基于響應(yīng)面法SCR脫硝反應(yīng)器噴氨格柵的優(yōu)化研究

葉蒙蒙,錢付平*,王來勇,徐 兵,黃乃金,吳 昊（.安徽工業(yè)大學(xué),建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 4303；.安徽威達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?安徽 合肥 3004）

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,大量的含硫化合物、含氮化合物排入大氣中,引起大氣污染[1].同時(shí)我國政府對環(huán)境保護(hù)的力度不斷地加強(qiáng),如《節(jié)能減排“十三五”規(guī)劃》中提出,在2020年,要保證國內(nèi)SO2和NOx的排放總量相比于2015年要減少15%的約束性目標(biāo),表明近年來對大氣污染物排放的控制越來越嚴(yán)[2].2019年制定的《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》[3]中提出,焦化行業(yè)的NOx排放濃度不得高于 50mg/m3,為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),焦?fàn)t煙道氣體必須經(jīng)過凈化方能排放.

煙氣脫硝作為最重要的大氣污染控制技術(shù)之一,已成為工業(yè)企業(yè)達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的必要措施[4].煙氣脫硝市場上常用的技術(shù)有選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）[5-7].SNCR技術(shù)存在氨逃逸率高、脫硝效率低的問題,SCR技術(shù)氨逃逸率較低,脫硝效率可達(dá) 90%[6],且不會(huì)產(chǎn)生二次污染、技術(shù)成熟.為了進(jìn)一步降低焦?fàn)t煙氣中 NOx的排放,提升 SCR脫硝反應(yīng)器整體脫硝效率至關(guān)重要.因此許多學(xué)者針對系統(tǒng)內(nèi)混合氣體的均勻性和噴氨格柵的結(jié)構(gòu)改進(jìn)開展了相關(guān)研究.

Sayre等[8]通過數(shù)值模擬的方法,直觀展示了反應(yīng)器中煙氣流量不均勻性以及氨氮比分布不均勻性對SCR脫硝還原反應(yīng)整體的影響.Rogers等[9]分析得出氨氮比不均勻性對 SCR脫硝系統(tǒng)的效率影響是最大的也是最主要的.王為術(shù)等[10]采用數(shù)值模擬SCR發(fā)現(xiàn)流場均勻性降低時(shí),氨氮匹配效果會(huì)變差且脫硝系統(tǒng)效率降低.Jin等[11]在對 SCR脫硝系統(tǒng)建模分析研究時(shí),對噴氨格柵采用分區(qū)劃分的方式,對比不同噴氨方式劃分策略獲得了最優(yōu)的噴氨分布方案.方朝軍等[12]對SCR脫硝系統(tǒng)非均勻性噴氨現(xiàn)狀研究,提高了SCR脫硝系統(tǒng)脫硝效率.宋玉寶等[13]提出定期進(jìn)行噴氨格柵氨氣流量分配調(diào)整可以改善SCR脫硝反應(yīng)均勻性和降低局部氨逃逸.

Adams等[14]通過數(shù)值模擬對SCR脫硝反應(yīng)器的煙道和噴氨格柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).王樂樂等[15]通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出想要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器出口 NOx超低排放,關(guān)鍵在優(yōu)化噴氨格柵結(jié)構(gòu).Xiao等[16]對工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的 SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行測試調(diào)整,針對噴氨格柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的分析和優(yōu)化,得出適合該脫硝系統(tǒng)的噴氨格柵結(jié)構(gòu).

綜上,目前國內(nèi)外諸多學(xué)者對 SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)噴氨格柵的研究工作主要是針對噴氨格柵支管上噴口的流量控制方面,而對噴氨格柵噴口結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究相對較少,即使對噴氨格柵噴口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,也僅僅針對噴口孔徑和噴射方向的單方面因素,而未能將噴氨格柵的噴口密度、開孔率和噴口角度等多方面因素進(jìn)行綜合考慮.基于此,本文通過使用響應(yīng)面法以系統(tǒng)內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo),對噴氨格柵的噴口密度、開孔率和噴口角度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而得到系統(tǒng)內(nèi)噴氨格柵的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù).

1 數(shù)值模型的建立

1.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

響應(yīng)面法（RSM）作為一種科學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,是將數(shù)學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行了緊密的結(jié)合,其主要用來評價(jià)試驗(yàn)變量和優(yōu)化不同響應(yīng)變量之間的關(guān)系.其基本原理,首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出最符合實(shí)際條件的工況,接著通過計(jì)算得出相應(yīng)的數(shù)據(jù),然后通過回歸方程擬合出各變量與響應(yīng)值之間的關(guān)系式,緊接著研究與優(yōu)化各因素與響應(yīng)值間的作用和影響[17-18].根據(jù)上述基本原理,本文選用二次響應(yīng)面方程,并考慮所有的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和交互相,響應(yīng)面方程可表示為:

式中:Y 為響應(yīng)值;Xi為自變量;βi,βii,βij,分別代表一次、二次、交互作用項(xiàng)的回歸系數(shù);k是影響因素的數(shù)量;e為誤差.

為了更加高效簡便的計(jì)算響應(yīng)面方程中的回歸系數(shù),按照下式將所有變量進(jìn)行規(guī)范化處理.

本文的研究對象為某焦化廠 SCR脫硝反應(yīng)裝置,反應(yīng)器由上行煙道、水平煙道和下行煙道組成,煙氣經(jīng)上行煙道和水平煙道流動(dòng)至催化劑層進(jìn)行脫硝反應(yīng).該反應(yīng)器整體的幾何模型如圖 1（a）所示,系統(tǒng)內(nèi)噴氨格柵的幾何模型如圖1（b）所示,表1中給出了反應(yīng)器整體的幾何尺寸.

圖1 SCR反應(yīng)器及噴氨格柵幾何模型Fig.1 Geometric model of SCR reactor and ammonia injection grid

表1 SCR脫硝反應(yīng)器幾何尺寸Table 1 Geometry of SCR denitrification reactor

1.2 因素與響應(yīng)

本文主要研究 SCR脫硝反應(yīng)器中的噴氨格柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對 SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)還原劑濃度分布的影響,選用二次響應(yīng)面方程,以噴口密度 N、開孔率ψ、噴口角度α和反應(yīng)器進(jìn)口煙氣流量Q等四個(gè)影響因素,通過 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)（BBD）并采用四因素三水平方法對數(shù)值計(jì)算工況進(jìn)行設(shè)計(jì).BBD試驗(yàn)是RSM二級模型中的其中一種設(shè)計(jì)類型,此設(shè)計(jì)是二階三水平的擬合響應(yīng)面設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的試驗(yàn)次數(shù)可通過（3）式計(jì)算得到:

式中:K表示因素的個(gè)數(shù);C0表示中心試驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)次數(shù).

各影響因素的物理意義見式（4）、（5）.

式中:n為噴氨格柵的噴口數(shù),個(gè);A為噴氨區(qū)域橫截面面積,m2;

式中:A0為噴氨格柵的噴口面積和,m2;A為噴氨區(qū)域橫截面面積,m2;

噴口角度是噴氨格柵中噴口噴射的還原劑煙氣與煙道水平方向之間的夾角,用α表示.

通過計(jì)算,共需27次數(shù)值實(shí)驗(yàn).各因素取值范圍分別 N=7.95～11.36m-2、ψ=0.0178～0.0302,α=45～90°、Q=49.6～148.8萬m3/h[19].Q用進(jìn)口處Re表征,表2表示的是上述四個(gè)因素的最低和最高水平值.

表2 RSM模型中各因素的最低和最高水平值Table 2 The lowest and highest level values of each factor in RSM model

在 SCR脫硝反應(yīng)器中,首層催化劑入口處還原劑氨與煙氣中 NOx的混合均勻性是影響著反應(yīng)器整體脫硝效率和氨逃逸率的決定性因素.其中噴氨格柵的結(jié)構(gòu)對還原劑氨濃度場的均勻性有著重要的影響.還原劑氨濃度的均勻性評價(jià)可用濃度不均勻系數(shù)系數(shù)Cρ來進(jìn)行定量的衡量,其表達(dá)式如下:

式中:ci為測點(diǎn)氨濃度,kg/m3;n為斷面的測點(diǎn)數(shù);為測點(diǎn)斷面的平均氨濃度,kg/m3.

本次研究取首層催化劑入口處氨濃度不均勻系數(shù)作為衡量脫硝效果好壞的指標(biāo),并將其作為目標(biāo)函數(shù)Y,即響應(yīng)值.

1.3 數(shù)值計(jì)算模型

1.3.1 網(wǎng)格劃分 采用ICEM對SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)行網(wǎng)格劃分.由于噴氨格柵是重點(diǎn)的研究對象并且格柵附近、煙道的彎道處以及整流格柵上游處等是不規(guī)則的區(qū)域,所以對這些區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,并且進(jìn)行局部加密處理.對于反應(yīng)器的主體部分相對較為規(guī)則的區(qū)域,使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.

1.3.2 計(jì)算方法 SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)部計(jì)算區(qū)域的氣流為高度湍流狀態(tài),同時(shí)噴氨格柵噴出的氣流速度較大,本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程模型[20-21].并且 SCR脫硝反應(yīng)器中流動(dòng)介質(zhì)含有煙氣與氨氣,因此采用組分輸運(yùn)模型[22-23],控制方程如下:

式中:ρ為流體的密度,kg/m3;u為流體速度,m/s;ωi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Ji為組分i的擴(kuò)散通量;Ri為組分i的化學(xué)反應(yīng)速率;Si為源項(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率.模擬中只考慮氨氣與煙氣混合,不考慮物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng),故 Ri=Si=0.

1.3.3 邊界條件 SCR脫硝反應(yīng)器煙道的進(jìn)口截面設(shè)為速度入口（Velocity inlet）;噴氨格柵的噴口處截面設(shè)置為速度入口（Velocity inlet）,管道邊界設(shè)置為內(nèi)壁面（Internal wall）;熱風(fēng)管的噴口處截面設(shè)置為速度入口（Velocity inlet）,管道邊界設(shè)置為內(nèi)壁面（Internal wall）;靜態(tài)混合器、導(dǎo)流板和整流格柵作為反應(yīng)器內(nèi)部的整流裝置,邊界條件均設(shè)置為內(nèi)壁面（Internal wall）;反應(yīng)器出口截面設(shè)為壓力出口（Pressure outlet）,出口處靜壓值設(shè)置為0;反應(yīng)器的壁面邊界設(shè)置為固體壁面（wall）,采用無滑移邊界條件;反應(yīng)器內(nèi)催化劑層采用多孔介質(zhì)模型處理.

圖2 SCR脫硝反應(yīng)器網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model of SCR denitrification reactor

圖3 SCR脫硝反應(yīng)器的邊界條件Fig.3 Boundary conditions of SCR denitrification reactor

1.3.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證 在對 SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究之前,為了提高數(shù)值計(jì)算的精度,需要排除網(wǎng)格的數(shù)量對造成計(jì)算的影響.故對 SCR脫硝反應(yīng)器的幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性的檢驗(yàn),分別計(jì)算了在不同的網(wǎng)格數(shù)量下脫硝反應(yīng)器的壓力損失和首層催化劑上方500mm處截面的氨濃度.圖4為 SCR脫硝反應(yīng)器在一定的煙氣進(jìn)口流量下,網(wǎng)格數(shù)量對壓力損失和首層催化劑上方 500mm處截面的氨濃度的影響.由圖可知,在網(wǎng)格數(shù)量較少時(shí),反應(yīng)器進(jìn)出口的壓力損失隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而逐步的降低,呈現(xiàn)負(fù)增長的趨勢,后在網(wǎng)格數(shù)增加到450萬時(shí),反應(yīng)器進(jìn)出口阻力趨于穩(wěn)定;首層催化劑上方 500mm處截面的氨濃度隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加是不斷增大的,呈現(xiàn)正增長趨勢,同樣在網(wǎng)格數(shù)達(dá)到450萬時(shí),該截面處的氨濃度的變化趨勢已經(jīng)不明顯.綜合考慮數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性以及數(shù)值計(jì)算的成本,本文采用網(wǎng)格數(shù)為450萬的網(wǎng)格模型.

圖4 網(wǎng)格數(shù)對SCR脫硝反應(yīng)器壓力損失和氨濃度分布的影響Fig.4 Effect of grid number on pressure drop and ammonia concentration distribution in SCR denitrification reactor

1.3.5 計(jì)算工況 本文主要模擬了由響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)得到的 27種不同噴氨格柵結(jié)構(gòu)工況下反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布均勻性,并計(jì)算得到了每種工況下首層催化劑上方 500mm截面處的氨濃度分布不均勻系數(shù)值,工況以及對應(yīng)的氨濃度分布不均勻系數(shù)值在下文表3中給出.

1.4 數(shù)值計(jì)算模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,本文采用EM-5型煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)對SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測,在系統(tǒng)的不同入口風(fēng)速條件下,將SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)出口的壓力損失和溫度差的數(shù)值模擬結(jié)果與 EM-5監(jiān)測所得的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較,所得的壓力損失關(guān)系如圖 5（a）所示,溫度差關(guān)系如圖 5（b）所示.由圖可以看出,實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間存在著一定量的偏差,反應(yīng)器壓力損失和溫度差的最大誤差在 11.8%以內(nèi),表明本文采用的 k-ε湍流模型對 SCR脫硝反應(yīng)器的流場進(jìn)行模擬是可行的.為了探究反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布均勻性與反應(yīng)器整體脫硝效率之間的關(guān)系,在系統(tǒng)的不同入口風(fēng)速條件下,將SCR脫硝反應(yīng)器首層催化劑上方500mm處截面數(shù)值計(jì)算模擬的氨濃度分布不均勻系數(shù)與EM-5監(jiān)測所得的反應(yīng)器出口的脫硝效率進(jìn)行比較.從圖 6可知,SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)的氨濃度分布不均勻系數(shù)與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的脫硝效率之間存在著負(fù)增長的定性關(guān)系,所以氨濃度分布不均勻系數(shù)可作為SCR脫硝反應(yīng)器整體脫硝效率的評價(jià)指標(biāo),而且表明采用k-湍流模型和組分運(yùn)輸模型對SCR脫硝反應(yīng)器的氨濃度場進(jìn)行模擬是完全可行的[13,24].

圖5 SCR脫硝反應(yīng)器壓力損失及溫度差實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對比Fig.5 Comparison of experimental and simulated system pressure drop and system temperature difference

圖6 SCR脫硝反應(yīng)器氨濃度不均勻系數(shù)與脫硝效率的對比Fig.6 Comparison of ammonia concentration non-uniformity coefficient and denitrification efficiency

2 結(jié)果與分析

2.1 模型的方差分析

表3給出了不同工況下數(shù)值計(jì)算得到的氨濃度分布不均勻系數(shù)值.

表3 各工況下SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)的氨濃度分布不均勻系數(shù)值Table 3 Non-uniformity coefficient of ammonia concentration distribution in SCR denitrification reactor under various working conditions

續(xù)表3

表4給出了氨濃度分布不均勻系數(shù)Y的二階模型的方差分析.表中的 P值表示特定變量的影響是否顯著,尤其是模型中存在其他變量的條件下.通常情況下,當(dāng)P≤0.05時(shí),此時(shí)因素的影響是非常顯著的;并且因素對目標(biāo)函數(shù)的影響隨著 P值的減小,將變得越發(fā)的顯著;當(dāng) P值較小時(shí),表明計(jì)算結(jié)果與模型的吻合度較高,亦可證明此計(jì)算的準(zhǔn)確性[25].

表4 二階模型的方差分析Table 4 Variance analysis of second order model

表5給出了以編碼形式表示的SCR脫硝反應(yīng)器氨濃度分布均勻性的回歸系數(shù),由表中可得出,因素常數(shù)項(xiàng),一次項(xiàng) X1、X3,二次項(xiàng) X1×X1、X4×X4等對 SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)高度顯著,交互項(xiàng)X3×X4對SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)顯著,其余項(xiàng)均不顯著.

表5 SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)的氨濃度分布不均勻系數(shù)Y的回歸系數(shù)（編碼）Table 5 Regression coefficient（coded）of non-uniform coefficient Y of ammonia concentration distribution in SCR denitrification reactor

表6為以非編碼形式表示的SCR脫硝反應(yīng)器氨濃度分布均勻性的回歸系數(shù),由表 6可獲得目標(biāo)函數(shù)的二次響應(yīng)面方程為:

表6 SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)的氨濃度分布不均勻系數(shù)Y的回歸系數(shù)（非編碼）Table 6 Regression coefficient（non-coded）of non-uniform coefficient Y of ammonia concentration distribution in SCR denitrification reactor

2.2 分析與討論

圖7為各因素交互影響下SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)Y的響應(yīng)曲面圖.圖7（a）給出了響應(yīng)值 Y（氨濃度不均勻系數(shù)）與影響因素 X1（噴口密度N）、X2（開孔率 ψ）之間的關(guān)系,由圖可知,因素 X3（噴口角度 α）和 X4（反應(yīng)器進(jìn)口 Re）保持不變時(shí),因素 N 對SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)的影響比因素 ψ更加顯著;反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)響應(yīng)值Y隨因素N的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,因素ψ的增加對氨濃度分布不均勻系數(shù)響應(yīng)值Y影響程度較小.氨氮混合均勻性與氨濃度分布均勻性具有一致性[26],高暢等[27]研究結(jié)果表明隨著噴口密度N增大可改善氨氮混合效果 ,可認(rèn)為噴口密度N增大將使得氨濃度分布均勻性提高,因此本文研究的結(jié)果與高暢等人研究結(jié)果在N較小時(shí)趨勢一致.當(dāng)噴口密度繼續(xù)增大,氨濃度分布不均勻系數(shù)增加,是因?yàn)閲娍跀?shù)量過于密集,影響了噴氨格柵下方的來流煙氣的流動(dòng)均勻性,從而間接導(dǎo)致氨濃度分布均勻性下降.

圖7 不同因素對SCR脫硝器系統(tǒng)氨濃度分布不均勻系數(shù)的影響Fig.7 Influence of different factors on the non-uniformity coefficient of ammonia concentration distribution in SCR denitrification reactor

圖7（b）表示響應(yīng)值Y與因素N、α之間的關(guān)系,由圖可知,當(dāng)因素ψ和Re保持不變時(shí),因素N對SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)的影響比因素 α更加顯著;反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)響應(yīng)值Y隨因素N的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,隨著因素α的增加,響應(yīng)值Y呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,但其影響程度較低,變化趨勢不顯著.

圖7（c）表示響應(yīng)值Y與因素N、Re之間的關(guān)系,由圖可知,當(dāng)因素ψ和α保持不變時(shí),因素N對SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)的影響比因素Re更加顯著;反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)響應(yīng)值Y隨因素Re的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,隨著因素N增大,此時(shí)響應(yīng)值Y主要受因素N影響.

圖7（d）表示響應(yīng)值Y與因素ψ、α之間的關(guān)系,由圖可知,當(dāng)因素N和Re保持不變時(shí),因素α對SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)的影響比因素 ψ更加顯著;反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)響應(yīng)值Y隨因素ψ的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,隨著因素α的增大,此時(shí)響應(yīng)值Y主要受因素α影響.

圖7（e）表示響應(yīng)值Y與因素ψ、Re之間的關(guān)系,由圖可知,當(dāng)因素N和α保持不變時(shí),因素ψ對SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)的影響比因素Re更加顯著;反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)響應(yīng)值Y隨因素Re的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,隨著因素ψ的增大,此時(shí)響應(yīng)值Y的變化主要受因素ψ影響,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.

圖7（f）表示響應(yīng)值Y與因素α、Re之間的關(guān)系,由圖可知,在因素N和ψ保持不變的條件下,并且在因素 α的值相對較小時(shí),隨著因素 Re的不斷增大,響應(yīng)值Y呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢;但當(dāng)因素α增大時(shí),響應(yīng)值 Y呈現(xiàn)線性減小的趨勢,并且趨勢較為明顯,此時(shí)因數(shù)α對響應(yīng)值Y的影響程度較因素Re更加顯著.高暢等的研究結(jié)果表明噴口角度 α變大可以減小氨氮比相對標(biāo)準(zhǔn)差,即善氨氮混合效果[27],又因?yàn)榘钡旌暇鶆蛐耘c氨濃度分布均勻性具有一致性[26],因此本文研究的結(jié)果與高暢等人研究結(jié)果具有一致性.

圖 8表示變量優(yōu)化的結(jié)果.從圖中可以看出,隨著噴口密度（X1）、開孔率（X2）、噴口角度（X3）、入口風(fēng)速表示成的雷諾數(shù)（X4）的增加,反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)值 Y在一定范圍內(nèi)是減小的,且四因素對反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)Y的影響顯著順序?yàn)?N＞α＞v＞ψ.復(fù)合合意性為 0.99890,非常接近1,表明四個(gè)變量的總體優(yōu)化能夠?yàn)轫憫?yīng)值達(dá)到一個(gè)較好的結(jié)果.

圖8 SCR脫硝反應(yīng)器運(yùn)行條件與噴氨格柵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Operation conditions of SCR denitrification reactor and structural parameters optimization results of ammonia injection grid

當(dāng)噴氨格柵r=8個(gè)、d=57mm、α=90°、v=8.17m/s（N=9.10m-2、ψ=0.024、α=90°、v=8.17m/s）時(shí),SCR 脫硝反應(yīng)器內(nèi)部氨濃度分布不均勻系數(shù)響應(yīng)值Y的復(fù)合意性為 0.99890,表明此工況下,獲得較低的氨濃度分布不均勻系數(shù)的期望是較高的.根據(jù)參數(shù)r=8個(gè)、d=57mm、α=90°、v=8.17m/s建立 SCR脫硝反應(yīng)器整體三維模型,進(jìn)行數(shù)值模擬后,得出首層催化劑上方截面處的氨濃度分布不均勻系數(shù)的值為0.0144,通過與回歸方程得到的結(jié)果（Y=0.0151）進(jìn)行比對,可得到二者之間的誤差僅為4.86%,所以可以得出,通過響應(yīng)值Y的二次回歸方程來優(yōu)化預(yù)測反應(yīng)器內(nèi)截面處的氨濃度分布不均勻系數(shù)的值是完全可行的.

3 結(jié)論

3.1 通過對SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)出口的壓力損失、溫度變化和整體的脫硝效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,并將實(shí)驗(yàn)和模擬二者之間得到的結(jié)果進(jìn)行分析比對,發(fā)現(xiàn)其中最大誤差在11.8%以內(nèi),說明采用k-ε模型及組分輸運(yùn)模型對 SCR脫硝反應(yīng)器的流場和濃度場進(jìn)行數(shù)值模擬是完全可行的.

3.2 通過數(shù)值模擬得到,反應(yīng)器內(nèi)氨濃度分布不均勻系數(shù)值可定性的表示反應(yīng)器整體的脫硝效率.通過方差分析及回歸系數(shù)的顯著性分析可知,N（噴口密度）,ψ（開孔率）,α（噴口角度）及 v（入口風(fēng)速）對氨濃度分布不均勻系數(shù)均有影響,對其影響的顯著性為N＞α＞v＞ψ.

3.3 在本文上述研究的各參數(shù)范圍內(nèi),有著最優(yōu)的格柵結(jié)構(gòu)參數(shù)和最佳運(yùn)行條件使 SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)的氨濃度分布不均勻系數(shù)達(dá)到最優(yōu)值,該值為0.0151.噴氨格柵最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別是:r=8個(gè)、d=57mm、α=90°,系統(tǒng)最佳的運(yùn)行參數(shù)為v=8.17m/s.