低速柴油機SCR系統(tǒng)吹灰裝置噴孔效應(yīng)有限元分析

楊智遠(yuǎn)，張 釗，江國和

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

SCR系統(tǒng)的作用是將廢氣中的NOx通過與NH3反應(yīng)，從而實現(xiàn)將有害的NOx還原為無毒害作用的N2[1]，在眾多的脫硝技術(shù)中，SCR技術(shù)能夠有效降低煙氣中NOx的含量[2]。在該反應(yīng)過程中，催化劑的活性是反應(yīng)能夠高效進(jìn)行的重要保障。煙氣中的飛灰對催化劑的性能有很大的影響，Hans Sobolewski等[3]通過研究表明，煙氣中的灰塵對催化劑的沖蝕與堵塞，會在一定程度上引起催化劑活性的物理惰性，Karina Rigby等[4]研究表明，煙氣中的灰塵對催化劑孔道的堵塞也會引起催化劑活性的物理惰性。文小于等[5]研究表明，廢氣中含有的大量堿金屬會對催化劑參數(shù)很強的化學(xué)毒害作用，導(dǎo)致催化劑活性降低。

排煙中的積灰松散，其形成原因是燃燒產(chǎn)生的灰粒隨排煙漂浮至催化劑表面，細(xì)小的灰粒在層流狀態(tài)下聚集于SCR反應(yīng)器的上游部位，凝聚并最終掉落到催化劑表面，形成搭橋、堵塞。松散型積灰主要受重力、范德華力、表面張力作用，不受化學(xué)力作用[6]。資料顯示這種積灰的粘結(jié)強度在50～250 Pa之間，較容易清除[7]。為降低積灰對柴油機以及SCR系統(tǒng)影響，需要采用吹灰裝置及時地將積灰清除。壓縮空氣在船舶上易得，一般都能達(dá)到較好地吹掃效果。

噴孔的孔徑大小、壓縮空氣壓力的大小這些參數(shù)都會對噴孔的性能產(chǎn)生較大的影響，孔徑太大會浪費掉大量的壓縮空氣，孔徑太小又達(dá)不到吹掃效果，因此，本文對基于壓縮空氣式的SCR吹灰裝置進(jìn)行有限元分析，利用計算流體動力學(xué)的軟件來分析噴孔直徑、噴射壓力、氣耗比、吹掃強度之間的關(guān)系。

1 吹灰裝置布置

吹灰裝置中的吹灰管路布置與催化劑前，與煙氣的入口呈現(xiàn)就近原則，其布置方案如圖1所示，某型低速柴油機的SCR吹灰器管路布置如圖2所示。

壓縮空氣進(jìn)入吹灰器的管路，高壓空氣從管路上的小孔噴出，從而實現(xiàn)對于沉積在催化劑表面的機會進(jìn)行清除。

2 噴孔有限元模型

本文選擇壓縮空氣式的吹掃方式。在吹掃管路中上面有很多吹掃小孔，為獲得最佳的吹掃方案，首先要獲得單個噴孔在不同孔徑、不同工況下的吹掃特性，綜合耗氣量、吹掃范圍、管路布置方案等因素以確定管路噴孔數(shù)量和噴孔布置位置，從而確定最優(yōu)的壓縮空氣管路與噴孔的布置方案。

2.1 噴孔幾何模型

從噴孔的可加工性等角度出發(fā)，分別選擇噴孔直徑為1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm 等4種方案進(jìn)行研究。壓縮空氣管路選擇船用不銹鋼管。從催化劑的規(guī)格以及計算經(jīng)驗的角度出發(fā)，選擇噴孔計算域的尺寸為320 mm×320 mm×400 mm，X表示截面與噴孔末端的距離。噴孔計算域的二維模型和三維模型如圖3所示。

2.2 噴孔計算域網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上相當(dāng)于矩形域內(nèi)的均勻網(wǎng)格，節(jié)點定義在每一層的網(wǎng)格線上，且每一層上節(jié)點數(shù)都相等，這樣使復(fù)雜外形的貼體網(wǎng)格生成比較困難。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格沒有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8–9]，也沒有層的概念，網(wǎng)格節(jié)點的分布隨意，因此具有靈活性。

由于本模型相對較為簡單，能夠較好地對模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分[10–12]，所以采用網(wǎng)格質(zhì)量相對較高、計算時間較短、收斂性較好的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

本模型采用六面體網(wǎng)格劃分網(wǎng)格質(zhì)量在0.65～1，網(wǎng)格質(zhì)量較高，能夠滿足計算精度的需求。網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)約為23萬個，單元數(shù)約為25萬個。

2.3 數(shù)值計算方法與邊界條件

本文的流場計算分析是基于納維-斯托克斯方程（N-S）進(jìn)行求解[13]，利用商用的Fluent軟件作為計算平臺，對該模型就行流場分析計算。N-S方程在直角坐標(biāo)系中可以寫成：

式中：u，v為沿著x，y方向上的速度分量；t為時間；p為壓力；ρ為密度；ν為運動粘性系數(shù)。在不同條件下，N-S方程的數(shù)學(xué)性質(zhì)也不一樣。

在CFD中湍流控制一般選擇k-ε兩方程計算模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，是針對湍流發(fā)展非常充分的湍流流動來建立的，是一種針對高Re數(shù)的湍流計算模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，對于Reynolds應(yīng)力的各個分量，假定粘度系數(shù)μt相同。而在彎曲流線的情況下，湍流各向異性，μt應(yīng)該是各向異性的張量，因此標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對于強旋流、彎曲壁面流動或彎曲流線流動時，會產(chǎn)生一定失真。

Realizable k-ε模型已被有效地用于各種不同類型的流動模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動，以及帶有分離的流動等。

本文采用的湍流模型為Realizable k-ε兩方程湍流模型[14–15]，因為氣體流動較為復(fù)雜，湍流模型能較為真實地描述流動中主要的物理過程，有較好的通用性和精度，且不需要太大的計算量，是目前應(yīng)用最廣、在科學(xué)研究及工程實際中得到廣泛檢驗和成功應(yīng)用的模型。在此模型中k方程及ε方程如下：

因為在流體流動過程中遵循質(zhì)量守恒與動量守恒，質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程：

在慣性坐標(biāo)系中i方向上的動量守恒方程為：

采用速度與壓力耦合的Coupled方法進(jìn)行求解，壓力、密度、動量等均采用求解精度較高的二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。噴孔進(jìn)口設(shè)置壓力入口，壓力取值分別為5～20 bar，選擇計算域出口為壓力出口，設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3 有限元分析

3.1 吹掃強度與氣流速度關(guān)系

根據(jù)動量定理Ft=mv，可以推導(dǎo)為F=v×（m/t），m/t為壓縮空氣流經(jīng)截面的質(zhì)量流量，kg/s，通過Fluent軟件可以計算出在某一截面上的平均作用力，也可以剪切出在某一速度區(qū)間內(nèi)的在截面上所形成的面積。根據(jù)P=F/S，可求得此截面上壓強。以下計算的是噴孔直徑為1 mm，噴射壓力為5 bar，距噴孔為200 mm，不同速度范圍的剪切面速度，如圖5所示。

在X=200 mm截面上以速度范圍7.5～8.5 m/s和14.5～15.5 m/s區(qū)域形成2個圓環(huán)。通過計算，可以得到在此剪切截面的面積以及在此截面上的平均作用力如表1所示。

根據(jù)此原則，確定了作用強度分別為50 Pa，100 Pa，150 Pa，200 Pa，250 Pa所對應(yīng)的空氣速度，如圖6所示。

通過作用強度f與空氣速度v之間的關(guān)系曲線可得作用強度在50～250 Pa之間時，空氣速度與作用強度之間呈線性關(guān)系，擬合方程為：

式中：v為空氣速度，m/s；f為作用強度，Pa。

表1 不同速度范圍內(nèi)剪切面面積、作用力、壓強Tab. 1 Shear surface area，force，pressure of different velocity scale

3.2 吹掃范圍與孔徑、壓力關(guān)系

吹掃范圍L是指空氣速度大于15 m/s的區(qū)域面積等效圓的直徑稱為吹掃范圍，要想獲得較大的吹掃范圍就需要有較多的空氣消耗，但是空氣消耗量過大對氣源以及整體空氣的供應(yīng)提出不小的挑戰(zhàn)。吹掃范圍、耗氣量由壓縮空氣噴孔直徑和噴射壓力共同決定。模擬采用噴孔直徑分別為1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，壓縮空氣管路壁厚為5 mm，在壓力為5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar在 X=200 mm 截面的吹掃范圍。模擬結(jié)果如圖7所示。

由以上模擬結(jié)果可知：

1）在噴孔直徑1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，壓力 5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar的條件下，吹掃范圍在23～62 mm之間。

2）噴孔直徑相同時，隨著壓力的增加，吹掃范圍逐漸增加，但增加的趨勢逐漸平緩，例如：孔徑1 mm隨著壓力從5 bar增加至30 bar，吹掃范圍增量ΔL逐漸由5 mm減小至1 mm。

3）吹掃壓力相同時，隨著噴孔孔徑的增大，吹掃范圍逐漸增加，增加的趨勢逐漸平緩，例如：壓力為10 bar時，孔徑由1 mm逐漸增加至2.5 mm時，吹掃范圍的增量ΔL逐漸由10 mm減小至6 mm。

3.3 耗氣量Q與孔徑、壓力關(guān)系

通過計算獲得耗氣量隨著孔徑與壓力的變化關(guān)系，噴孔直徑分別為1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，壓縮空氣管路壁厚為5 mm，在壓力為5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar下耗氣量曲線，如圖8所示。

通過以上模擬結(jié)果可知：

1）在噴孔直徑1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm壓力 5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar的條件下，耗氣量在35～436 L/min之間。

2）噴孔直徑相同時，隨著壓力的增加耗氣量逐漸增加，但增加的趨勢逐漸平緩，例如孔徑1 mm，在5～30 bar之間，耗氣量增量的增加量ΔQ由10 L/min逐漸減小至5 L/min，耗氣量的變化趨勢與吹掃范圍相符。

3）吹掃壓力相同時，隨著噴孔孔徑的增大，耗氣量逐漸增加，趨勢逐漸上揚，例如：壓力為10 bar時，孔徑由1 mm逐漸增加至2.5 mm時，耗氣量增量的增量ΔQ逐漸由59 L/min增加至104 L/min。由此可見噴孔直徑對耗氣量的影響遠(yuǎn)大于壓力對耗氣量的影響。

3.4 氣耗比α與噴孔直徑、噴射壓力之間關(guān)系

耗氣量與噴孔孔徑、噴氣壓力之間關(guān)系，在噴孔直徑、吹掃壓力、吹掃范圍和耗氣量之間尋求平衡，定義氣耗比。定義氣耗比α是吹掃范圍L與耗氣量Q之比的100倍，如下式所示：

由上式可知：耗氣量一定時，氣耗比與吹掃范圍成正比；吹掃范圍一定時，氣耗比與耗氣量成反比。氣耗比越大則在消耗相同體積的壓縮空氣所覆蓋的面積越大，壓縮空氣的利用率也就越大，說明經(jīng)濟(jì)性較好。模擬計算結(jié)果如圖9所示。

由以上模擬結(jié)果可知：

1）在噴孔直徑1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，壓力 5 bar，10 bar，15 bar，20 bar，25 bar，30 bar的條件下，耗氣比在14～66之間。

2）噴孔直徑相同時，隨著壓力的增加，氣耗比逐漸減小。就本模型而言，隨著壓力的增大，吹掃的經(jīng)濟(jì)性逐漸變差。

3）吹掃壓力相同時，隨著噴孔孔徑的增大，氣耗比逐漸減小，趨勢逐漸上揚。例如，壓力為10 bar時，孔徑由1 mm逐漸增加至2.5 mm時，耗氣比減小量Δα逐漸由25減小至8。由此可見，本模型中噴孔直徑越大，壓縮空氣吹掃的經(jīng)濟(jì)性也就越差。

4 結(jié) 語

本文基于Fluent軟件對SCR吹灰裝置的性能進(jìn)行分析，比較了噴孔孔徑、噴射壓力、吹掃范圍、吹掃強度、氣耗比、耗氣量之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1）在一定的作用強度范圍之內(nèi)，空氣速度與作用強度呈現(xiàn)出線性關(guān)系，空氣速度隨作用強度的增大而增大，通過模擬計算準(zhǔn)確地確定了作用強度與空氣速度的關(guān)系。

2）在壓縮空氣的壓力一定時，噴孔孔徑越小，吹掃范圍越小，耗氣量越小，氣耗比越大。要達(dá)到較大范圍的吹掃效果，應(yīng)該將噴孔的噴射壓力控制在20 bar以下，在20 bar上提高噴射壓力吹掃強度有所加強，但是效果不是很明顯。

3）當(dāng)壓縮空氣壓力控制在20 bar時，孔徑在1 mm到2 mm之間隨著孔徑的增大，吹掃范圍平均每毫米增加20 mm，耗氣量平均每毫米增加181 L/min。但是當(dāng)孔徑在2～2.5 mm之間時，隨著孔徑的增大，吹掃范圍平均每毫米增加12 mm，耗氣量平均每毫米增加270 L/min.。因此，從噴孔的性能角度出發(fā)，噴孔的大小應(yīng)該控制在2 mm。從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，孔徑越小氣耗比越高，尤其是當(dāng)孔徑小于1.5 mm時，其經(jīng)濟(jì)的性能提高十分顯著。

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