船用高壓SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計與流場分析

周士龍，劉 洋，陳祖睿，朱良兵

(1.揚州中遠(yuǎn)海運重工有限公司，江蘇 揚州 225211；2.中國船舶集團有限公司第七一一研究所環(huán)裝部，上海 200090)

1 引言

氮氧化物 (NOx) 是大氣污染物中主要污染物之一, 也是柴油機排放主要污染物[1]。目前，隨著船舶數(shù)量的急劇增加，船舶柴油機煙氣排放污染物也越來越多，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，煙氣中僅氮氧化物NOx的排放量年排放量可達1275萬t[2]。船舶柴油機煙氣污染物導(dǎo)致的環(huán)境問題越來越嚴(yán)重。為防止船舶柴油機煙氣污染物繼續(xù)污染海洋、河流及大氣環(huán)境，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)頒布的《MARPOL公約》中對船舶柴油機煙氣污染物中NOx濃度限制做出了明確規(guī)定：2016年后在指定的排放控制區(qū)內(nèi)(Emission Control Areas, ECA)，柴油機轉(zhuǎn)速n<130 r/min的排放限值為3.4 g/(kW·h)[3,4]。

根據(jù)現(xiàn)有的控制技術(shù)水平，僅僅通過柴油機內(nèi)部凈化措施，已經(jīng)很難滿足如此嚴(yán)苛的法規(guī)要求，必須采取煙氣排放后處理技術(shù)才能有效降低煙氣中NOx的排放水平。目前最常用的控制煙氣中NOx的技術(shù)為煙氣再循環(huán)洗滌技術(shù)(Exhaust Gas Recirculation, EGR)和選擇性催化還原技術(shù)(Selective Catalytic Reduction, SCR)[5～7]。SCR技術(shù)是以催化劑為核心，將柴油機尾氣中的NOx與尾氣中添加的還原劑進行氧化還原反應(yīng)，促使NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O，其中還原劑主要是以尿素?zé)峤猱a(chǎn)生的NH3[8]。相較于EGR技術(shù)而言，初期投資相對較少，而且脫硝效率更高，NOx排放控制效果更好。SCR技術(shù)是目前國內(nèi)外研究重點，歐美發(fā)達國家率先建立船舶排放區(qū)，控制船舶排放，在船用柴油機氫氧化氫后處理的理論和實踐上處于世界領(lǐng)先地位。其中，荷蘭、瑞士、德國和美國是造船業(yè)最發(fā)達的國家，是最早開發(fā)船用柴油機SCR系統(tǒng)的國家[9～12], Johnson等[13]在船用SCR系統(tǒng)中對尿素噴射系統(tǒng)進行設(shè)計和測試以實現(xiàn)噴射的單獨控制,該系統(tǒng)可以達到Tier Ⅲ階段的標(biāo)準(zhǔn)。Wataru等[14]研究NO的形成機理并降低其排放,進行了試驗和化學(xué)動力學(xué)模擬研究。結(jié)果表明,與NH3和NO有關(guān)的反應(yīng)在氧化催化劑中產(chǎn)生NO,并且其峰值出現(xiàn)在200 ℃的排氣溫度附近。同時優(yōu)化催化量和尿素注入量以減少NH3泄漏。唐小亮等[15]通過對比SCR還原劑制備方法得到催化水解法和高溫?zé)煔馀月分眹姛峤夥ňC合性能最優(yōu)。肖麗琴等[16]對SCR催化劑結(jié)構(gòu)研究，得到催化劑長度、橫截面積、孔密度等參數(shù)對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。

根據(jù)SCR反應(yīng)器安裝位置的不同，SCR反應(yīng)器主要分為低壓SCR反應(yīng)器(安裝在增壓器后)和高壓SCR反應(yīng)器(安裝在增壓器前)。常規(guī)低速二沖程柴油機在正常工況下，增壓器后的排氣溫度為250 ℃左右，而SCR反應(yīng)器的最佳工作溫度范圍為340 ℃左右。故對于低壓SCR反應(yīng)器，需要增加額外的預(yù)熱裝置來升高柴油機煙氣的溫度。正常情況下，增壓器前柴油機煙氣的溫度比增壓器后的煙氣溫度高50～175 ℃，滿足SCR反應(yīng)器的工作溫度要求。

本文擬在某型船增壓器前設(shè)置一套高壓SCR系統(tǒng)，設(shè)計一臺高壓SCR反應(yīng)器，并對該反應(yīng)器進行內(nèi)部流場仿真分析，計算反應(yīng)器內(nèi)部催化劑入口截面尿素與煙氣的混合均勻度，以及反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的壓力損失。

2 高壓SCR脫硝反應(yīng)器設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)

某型船高壓SCR設(shè)計輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 高壓SCR反應(yīng)器設(shè)計輸入?yún)?shù)

2.2 高壓SCR反應(yīng)器設(shè)計

本文涉及的SCR反應(yīng)器工況溫度為429 ℃，排氣壓力4.29 bar，廢氣風(fēng)量67320 kg/h。根據(jù)型譜設(shè)計確定反應(yīng)器長度5200 mm，直徑為2000 mm。根據(jù)理想氣體方程(如式(1)所示)得到當(dāng)前工況下煙氣密度為2.13 kg/m3

(1)

式(1)中,P為絕對壓力(pa)，M為摩爾質(zhì)量(g/mol)，R為通用氣體常數(shù)，T為溫度(K)。

反應(yīng)器中催化劑截面流速均勻性直接影響到催化劑的催化效率，為提高催化劑截面流速均勻性，需要控制反應(yīng)器入口處的流速在23 m/s，結(jié)合煙氣工況密度及推薦流速，得到入口處管徑推薦值為700 mm，反應(yīng)器外形示意如圖1所示。由于反應(yīng)器進口變徑的存在，會導(dǎo)致催化劑截面前的流速均勻性較低，本文反應(yīng)器在入口變徑處添加三環(huán)導(dǎo)流器，將常規(guī)導(dǎo)流器的導(dǎo)流板逆時針旋轉(zhuǎn)45°，使導(dǎo)流板分割區(qū)域與催化劑布置區(qū)域保持一致；且在內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間增加一個中間導(dǎo)流環(huán)(以下簡稱中環(huán))，使一部分流體繼續(xù)向中環(huán)與外環(huán)之間分流，導(dǎo)流器剖面示意如圖2所示。

圖1 高壓SCR反應(yīng)器示意

圖2 高壓SCR反應(yīng)器導(dǎo)流器剖面示意

根據(jù)催化劑尺寸和使用要求，現(xiàn)將4塊催化劑封裝成一組，封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 催化劑封裝結(jié)構(gòu)尺寸示意(mm)

由于催化劑數(shù)量較大，單層擺放過流截面積較大，氣流難以均勻流過整個截面，容易造成流場不均，因此，在反應(yīng)器中將催化劑布置為前中后3層。

3 流場分析

為分析該高壓SCR反應(yīng)器內(nèi)部流場以及壓力損失情況，本文采用CFD數(shù)值模擬的方法，對反應(yīng)器內(nèi)部流場進行計算。抽取的反應(yīng)器內(nèi)部流體域如圖4所示。計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，考慮溫度的作用，進口為massflow-inlet，進口23.25 kg/s，出口為pressure-outlet；煙氣各組分質(zhì)量百分比：CO2為7.66%；N2為72.76%；O2為14.25%; H2O為5.32%。

微量氣體忽略，平均分子量28.46。煙氣平均密度2.125 kg/m3，定壓比熱容1.151 kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)5.70E-2W/(m·k)，粘性系數(shù)33.25E-6Pa·s；以多孔介質(zhì)模型模擬催化劑區(qū)域阻力損失。

圖4 反應(yīng)器內(nèi)部流體域模型

4 計算結(jié)果與分析

4.1 反應(yīng)器內(nèi)部流場分析

該高壓SCR反應(yīng)器內(nèi)部流場計算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 催化劑入口截面速度分布

圖6 反應(yīng)器跡線分布

由圖5和圖6所見，SCR反應(yīng)器內(nèi)加裝導(dǎo)流器時反應(yīng)器內(nèi)無高速流體區(qū)域，其催化劑入口截面無高速面域，速度分布較為均勻。

以第一層催化劑入口截面流速均方根偏差系數(shù)表示截面速度的均勻度，其計算公式如下：

σ1=[∑(vi-v0)2/(n-1)]0.5/v0=[2110.7

/(4783-1) ]0.5/4.55 =14.62%

(2)

式(2)中：vi為截面上各樣本點流速(m/s)；v0為截面實際平均流速(m/s)；n為樣本點數(shù); ∑(vi-v0)2為各點流速方差求和，即高壓SCR反應(yīng)器內(nèi)加裝導(dǎo)流器時，催化劑截面的速度分布區(qū)域趨于一致，第一層催化劑進口截面流速均方根偏差系數(shù)為14.62%，小于15%，滿足船級社要求。

4.2 反應(yīng)器壓降分析

由于反應(yīng)器進口變徑和導(dǎo)流器等結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)氣體流動會產(chǎn)生一定擾動，存在一定的阻力損失；反應(yīng)器內(nèi)各壓力截面分布如圖7所示。

圖7 反應(yīng)器內(nèi)各壓力截面分布示意

由圖7所示，根據(jù)中心線所對應(yīng)的X軸位置，得到加裝導(dǎo)流器后反應(yīng)器內(nèi)各截面的壓力變化趨勢，如圖8所示。

圖8 加裝導(dǎo)流器后反應(yīng)器內(nèi)各截面的壓力變化趨勢

由圖8所示，從X=-2.2 m(反應(yīng)器入口)到X=5.2 m(反應(yīng)器出口)截面，壓力降低1828 Pa，即為整個反應(yīng)裝置的阻力損失；從X=0 m(變徑入口)到X=1 m(變徑出口后)截面，壓力降低605 Pa，即為反應(yīng)器入口變徑和導(dǎo)流器總的阻力損失；從X=2.15 m(第一層催化劑入口)到X=4.15 m(第三層催化劑出口)截面，壓力降低1700 Pa，即為三層催化劑的總壓降，每層催化劑的壓降為567 Pa。從X=4.4 m(反應(yīng)器出口變徑口)到X=5.2 m(反應(yīng)器出口)截面，壓力降低480 Pa，即為反應(yīng)器出口變徑的阻力損失；綜上，除去催化劑阻力損失外反應(yīng)器其他部位阻力總阻力損失為1132 Pa，因此高壓SCR反應(yīng)器的總壓損為2832 Pa，小于36 mbar，滿足壓降要求。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)主機廠提供的柴油機參數(shù)，本文設(shè)計了一臺包括煙氣導(dǎo)流裝置的高壓SCR反應(yīng)器。經(jīng)過CFD仿真計算，本設(shè)計在反應(yīng)器入口處添加三層導(dǎo)流器有效提高了反應(yīng)器內(nèi)速度流暢分布均勻性，第一層催化劑入口截面流速均方根偏差系數(shù)為14.62%，小于15%，滿足船級社要求。同時考慮增加導(dǎo)流裝置對反應(yīng)器壓降的影響，模擬結(jié)果表明此設(shè)計總壓損為2832 pa，滿足高壓反應(yīng)器壓力損失的設(shè)計要求。本設(shè)計對船用SCR反應(yīng)器內(nèi)部流場改善具有指導(dǎo)意義。