mm作为均布板的最优参数，优化方案通过工程案例进行了可行性验证。计算结果显示优化方案对系统压损的负担较小，能有效提高烟气分布均匀性，实现催化剂入口速度分布Cv<15%的技术要求。优化改造后现场实测结果显示，催化剂入口速度分布均匀性由Cv=48.5%，优化到Cv=14.5%，系统阻力仅增加91.5 Pa，脱硝效率提高了11.2%达到86.4%。     

选择性催化还原反应器气体预分布器内速度场和浓度场模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对当前实际电厂普遍采用的选择性催化还原反应器(SCR)预分布器系统进行数值模拟,据此分析均流装置的存在对催化刑入口截面上速度场和浓度场的影响,同时通过正交设计方法,考察了系统烟道内多孔筛板、导流板的位置以及静态混合器等六因素对SCR系统内部浓度场均匀分布的影响.结果表明,导流板的位置对催化剂入口截面上的速度分布影响较大;喷氨格栅的结构与催化剂入口截面上的浓度场分布有密切的关系.     

660MW燃煤机组SCR流场模拟优化与喷氨优化运行

以某电厂660 MW亚临界燃煤机组SCR烟气脱硝系统为研究对象,对SCR反应器内烟气流动以及喷氨分布均匀性进行数值模拟研究。通过对比首层催化剂前烟气速度分布及NH_3浓度分布,研究了SCR反应器内均流部件对烟气流场均匀特性的影响,并且在数值模拟的基础上对喷氨方式进行了优化调整研究。研究结果表明:优化调整烟道内均流部件对速度、浓度均匀性有显著改善作用;通过分析流场不均匀性得到的分区喷氨方法能够进一步优化NH_3在烟道中分布;现场试验验证了调节喷氨格栅阀门可降低SCR反应器出口NO_x浓度。本文研究可为燃煤机组SCR系统导流板优化及实际电厂喷氨优化调试提供参考。     

某生活垃圾焚烧发电厂SCR脱硝系统数值模拟研究

以某生活垃圾焚烧发电厂SCR脱硝系统为研究对象,针对无导流板结构、有导流板结构的SCR反应器流场进行了数值模拟计算,并进行了对比分析,可以看出,研究案例中所用的SCR反应器在设置导流板的情况下,相比无导流板结构结构,烟气流动压降略有增加,但进催化剂前的烟气速度偏差可由无导流板的47.8%降低到14.8%,氨气的浓度偏差可由无导流板结构的28.7%降低到9.7%。     

锯齿形导流筒对环流反应器流体力学特性的影响

为提高中心气升式环流反应器的气液分布效果,采用RNG k-ε湍流模型、欧拉-欧拉双流体模型,分别对传统环流反应器和一种锯齿形导流筒环流反应器的流动规律进行了数值模拟研究,以探究锯齿形导流筒齿数和齿宽对流场分布的影响。模拟结果表明,与传统中心气升式环流反应器相比,锯齿形导流筒结构可以有效减少反应器上部中心区域的小速度漩涡,增强气液分布及传质效果;此外,随着导流筒齿数和齿宽的增大,反应器内流场分布特性及循环液速呈现先变好后变差的变化趋势,分别当齿数等于80及齿宽等于65mm时,气液分布及传质效果达到最优。     

基于水泥除尘+脱硝流场的CFD数值模拟研究

随着社会环保意识的增强,大气污染物的排放标准也日益严格,这给环保工程带来了极大的潜在市场。脱硝反应器设计作为SCR脱硝工艺中除了催化剂的另一核心,在水泥行业没有更好的催化剂被研发出来之前,想要脱硝设备的性能得到极佳的发挥,在高温高尘区布置除尘+脱硝设备已经是工程上的一个选择,而在高尘区要保证催化剂的稳定、高效运行,流场的优化必不可少。本文针对某水泥行业除尘+脱硝项目,采用CFD软件对其流场进行数值模拟,并给出导流板的优化设计方案。结果表明:在电除尘器上进气口布置合适的导流板,使得进入电场的烟气分布均匀;同时在整流格栅前添加导流板,脱硝反应器内的流场也得到了极大改善。因此,采用CFD软件数值模拟对水泥行业除尘+脱硝有着重要的意义。     

某燃煤电厂300MW机组SCR烟气脱硝装置结构优化

SCR烟气脱硝装置中烟气流场的分布及还原剂（NH3）与NOx的混合效果对脱硝效果起着重要作用,因此,采用数值模拟技术对于初步设计的SCR烟气脱硝装置进行结构优化是目前国内外SCR烟气脱硝装置设计必不可少的一部分。本研究采用Fluent软件对某燃煤电厂300MW机组SCR烟气脱硝装置内的烟气流动、第一层催化剂入口NH3与NOx的混合和系统压降等方面进行模拟,结果表明：BMCR工况下,结构优化后的SCR烟气脱硝装置AIG上（下）游、第一层催化剂入口和装置出口截面烟气流速相对标准偏差不超过15%;第一层催化剂入口截面NH3/NOx摩尔比相对标准偏差不超过10%;第一层催化剂入口截面烟气进入最大偏差角度处于±10°范围之间;系统压降低于800Pa。合理的设计导流板能够起到抑制弯管以及变截面所引起的流场分离现象、消除大旋流的产生使烟气更加流畅地进入催化剂等作用。     

选择性催化还原蜂窝状催化剂内流动特性的多尺度模拟

为提高选择性催化还原(SCR)脱硝反应器内催化剂的脱硝效率和使用寿命，从细观和宏观两个角度对SCR脱硝反应器的流动特性多尺度数值进行研究。在细观层面研究了不同高度的催化剂层产生的阻力随进口速度的变化，并计算得到阻力关系式。宏观层面，基于阻力关系式，计算出催化剂宏观结构数值模拟所需的粘性阻力系数和惯性阻力系数，对反应器内的流动特性进行数值模拟，并将其结果与实验数据对比，最大误差为8.6%。将关系式应用于具有不同结构(蜂窝状和斜板状)催化剂的脱硝反应器中，计算结果与文献值趋势基本一致，最大误差为12.9%。     

Calculation of three-dimensional flow and pressure fields in cracking furnaces

The simulation of correct flow and pressure fields in the radiation section of industrial thermal cracking furnaces is of practical interest since the amount of combustion air taken in by the burners in general is partly determined by the pressure field. For such engineering purposes often a (practical) simplified numerical treatment of the viscous terms in the flow equations is used to reduce the computational cost. It is shown that the interaction between such a simplified numerical treatment of the viscous terms and the alignment of the cell interfaces with the coordinate system can result in an erroneous (non-physical) calculation of the pressure field. This alignment problem is predominantly present when using a semi non-structured prismatic grid to solve the flow equations. Using a fully non-structured tetrahedral grid avoids this problem because of the random orientation of the cell interfaces for this type of grid. This is confirmed by assuring that the calculation results are independent with respect to grid refinement. At the same time the influence of the presence of the reactor tubes on the velocity field inside the furnace is examined.     

NGD反应器气相流场及能耗特性研究

高倍率灰钙循环脱硫(NGD)技术具有投资和运行成本低、占地面积小、节水和可避免有色烟羽等优点,在燃煤工业锅炉领域具有较好的发展前景,而已有研究主要关注脱硫反应过程及其影响因素,尚缺乏对NGD反应器内流场和能耗的认识。笔者基于熵产分析方法建立了NGD反应器能耗的定量分析模型,NGD反应器能耗包含因烟气散热引起的能耗和黏性流体流动引起的能耗,其中,黏性流体流动引起的能耗包含湍流耗散和壁面摩擦,此外,由于NGD反应器高度达20 m以上,其进、出口压降还应考虑位置势能变化,因此,NGD进、出口压降包含位置势能变化、湍流耗散和壁面摩擦引起的压降。以某30 t/h煤粉工业锅炉配套的NGD反应器为研究对象,采用CFD方法模拟脱硫反应器内的流场分布,并在此基础上通过能耗分析模型研究脱硫反应器内的能耗组成和分布。结果表明,CFD方法和能耗分析模型计算的NGD进、出口压降与测量值的偏差分别为0.4%和9.6%,因此,CFD方法和能耗分析模型能较为准确地预测脱硫反应器内黏性流体流动引起的能耗,NGD反应器内黏性流体流动和烟气散热引起的能耗分别占NGD总能耗的96.2%和3.8%,可见黏性流体流动对NGD能耗起主导作用,位置势能变化、湍流耗散和壁面摩擦引起的压降分别为237.6、347.4和57.5 Pa,可见湍流耗散对NGD反应器能耗起主导作用。将NGD反应器划分为上部主体反应区、中部加速区和下部烟气入口区,由于黏性流体流动过程中的能量耗散来自不同流层速度差引起的摩擦耗散,因此能耗大小主要取决于不同流层间的速度梯度,而中部加速区平均速度较大且流场分布极不均匀,导致单位体积湍流熵产远高于其他区域,因此其体积虽仅占3.6%,但其熵产占NGD反应器总熵产的53.8%;上部主体反应区速度分布较为均匀且平均速度较小,但其体积占NGD反应器体积的83.3%,因此中部的熵产仍然较大,占总熵产的40.1%;下部烟气入口区流场分布极为不均匀但平均流速较小,单位体积熵产率从下往上逐渐增大,其体积比为13.1%,熵产占总熵产的比值为6.1%。可见,上部和中部是能耗的主要区域,尤其是中部加速区是降低NGD反应器能耗的主要目标区域。     

SCR烟气脱硝工艺喷氨混合装置研究进展

氨法选择性催化还原技术(SCR)因其优良的综合性能而成为工程应用最为广泛的烟气脱硝工艺,而反应器横截面上混合气体流场均匀性优劣是高效烟气脱硝的重要影响因素。本文简述了SCR烟气脱硝系统基本原理和NH₃/NO_x混合效率指标;综述了线性控制式、分区控制式和混合型喷氨格栅等几种工程应用上主流技术及其最新研究成果,并分析了各气体流场均匀性调节技术的优缺点;最后指出氨喷射混合装置未来的发展趋势:①优先选用混合型喷氨格栅,分区控制式喷氨格栅和线性控制式喷氨格栅分别次之;②喷氨混合装置设计时重点寻求降低浓度不均匀系数的可行性;③研发简易、高能和稳定的静态混合结构,降低建设和运行成本,提高操作弹性;④完善还原剂氨喷射效应和喷氨量现代控制理论。     

Numerical simulation of flow field and residence time of nanoparticles in a 1000-ton industrial multi-jet combustion reactor

In this work, by establishing a three-dimensional physical model of a 1000-ton industrial multi-jet combustion reactor, a hexahedral structured grid was used to discretize the model. Combined with realizable k–ε model, eddy-dissipation-concept, discrete-ordinate radiation model, hydrogen 19-step detailed reaction mechanism, air age user-defined-function, velocity field, temperature field, concentration field and gas arrival time in the reactor were numerically simulated. The Euler–Lagrange method combined with the discrete-phase-model was used to reveal the flow characteristics of particles in the reactor, and based on this, the effects of the reactor aspect ratios, central jet gas velocity and particle size on the flow field characteristics and particle back-mixing degree in the reactor were investigated. The results show that with the decrease of aspect ratio in the combustion reactors, the velocity and temperature attenuation in the reactor are intensified, the vortex phenomenon is aggravated, and the residence time distribution of nanoparticles is more dispersed. With the increase in the central jet gas velocities in reactors, the vortex lengthens along the axis, the turbulence intensity increases, and the residence time of particles decreases. The back-mixing degree and residence time of particles in the reactor also decrease with the increase in particle size. The simulation results can provide reference for the structural regulation of nanoparticles and the structural design of combustion reactor in the process of gas combustion synthesis.