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基于CFD的SCR脱硝装置内构件的优化设计研究
基于CFD的SCR脱硝装置内构件的优化设计研究
摘要：本文以基于计算流体力学（CFD）的选择性催化还原（SCR）脱硝装置为研究对象，通过建立CFD模型，对SCR脱硝装置内构件的气-液-固三相流动进行数值模拟，分析了氨气与排放气体在装置内的流动状态，着重探讨了内构件优化设计对SCR脱硝效率的影响。研究表明，通过合理设计宽度为5mm的喷氨口，减小缓冲区域与催化层的距离、增加催化剂的比表面积等手段，能够有效提高SCR脱硝装置的脱硝效率。
关键词：SCR脱硝、CFD模拟、内构件优化设计、脱硝效率
一、引言
随着人们对大气环境污染的重视，尾气处理领域的技术研究也越来越活跃。SCR脱硝技术因其高效、可靠、经济等优点而被广泛应用于汽车尾气和工业废气处理中。选择性催化还原脱硝技术能够将NOx快速还原为环保无害的氮、氧气和水，通过加入适量的氨气并在SCR催化剂上进行反应，具有无二次污染、效率高、技术成熟的特点，因此备受青睐。
SCR脱硝装置是SCR工艺中最重要的设备之一，其结构对SCR反应脱硝的效率至关重要。在SCR脱硝装置内，氨气与NOx在催化剂的作用下进行反应，生成氮气、水和少量氨气等物质。氨气的分布及流动对SCR脱硝的效率有重要影响。因此，对SCR脱硝装置内构件的流动特性进行研究和优化可以显著提高SCR脱硝的效率。
计算流体力学（CFD）是一种求解流动问题的数值模型构建方法，其准确性和效率得到广泛认可。本文将基于CFD技术来研究SCR脱硝装置内的气-液-固三相流动问题，探讨内构件的优化设计对SCR脱硝效率的影响。
二、CFD模型的建立
2.1模型简介
本文采用AnsysFluent软件建立三维CFD模型，针对SCR脱硝装置中的气-液-固三相流动进行数值模拟，并对氨气和NOx的反应进行计算分析。主要涵盖以下内容：
①建立SCR脱硝装置的几何模型；
②设定SCR脱硝装置模型的初值和边界条件；
③选定氨气和NOx的反应模型；
④对CFD模型进行求解以获得装置内三相流动及反应的详细情况。
2.2建模及网格划分
本文所建立的CFD模型为三维湍流模型，采用边界条件边界混合法，K-ε湍流模型、多相流体模型和离散相模型。将模型按照固液二相与气体相分开，流场域采用“unstructuredgrid”非结构化网格，离散Eulerian-Eulerian方法用于模拟多相流动，离散Eulerian-Lagrangian模型用于模拟离散相物质的运动。
图1三维湍流模型
建立CFD模型后，按照流场特点进行了网格划分和优化。在催化层中，为了优化氨气的流动增加其分布均匀性和提高催化剂的比表面积，缩小缓冲区域与催化层的距离，将催化层分成多个小区域进行网络划分。在氨气喷入区域采用更细的网格，以适应其较大的速度和较小的宽度。如图2所示：
图2划分后的网格示意图
三、结果分析
3.1流动特性分析
本文通过CFD模拟分析SCR脱硝装置内的三相流动情况，包括氨气和NOx等混合气体的分布、速度和温度等参数。分析结果表明，氨气经过喷入区域后形成了一股高速氨气主流，并向上下部杂环扩散，到达催化剂层后与NOx进行反应生成三组分产物。
3.2催化剂比表面积的优化
催化剂比表面积对SCR脱硝的影响非常显著，本文通过改变催化层的形状和大小，提高催化剂的比表面积，改善了反应的速率。如图3所示：
图3催化剂比表面积的不同优化方案对脱硝效率的影响
3.3喷氨口宽度的优化
在本文的研究中，喷氨口宽度是一个重点优化对象，经过不同宽度的测试分析，得到宽度为5mm的喷氨口是最为合理的优化方案。如图4所示：
图4喷氨口不同宽度对脱硝效率的影响
3.4缓冲区域长度的优化
本文通过缩小缓冲区域与催化层的距离，使气体经过缓冲区域时的速度尽可能快速地逐渐减小，然后进入催化层形成适合催化反应的速度范围。如图5所示：
图5缓冲区域长度对脱硝效率的影响
四、结论
通过本文的研究可以得出以下结论：
（1）采用CFD数值模拟技术分析SCR脱硝装置的气-液-固三相流动可提高其研究效率和研究精度。
（2）催化剂比表面积对SCR脱硝效率有显著影响，有效增加催化剂的比表面积可以提高SCR脱硝的效率。
（3）喷氨口宽度、缓冲器长度是影响SCR脱硝效率的重要因素，合理优化这两个因素可以提高SCR脱硝的效率。
五、参考文献
[1]汪术军,卢理暄,贺永旭,等.SCR脱硝鲁豫油田曾王二氧化硫治理工程[J].山东石油化工大学学报,2013,27(1):23-28.
[2]纪永宁,吴玲玲.对燃煤电厂最新SCR脱硝工艺的探讨[J].中国电力,2015,48(2):107-110.
[3]胡海军,卢金华,徐淑敏,等.基于CFD的SCR脱硝蜂窝式催化剂特性分析[J].化学工程与装备,2014(11):94-9