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       以鍋爐的選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析原噴氨格柵結(jié)構(gòu)下煙氣與氨氣的混合效果，對(duì)其結(jié)構(gòu)和布置形式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，發(fā)現(xiàn)縮小噴氨圓管上噴氨孔的直徑并采用兩側(cè)布置大孔徑中間布置小孔徑的形式，可增強(qiáng)氨氣射流的穿透力，NH3摩爾濃度的變異系數(shù)Cv*高下降20%，煙氣與氨氣混合均勻性得到大幅提升。

       關(guān)鍵詞：噴氨格柵；數(shù)值模擬；變異系數(shù)；混合均勻性

       引言

       選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是指在催化劑作用下，噴入還原劑氨或尿素，將煙氣中的NOx還原為N2和H2O。煙氣氨氮分布均勻性被視為SCR脫硝性能評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，作為SCR脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一部分，噴氨格柵可促使氨氣和煙氣在進(jìn)入SCR反應(yīng)器前充分混合，噴氨裝置設(shè)計(jì)不合理將直接造成氨氮混合不均勻，進(jìn)而影響到進(jìn)入催化劑層的反應(yīng)。只有煙氣與氨具有良好的混合均勻性，才能保證催化劑層達(dá)到*佳的催化反應(yīng)和氮脫除效率。國(guó)內(nèi)外常用噴氨格柵進(jìn)行多點(diǎn)噴氨，使氨均勻地分布在整個(gè)反應(yīng)器截面上。越來(lái)越嚴(yán)的排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、噴氨格柵噴射三者之間的耦合提出了更高要求，系統(tǒng)均流與混合是脫硝系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的關(guān)鍵之一。以鍋爐的SCR脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，在分析原噴氨格柵結(jié)構(gòu)煙氣與氨氣的混合效果的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)和布置形式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為脫硝噴氨格柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

       1 模擬對(duì)象與方法

       1.1模擬對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)及邊界條件

       脫硝還原劑采用氨氣，原始 SCR 噴氨格柵主要由氨氣風(fēng)道和煙道組成， 計(jì)算區(qū)域的幾何模型如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 后 經(jīng)氨氣入口 進(jìn) 入 環(huán)形氨氣風(fēng)道，并從噴氨圓管的管壁圓孔噴出；煙氣從高溫?zé)煔馊肟谧陨隙�下流�?dòng)， 并在方形段煙道內(nèi)與氨氣混合，*終從煙氣出口流出。氨氣風(fēng)道為矩形，布置在煙道周邊，兩側(cè)與噴氨圓管連通，煙道內(nèi)共布置 5 根噴氨圓管，煙道內(nèi)每根噴氨圓管中心線上，均設(shè)置有對(duì)稱布置的噴氨孔， 噴口開(kāi)孔方向與煙氣流向、噴氨圓管中心線垂直。SCR 噴氨格柵模型網(wǎng)格劃分如圖 1（b）所示，運(yùn)用 ANSYS MESH 軟件對(duì)三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 采用六面體與四面體混合網(wǎng)格，對(duì)噴氨圓管網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，*終的網(wǎng)格數(shù)量控制在 100 萬(wàn)左右。


       SCR 噴氨格柵入口參數(shù)見(jiàn)表 1， 對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，如用高溫空氣代替高溫?zé)煔猓�用純氨氣代替氨氣與空氣的混合氣體， 其他參數(shù)保持與實(shí)際情況一致。


       1.2 物理模型

       對(duì) SCR 噴氨格柵區(qū)域進(jìn)行流場(chǎng)優(yōu)化模擬是基于 N-S 流動(dòng)控制方程的求解。采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型模擬氣體湍流流動(dòng)。采用 Species 物質(zhì)輸運(yùn)模型模擬 NH3在煙氣中的混合與擴(kuò)散， 但不涉及化學(xué)反應(yīng)。開(kāi)啟能量方程，考慮空氣與氨氣的換熱。本模擬假設(shè)煙氣為單相氣體， 不考慮高溫?zé)煔庵蟹蹓m對(duì)流場(chǎng)的影響，將煙氣視為不可壓縮流體，且為定常流動(dòng)；假設(shè)高溫?zé)煔馊肟诤桶睔馊肟诘乃俣确植季鶆�。煙道入口采用速度進(jìn)口邊界條件， 煙道出口為 Outflow 邊界條件；噴氨入口為速度入口，噴射角度與煙氣流動(dòng)方向垂直；噴氨圓管及其他邊界設(shè)為絕熱壁面條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，無(wú)滑移邊界條件。

       2 模擬結(jié)果與分析

       2.1原始SCR噴氨格柵的混合分析

       原始 SCR 噴氨格柵共設(shè)置有 5 根噴氨圓管，每根圓管管壁上開(kāi)有圓形噴氨孔，其布置如圖 2 所示：噴氨孔水平方向上雙側(cè)對(duì)稱布置，間距均為 20 mm，孔直徑為 7 mm，每根噴氨圓管布置 20 個(gè)噴氨孔，從噴氨孔出來(lái)氨氣的流向垂直于煙氣流向。


       通過(guò)建立現(xiàn)有 SCR 噴氨格柵區(qū)域的全尺度三維模型， 并利用 Fluent 18.0 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了現(xiàn)有 SCR 噴氨格柵煙道內(nèi)的溫度和 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。圖 3 為原始噴氨格柵的溫度分布，噴氨入口截面的溫度分布如圖 3（a）所示，氨氣風(fēng)道的溫度較低，方形段煙道的溫度較高，這是由于氨氣初始溫度為 150 ℃，而高溫?zé)煔獬跏紲囟葹?370 ℃。5根噴氨圓管均出現(xiàn)兩側(cè)到中間，溫度明顯逐漸升高的現(xiàn)象，*高溫升達(dá) 180 ℃。由于壁面均已設(shè)置為絕熱，所以排除導(dǎo)熱造成管內(nèi)氨氣溫度升高，這可能是由于通過(guò)噴氨孔部分高溫空氣混入了噴氨圓管中。煙氣出口溫度分布如圖 3（b）所示，總體上看出口的溫度分布并不十分均勻，兩側(cè)存在局部低溫區(qū)。


       圖 4 為原始噴氨格柵的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，噴氨入口截面的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖 4（a）所示，氨氣風(fēng)道的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為 1，方形段煙道的為 0。5 根噴氨圓管均出現(xiàn)兩側(cè)到中間，NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布逐漸降低的現(xiàn)象。而模擬過(guò)程中只有 NH3和空氣兩種組分，這說(shuō)明隨著 NH3在噴氨圓管中流動(dòng)，方形煙道中部分空氣通過(guò)噴氨孔進(jìn)入到圓管中。煙氣出口NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖 4（b）所示，總體上看出口NH3的分布并不十分均勻，存在中間濃度低，兩側(cè)濃度高的現(xiàn)象。

       無(wú)論從溫度還是 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布來(lái)看，采用原始的噴氨格柵結(jié)構(gòu)都存在高溫?zé)煔馀c氨氣混合均勻性較差的問(wèn)題， 即煙道出口兩側(cè)氨氣濃度高，中間濃度低的情況。這可能是由于氨氣沿著圓管由兩側(cè)向中間流動(dòng)時(shí)，其流量在逐漸減��；且噴氨孔是水平布置，高溫空氣垂直流動(dòng)；并*終導(dǎo)致噴氨圓管的中間位置高溫空氣更容易通過(guò)噴氨孔進(jìn)入圓管， 而氨氣則更難從噴氨圓管的噴氨孔流入方形煙道。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還因考慮在工藝允許的情況下， 進(jìn)一步縮小圓管中間段噴氨孔的直徑。


       2.2 優(yōu)化后 SCR 噴氨格柵的混合分析

       對(duì)原始 SCR 噴氨格柵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。噴氨圓管上噴氨孔還是以 20 mm 等間距布置， 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及 D4.0 mm4 種規(guī)格，具體地，兩側(cè)布置大孔徑中間布置小孔徑，噴氨孔的數(shù)量和原始噴氨圓管一樣，在水平方向上雙側(cè)布置，每根噴氨圓管布置 20 個(gè)噴氨孔，從噴氨孔出來(lái)氨氣的流向垂直于煙氣流向。通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得了優(yōu)化后 SCR 噴氨格柵煙道內(nèi)的溫度和 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。

       圖 6 為優(yōu)化后噴氨格柵的溫度分布， 其溫度標(biāo)尺和圖 3 原始噴氨格柵的溫度標(biāo)尺保持一致。噴氨入口截面的溫度分布如圖 6（a）所示，氨氣風(fēng)道的溫度較低，方形段煙道的溫度較高， 這同樣是由于氨氣和空氣的初始溫度不一致。5 根噴氨圓管在方形煙道內(nèi)溫度稍微升高了一點(diǎn)， *高溫升不超過(guò) 30 ℃，并未出現(xiàn) 原始結(jié)構(gòu) 兩 側(cè) 到 中 間 溫 度 明 顯 升 高 的 現(xiàn)象。煙氣出口溫度分布如圖 6（b）所示，雖然出口還存在小范圍的局部低溫區(qū)， 但總體上看其溫度分布還是比較均勻， 相比較于原始噴氨格柵出口的溫度分布，局部低溫區(qū)范圍大大較小，溫度均勻性明顯提升。

       圖 7 為優(yōu)化后噴氨格柵的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)尺和圖 4 原始噴氨格柵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)尺保持一致。噴氨入口截面的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖 7（a）所示，氨氣風(fēng)道的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為 1，方形段煙道為 0。5 根噴氨圓管在方形煙道中 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)了小幅降低， 這說(shuō)明有少量空氣通過(guò)噴氨孔進(jìn)入圓管中。但相較于原始噴氨格柵，混入噴氨圓管的空氣大幅減少。煙氣出口 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖 7（b）所示，總體上看出口 NH3的分布比較均勻，僅存在小范圍的低濃度區(qū)。


       2.3 優(yōu)化前后 NH3分布均勻性對(duì)比分析

       為進(jìn)一步了解噴氨格柵優(yōu)化前后 NH3的分布均勻性，將對(duì) NH3的摩爾濃度進(jìn)行定量分析。采用變異系數(shù) Cv這一參數(shù)作為衡量濃度均勻性的標(biāo)準(zhǔn)，并將其定義為


       如圖 1（a）所示，沿著混合煙道氣流方向由上而下分別截取 x=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m 和0.6 m 6 個(gè)截面， 并對(duì)其 NH3摩爾濃度的 Cv值進(jìn)行比較分析。圖 8 為優(yōu)化前后混合煙道各流通截面NH3摩爾濃度 Cv值的對(duì)比， 可以看出無(wú)論優(yōu)化前還是優(yōu)化后，NH3摩爾濃度的變異系數(shù)都是隨著 x 值增大而減小，說(shuō)明隨著煙氣與 NH3的不斷摻混，NH3的分布越來(lái)均勻；且經(jīng)過(guò) 0.6 m 的混合距離，兩種結(jié)構(gòu)下的 NH3變異系數(shù) Cv值均減小一半，均勻性均提高了一倍。然而無(wú)論哪個(gè)截面，優(yōu)化后的 Cv值均明顯小于優(yōu)化前，下降幅度在 10%～20%之間，說(shuō)明僅通過(guò)調(diào)整噴氨孔徑來(lái)優(yōu)化噴氨格柵結(jié)構(gòu)，NH3分布的均勻性就能大幅提高。

       3 結(jié)語(yǔ)

       基于原有的SCR噴氨格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)其布置并不合理，噴氨入口截面和煙氣出口均存在中間NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，而兩側(cè)較高的現(xiàn)象，煙氣與氨氣混合均勻性較差。通過(guò)縮小噴氨圓管上噴氨孔的直徑并采用兩側(cè)布置大孔徑中間布置小孔徑的形式，增強(qiáng)了氨氣射流的穿透力，使煙氣與氨氣混合均勻性得到大幅提升，并*終確立了較優(yōu)化的噴氨格柵結(jié)構(gòu)。