船用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)流場均勻性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

肖飛 朱良兵

摘要：以某拖輪柴油機(jī)排放煙氣為處理對象，通過Fluent軟件進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)流場數(shù)值計算，探究煙氣催化還原脫硝系統(tǒng)內(nèi)的流場分布，并以催化劑入口橫截面的速度均勻性、速度偏角、氨濃度均勻性為指標(biāo)，對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，在系統(tǒng)反應(yīng)器中安裝導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，能有效提高催化劑入口煙氣的均勻性，此時催化劑入口的速度均勻性、速度偏角、氨濃度均勻性分別為12.8%、7.05%、9.03%。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)煙氣;選擇性催化還原;數(shù)值計算;均勻性

0 ? ?引言

目前主要通過選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)控制船用柴油機(jī)排放尾氣中氮氧化物的含量。SCR脫硝技術(shù)的基本原理是以催化劑為核心，柴油機(jī)尾氣中的NOx與添加的還原劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，促使NOx轉(zhuǎn)化為無害的N2和H2O，其中船用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)使用的還原劑主要是以尿素?zé)峤猱a(chǎn)生的NH3[1]。

本文以某6 000 t拖輪主柴油機(jī)排放煙氣為處理對象，以催化劑入口的速度均勻性、速度偏角、氨濃度均勻性為指標(biāo)，對SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)的流場分布進(jìn)行分析，探究催化劑入口橫截面的流場均勻性。

催化劑入口橫截面的速度均勻性、速度偏角、氨濃度均勻性等指標(biāo)對系統(tǒng)整體的脫硝效率均有較大影響。速度不均勻、速度偏角過大、氨濃度不均勻會導(dǎo)致局部催化劑區(qū)域過載、反應(yīng)過于集中、氨逃逸量過大等問題，均會造成脫硝反應(yīng)效率嚴(yán)重下降。中國船級社（China Classification Society，CCS）頒布的SCR系統(tǒng)指南中明確要求須對SCR系統(tǒng)進(jìn)行廢氣流場均勻度計算，要求還原劑氨通過催化劑入口橫截面時，其濃度在該截面上的均勻度不低于85%[2]。同時，參考陸用領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)——我國國家能源局與工業(yè)和信息化部均制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，要求在100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continue Rate，BMCR）工況下，在第一層催化劑入口處煙氣流速均勻度、煙氣速度偏角、煙氣溫度偏差系數(shù)、NH3/NOx摩爾比偏差系數(shù)均須滿足相關(guān)要求，如表1所示。

1 ? ?SCR脫硝系統(tǒng)裝置

某6 000 t拖輪主柴油機(jī)尾氣脫硝系統(tǒng)主要由混合管路、SCR反應(yīng)器、尿素噴射單元、尿素存儲單元、控制系統(tǒng)等裝置組成。本文主要針對SCR反應(yīng)器內(nèi)的流場進(jìn)行分析，延長反應(yīng)器入口管路后SCR反應(yīng)器的內(nèi)流場模型如圖1所示，模型尺寸與實際裝置尺寸為1：1。

某6 ?000 t拖輪主柴油機(jī)尾氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)口風(fēng)量12 ?900 Nm3/h，煙氣溫度最高550 ℃，SCR反應(yīng)器中設(shè)置2層催化劑。

2 ? ?流場分析

2.1 ? ?網(wǎng)格劃分

根據(jù)該模型特點，采用Ansys meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型如圖2所示。

2.2 ? ?數(shù)學(xué)模型選擇

為分析某6 000 t拖輪主機(jī)SCR系統(tǒng)內(nèi)流場與氨濃度分布情況，本次計算采用CFD數(shù)值模擬的方法。

2.2.1 ? ?連續(xù)相模型

柴油機(jī)尾氣從煙氣反應(yīng)器入口以一定速度進(jìn)入，經(jīng)過一定長度的管道后，進(jìn)入催化反應(yīng)段，尾氣中的NOx在催化劑內(nèi)表面與還原劑發(fā)生反應(yīng)，去除尾氣中絕大部分的氮氧化物，然后從反應(yīng)器出口排除。

本文計算流體的雷諾數(shù)Re為75 808>4 000[5-6]，因此，針對柴油機(jī)尾氣，需應(yīng)用連續(xù)相湍流模型。本文采用Realizable k-ε模型對連續(xù)相柴油機(jī)尾氣進(jìn)行數(shù)值計算，其控制方程如式（2）（3）所示[7]。

湍動能k的微分方程：

+=μ

+

+

Gk+Gb-ρε-YM+Sk ? ?（2）

脈動動能耗散率的微分方程：

+=μ

+

+

C1Eε-C2ρ+Sε ?（3）

式中：μ為湍流粘度（Pa·s）;ρ為湍流密度（kg/m3）;ui、uj為湍流時均速度（m/s）;Gk為由時均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;Gb為由浮升力引起的湍動能的產(chǎn)生項，對不可壓縮流體，有Gb=0;YM為可壓縮流中的脈動擴(kuò)張項，對不可壓縮流體，有YM=0;C1、C2為經(jīng)驗常數(shù)，C2=1.9;σk、σε分別為湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)，σk=1.0，σε=1.2;Sk、Sε為用戶定義的源項。

計算不可壓縮氣體模型，由于溫度對流體密度、粘度影響較大，因此加載能量方程;另外，柴油機(jī)尾氣是多組分混合物，故采用組分輸運模型模擬計算尾氣的實際流動情況。

2.2.2 ? ?化學(xué)反應(yīng)模型

SCR技術(shù)常用的還原劑是尿素?zé)峤馍傻腘H3，尿素?zé)峤夥磻?yīng)方程式如式（4）（5）（6）所示。

CO（NH2）2·5H2O（aq）→CO（NH2）2（s）·5H2O ?（4）

CO（NH2）2（s）→NH3+HNCO ? ? ? （5）

HNCO+H2O→NH3+CO2 ? ? （6）

當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的尿素從噴槍中以一定的速度、噴射角度進(jìn)入柴油機(jī)尾氣中時，溶液中的水開始蒸發(fā)，待水分蒸發(fā)完全，生成固態(tài)的尿素顆粒，此時尿素顆粒開始受熱分解，生成異氰酸和氨氣[8]。另外，異氰酸也會和水反應(yīng)生成氨氣和二氧化碳。

考慮到尿素?zé)峤夥磻?yīng)，在加載組分輸運模型的同時，也加載有限速率化學(xué)反應(yīng)模型，計算流體流動過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況。

2.2.3 ? ?離散相模型

在尿素噴射進(jìn)入柴油機(jī)尾氣的過程中，尿素溶液以液滴的形式進(jìn)入反應(yīng)器，因此采用DPM模型計算尿素噴射的情況，噴嘴模型采用空氣輔助霧化噴嘴模型，噴嘴噴射角度為15°，尿素噴射流量為18 L/h，輔助空氣背壓為300 kPa（3 bar）。

2.3 ? ?邊界條件

進(jìn)口邊界條件為mass-flow-inlet，速度為4.62 kg/s，溫度為390 ℃。

出口邊界條件為pressure-outlet，出口回流溫度為390 ℃，出口回流組分為煙氣。

2.4 ? ?計算結(jié)果與分析

某6 000 t拖輪主機(jī)SCR反應(yīng)器催化劑入口橫截面柴油機(jī)尾氣流速及氨濃度分布云圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，催化劑截面的中心區(qū)域明顯呈高流速，同時中心位置氨濃度也高，這會導(dǎo)致中心區(qū)域的催化劑過載，氨逃逸濃度升高，催化還原反應(yīng)效率嚴(yán)重下降，從而使反應(yīng)器出口的尾氣中NOx濃度超標(biāo)。

為定量分析催化劑入口截面速度和氨濃度分布的不均勻性，以RSD公式進(jìn)行評價。其中，RSD越大，分布越不均勻，對反應(yīng)器脫硝效果越不利。通過式（1）計算出催化劑入口截面的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、速度偏角、NH3/NOx的摩爾比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為21.76%、11.02%、30.24%。由此可見，此時反應(yīng)器內(nèi)催化劑入口橫截面的流場均勻性較差，尾氣與還原劑的混合均勻度也較差。因此，須對反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 ? ?反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)流場分布，在反應(yīng)器入口后面（圓變方的區(qū)域）增加一個導(dǎo)流裝置。增加導(dǎo)流裝置后的流體域模型如圖4所示。

對優(yōu)化后的流體域模型采用與本文第2節(jié)一樣的網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及采用相同的模型和邊界條件設(shè)置后，經(jīng)過計算，得到如圖5所示的計算結(jié)果。

從圖5可以看出，催化劑入口橫截面的流速及氨濃度分布較優(yōu)化前均較為均勻。通過公式（1）計算出催化劑入口截面的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、速度偏角、NH3/NOx的摩爾比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為12.8%、7.05%、9.03%。此計算結(jié)果滿足CCS規(guī)范要求。

4 ? ?結(jié)論

（1）未增加導(dǎo)流裝置前，SCR反應(yīng)器內(nèi)催化劑入口截面的流速以及氨濃度分布均勻性較差，催化劑入口截面的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、速度偏角、NH3/NOx的摩爾比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為21.76%、11.02%、30.24%。

（2）增加導(dǎo)流裝置后，SCR反應(yīng)器內(nèi)催化劑入口截面的流速以及氨濃度分布均勻性均有較大提升，此時催化劑入口截面的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、速度偏角、NH3/NOx的摩爾比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（不均勻度）分別為12.8%、7.05%、9.03%。此計算結(jié)果滿足CCS船級社規(guī)范中混合均勻度不低于85%的要求。

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收稿日期：2020-07-28

作者簡介：肖飛（1987—），男，陜西紫陽人，工程師，研究方向：船舶環(huán)保技術(shù)。