ANSYS在高校《材料力学》教学中的应用

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1 SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 方 法 研 究 及 应 用 [ 叶 兴 联, 联 系 邮 箱 [ 国 家 环 境 保 护 电 力 工 业 烟 尘 治 理 工 程 技 术 中 心, 福 建 龙 净 环 保 股 份 有 限 公 司,364000] [ 摘 要 ] CFD 数 值 模 拟 是 SCR 脱 硝 流 场 优 化 的 主 要 方 法, 为 了 实 现 对 SCR 脱 硝 流 场 高 效 率 优 化, 提 出 了 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 设 计 方 法, 分 步 骤 对 SCR 脱 硝 二 维 三 维 流 场 进 行 数 值 模 拟 优 化, 大 大 缩 短 了 单 个 SCR 脱 硝 项 目 流 场 优 化 时 间, 为 SCR 脱 硝 流 场 优 化 提 供 有 效 指 导 方 法 结 合 物 模 试 验 验 证,SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 结 果 是 准 确 可 靠 的 [ 关 键 词 ] SCR 脱 硝, 流 场 优 化, 多 维 度, 数 值 模 拟 Research and Application of Multi-dimension Numerical Simulation Optimization for SCR DeNOx Flow Filed [Xinglian Ye, [State Environmental Protection Engineering Center for Power Industrial Dust Control, Fujian Longking Co., Ltd., ] [ Abstract ] CFD has been the main method of optimization for SCR DeNOx flow field. In order to optimize the SCR DeNOx flow field efficiently, we propose multi-dimension numerical simulation method. With 2D and 3D numerical simulation successively, the time of flow field optimization for a single SCR DeNOx project can be reduced greatly. Therefore, multi-dimension numerical simulation method can provide effective guidelines for SCR DeNOx flow field optimization. Via physical model test verification, it reveals that multi-dimension numerical simulation results are accurate and reliable. [ Keyword ] SCR DeNOx, flow field optimization, multi-dimension, numerical simulation. 1 前 言 SCR(Selective Catalytic Reduction, 选 择 性 催 化 还 原 ) 脱 硝 技 术 具 有 占 地 面 积 小 脱 硝 效 率 高 技 术 成 熟 等 优, 是 当 前 应 用 最 广 泛 的 烟 气 脱 硝 技 术 [1~3] 它 的 基 本 原 理 是 将 稀 释 后 的 还 原 剂 氨 气 喷 入 到 温 度 为 290~430 的 烟 气 中, 烟 气 与 氨 气 进 行 均 匀 混 合 后, 在 催 化 剂 的 作 用 下 氨 气 和 氮 氧 化 物 发 生 氧 化 还 原 反 应 使 氮 氧 化 物 被 还 原 成 无 害 的 氮 气 和 水 脱 硝 效 率 氨 逃 逸 率 催 化 剂 使 用 寿 命 是 评 价 SCR 脱 硝 性 能 优 劣 的 主 要 依 据, 在 工 程 实 践 中, 除 了 催 化 剂 自 身 条 件 外, 流 场 是 影 响 SCR 脱 硝 性 能 的 关 键 因 素 [4~6] 理 想 的 流 场 不 但 可 以 提 高 SCR 脱 硝 效 率, 降 低 氨 逃 逸 率, 而 且 可 以 减 少 催 化 剂 因 低 速 气 流 积 灰 堵 塞 或 1

2 高 速 气 流 冲 刷 磨 损, 从 而 延 长 催 化 剂 的 使 用 寿 命, 因 此 SCR 脱 硝 工 程 需 要 对 流 场 进 行 优 化 设 计 目 前 在 工 程 应 用 中, 普 遍 采 用 CFD(Computational Fluid Dynamic, 计 算 流 体 力 学 ) 数 值 模 拟 方 法 对 SCR 脱 硝 进 行 优 化 设 计 [7,8], 在 SCR 脱 硝 装 置 内 部 布 置 气 流 和 氨 浓 度 均 布 装 置, 包 括 导 流 板 整 流 格 栅 混 合 器 等, 之 后 再 结 合 冷 态 物 模 试 验 做 辅 助 验 证, 并 最 终 确 定 SCR 脱 硝 装 置 内 部 具 体 结 构 [9~12] 在 数 值 模 拟 阶 段 主 要 是 对 气 流 和 氨 浓 度 均 布 装 置 位 置 数 量 尺 寸 进 行 调 整 使 流 场 达 到 以 下 优 化 指 标 [13,14] : 1 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 分 布 均 匀, 速 度 相 对 标 准 偏 差 小 于 15%; 2 首 层 催 化 剂 前 断 面 氨 浓 度 分 布 均 匀, 浓 度 相 对 标 准 偏 差 小 于 5%; 相 对 标 准 偏 差 值 是 定 量 评 价 测 试 断 面 数 据 均 匀 性 的 依 据, 其 值 越 小 表 明 数 据 越 均 匀, 采 用 Cv 表 示 : 1 Cv x n x 2 i x i 1 n 1 (1) 式 中,Cv- 相 对 均 方 根 差 ;x i- 测 数 据, 如 速 度 浓 度 ; x - 测 平 均 值 ;n- 截 面 测 数 2 SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 方 法 SCR 脱 硝 流 场 优 化 难 在 于 使 首 层 催 化 剂 前 断 面 烟 气 速 度 和 氨 浓 度 分 布 均 匀,Cv 分 别 小 于 15% 和 5% 目 前, 采 用 数 值 模 拟 方 法 对 烟 气 SCR 脱 硝 装 置 内 流 场 优 化 主 要 依 据 经 验 在 变 径 烟 道 转 弯 烟 道 设 置 导 流 板 在 催 化 剂 前 设 置 整 流 格 栅 等 ( 如 图 1 所 示 ), 然 后 对 三 维 流 场 进 行 数 值 计 算, 并 不 断 对 导 流 装 置 结 构 数 量 位 置 尺 寸 进 行 调 整 直 至 流 场 满 足 SCR 脱 硝 优 化 设 计 要 求 由 于 SCR 脱 硝 流 场 数 值 模 拟 网 格 数 量 大 ( 可 能 多 达 一 千 万 ), 每 个 算 例 ( 每 次 调 整 对 应 于 一 个 算 例 ) 计 算 需 要 花 很 长 时 间 ; 另 外, 对 SCR 脱 硝 流 场 调 整 缺 乏 有 效 的 指 导 方 法, 具 有 一 定 盲 目 性, 要 使 流 场 达 到 优 化 设 计 要 求 需 要 经 过 很 多 次 调 整, 因 此 整 个 优 化 工 作 耗 时 量 大 导 流 板 喷 氨 格 栅 整 流 格 栅 变 径 烟 道 催 化 剂 导 流 板 图 1 某 电 厂 350MW 机 组 SCR 脱 硝 装 置 导 流 装 置 布 置 2

3 为 了 提 高 SCR 脱 硝 流 场 优 化 效 率, 本 文 提 出 了 SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 方 法, 可 大 大 缩 短 SCR 脱 硝 流 场 优 化 时 间 SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 方 法 是 指 分 步 骤 先 后 采 用 二 维 三 维 建 模 对 SCR 脱 硝 反 应 器 二 维 三 维 流 场 进 行 数 值 模 拟 优 化, 以 尽 可 能 减 少 流 场 调 整 次 数 和 节 省 每 个 算 例 的 计 算 时 间 为 思 路 将 流 场 调 整 至 满 足 SCR 脱 硝 流 场 优 化 指 标 SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 方 法 的 具 体 实 施 流 程 如 下 (1) 二 维 流 场 数 值 模 拟 优 化 按 SCR 脱 硝 反 应 器 结 构 主 视 图 ( 主 视 图 反 映 出 烟 气 沿 主 流 动 方 向 的 流 动 特 性 ) 进 行 二 维 建 模 和 流 场 数 值 模 拟 优 化, 二 维 流 场 优 化 过 程 不 对 喷 氨 模 拟, 只 对 气 流 分 布 进 行 数 值 计 算 在 主 流 动 方 向 加 装 导 流 装 置, 如 在 转 弯 烟 道 设 置 导 流 板 在 斜 坡 烟 道 设 置 小 挡 板 在 催 化 剂 前 设 置 整 流 格 栅 等, 并 对 主 流 动 方 向 导 流 装 置 调 整 使 喷 氨 格 栅 和 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 Cv 小 于 10% 时, 表 明 喷 氨 格 栅 和 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 分 布 充 分 均 匀, 主 流 动 方 向 上 的 导 流 装 置 结 构 即 可 确 定 下 来 由 于 喷 氨 格 栅 前 速 度 分 布 均 匀 性 影 响 着 催 化 剂 前 烟 气 速 度 和 氨 浓 度 分 布, 喷 氨 格 栅 前 速 度 分 布 越 均 匀, 首 层 催 化 剂 前 烟 气 速 度 和 氨 浓 度 分 布 也 越 均 匀, 因 此 需 要 在 二 维 流 场 优 化 中 要 求 喷 氨 格 栅 和 首 层 催 化 剂 前 速 度 Cv 均 小 于 10% 另 外, 要 求 首 层 催 化 剂 前 的 速 度 相 对 标 准 偏 差 小 于 10% 而 不 是 15%, 原 因 在 于 二 维 流 场 中 首 层 催 化 剂 前 的 速 度 分 布 越 均 匀, 对 三 维 流 场 中 首 层 催 化 剂 前 的 速 度 均 匀 分 布 越 有 利 在 二 维 流 场 优 化 数 值 模 拟 中, 由 于 二 维 建 模 网 格 量 少, 且 只 涉 及 气 流 分 布 数 值 模 拟, 因 此 每 个 算 例 计 算 耗 时 极 少, 可 以 在 短 时 间 内 进 行 多 个 算 例 快 速 计 算, 以 此 对 流 场 调 整 可 以 很 快 确 定 主 流 动 方 向 上 的 导 流 装 置 结 构 二 维 流 场 优 化 确 定 了 主 流 动 方 向 上 的 导 流 装 置 结 构, 可 以 大 大 减 少 三 维 流 场 的 调 整 次 数 (2) 三 维 流 场 数 值 模 拟 优 化 按 SCR 脱 硝 反 应 器 全 图 纸 进 行 三 维 建 模 和 流 场 数 值 模 拟 优 化, 在 三 维 流 场 优 化 过 程 中 先 对 气 流 分 布 进 行 优 化, 之 后 再 对 喷 氨 过 程 进 行 优 化 气 流 分 布 优 化 时, 将 整 个 脱 硝 装 置 分 为 三 段 烟 气 入 口 至 喷 氨 格 栅 段 喷 氨 格 栅 至 首 层 催 化 剂 段 底 层 催 化 剂 至 烟 气 出 口 段, 按 此 三 段 结 构 对 气 流 分 布 进 行 优 化 由 于 烟 气 从 首 层 催 化 剂 流 动 至 底 层 催 化 剂 段 速 度 分 布 将 变 均 匀, 对 首 层 催 化 剂 上 游 流 场 优 化 后 无 需 对 首 层 催 化 剂 流 动 至 底 层 催 化 剂 段 流 场 进 行 优 化, 因 此 气 流 分 布 分 段 优 化 时 不 包 含 首 层 催 化 剂 流 动 至 底 层 催 化 剂 段 具 体 优 化 流 程 依 次 是 : 1 根 据 SCR 脱 硝 反 应 器 三 维 结 构 分 别 建 立 烟 气 入 口 至 喷 氨 格 栅 段 喷 氨 格 栅 至 首 层 催 化 剂 段 底 层 催 化 剂 至 烟 气 出 口 段 的 三 维 几 何 模 型 并 按 二 维 流 场 优 化 结 果 设 置 主 流 动 方 向 的 导 流 装 置 ; 2 对 于 烟 气 入 口 至 喷 氨 格 栅 段, 在 变 径 烟 道 设 置 主 流 动 垂 直 方 向 的 导 流 板 并 进 行 数 值 模 拟 直 至 喷 氨 格 栅 前 断 面 速 度 Cv 小 于 10%; 3 对 于 喷 氨 格 栅 至 首 层 催 化 剂 段, 在 催 化 剂 上 游 设 置 主 流 动 垂 直 方 向 的 整 流 格 栅 并 进 行 数 值 模 拟, 直 至 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 分 布 Cv 小 于 10%; 4 对 于 底 层 催 化 剂 至 烟 气 出 口 段, 在 催 化 剂 下 游 变 径 烟 道 设 置 主 流 动 垂 直 方 向 的 导 流 板 并 进 行 数 值 模 拟, 直 至 出 口 断 面 速 度 分 布 Cv 小 于 15% 对 出 口 断 面 速 度 分 布 要 求 Cv 小 于 15% 是 为 了 提 高 SCR 脱 硝 装 置 下 游 的 空 预 器 入 口 速 度 的 均 匀 性, 保 证 空 预 器 正 常 运 行 ; 3

4 在 三 段 气 流 分 布 分 别 优 化 后, 建 立 SCR 脱 硝 装 置 完 整 三 维 结 构 模 型 并 按 三 段 气 流 分 布 优 化 方 案 布 置 导 流 装 置 进 行 数 值 模 拟, 如 果 喷 氨 格 栅 或 首 层 催 化 剂 前 断 面 烟 气 速 度 Cv 大 于 10%, 则 需 对 导 流 装 置 进 行 微 调 直 至 喷 氨 格 栅 与 首 层 催 化 剂 前 断 面 烟 气 速 度 Cv 小 于 10%; 当 三 维 流 场 气 流 分 布 满 足 喷 氨 格 栅 和 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 Cv 小 于 10% 要 求 时,SCR 脱 硝 反 应 器 的 导 流 装 置 结 构 即 可 确 定 下 来 ; 在 三 维 完 整 结 构 气 流 分 布 优 化 后, 加 入 组 分 输 运 模 型, 对 气 流 分 布 和 喷 氨 混 合 过 程 进 行 耦 合 数 值 模 拟, 并 统 计 首 层 催 化 剂 前 断 面 氨 浓 度 Cv, 如 果 首 层 催 化 剂 前 断 面 氨 浓 度 Cv 大 于 5%, 则 需 对 喷 氨 格 栅 各 喷 管 进 行 氨 流 量 调 整 或 在 喷 氨 格 栅 后 增 设 静 态 混 合 器 强 化 氨 气 与 烟 气 混 合, 直 至 首 层 催 化 剂 前 断 面 氨 浓 度 Cv 小 于 5%; 当 首 层 催 化 剂 前 氨 浓 度 Cv 小 于 5% 时, 即 可 确 定 SCR 脱 硝 反 应 器 的 整 体 优 化 结 构,SCR 脱 硝 流 场 数 值 模 拟 优 化 工 作 即 已 完 成 在 三 维 流 场 优 化 数 值 模 拟 中, 先 只 对 气 流 分 布 分 段 进 行 优 化, 再 对 完 整 三 维 结 构 气 流 分 布 进 行 优 化, 这 样 可 以 减 小 三 维 流 场 每 个 算 例 的 网 格 数 量 即 减 少 每 个 算 例 的 计 算 时 间 最 后 再 对 喷 氨 过 程 进 行 数 值 模 拟 优 化, 由 于 气 流 分 布 优 化 后 再 添 加 组 分 输 运 模 型 对 喷 氨 过 程 进 行 数 值 模 拟, 计 算 很 快 趋 于 收 敛, 所 以 喷 氨 过 程 数 值 模 拟 时 间 大 大 缩 短 SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 方 法 通 过 二 维 数 值 模 拟 减 少 了 三 维 流 场 调 整 次 数, 三 维 分 段 数 值 模 拟 减 少 了 三 维 流 场 每 个 算 例 的 计 算 时 间, 因 此 单 个 SCR 脱 硝 项 目 流 场 优 化 周 期 可 以 大 大 缩 短, 流 场 优 化 效 率 可 以 得 到 显 著 提 高 3 工 程 应 用 案 例 以 下 将 以 某 电 厂 350MW 机 组 的 烟 气 SCR 脱 硝 流 场 优 化 过 程 为 例 说 明 SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 方 法 的 具 体 应 用 整 个 数 值 计 算 过 程 基 于 正 版 通 用 CFD 商 业 软 件 平 台 ANSYS-FLUENT 完 成 该 SCR 脱 硝 反 应 器 未 布 置 流 场 优 化 装 置 的 结 构 如 图 2 所 示 图 2 未 布 置 导 流 装 置 的 SCR 脱 硝 反 应 器 结 构 根 据 SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 方 法 分 别 对 二 维 三 维 流 场 进 行 优 化 (1) 二 维 流 场 数 值 模 拟 优 化 按 照 此 SCR 脱 硝 反 应 器 结 构 主 视 图 进 行 二 维 几 何 建 模, 建 模 不 包 括 喷 氨 格 栅 在 主 流 动 方 向 加 装 导 流 装 置, 通 过 多 次 调 整 后, 二 维 流 场 喷 氨 格 栅 和 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 Cv 分 别 为 5.6% 和 4.5%, 均 小 于 10%, 说 明 喷 氨 格 栅 和 首 层 催 化 剂 前 速 度 分 布 已 足 够 均 匀, 4

5 此 时 主 流 动 方 向 上 的 导 流 装 置 即 为 二 维 流 场 优 化 结 构 ( 如 图 3 所 示 ), 相 应 的 数 值 模 拟 结 果 如 图 4 所 示 此 SCR 脱 硝 反 应 器 二 维 网 格 数 量 为 5 万 左 右, 在 二 维 流 场 数 值 模 拟 优 化 过 程 中 计 算 耗 时 很 短, 可 以 很 快 将 主 流 动 方 向 导 流 装 置 确 定 图 3 主 流 动 方 向 的 导 流 装 置 (a) 速 度 分 布 (b) 速 度 矢 量 图 4 二 维 流 场 数 值 模 拟 结 果 (2) 三 维 流 场 优 化 数 值 模 拟 1 根 据 SCR 脱 硝 反 应 器 三 维 结 构 分 别 建 立 烟 气 入 口 至 喷 氨 格 栅 段 喷 氨 格 栅 至 首 层 催 化 剂 段 底 层 催 化 剂 至 烟 气 出 口 段 的 三 维 几 何 模 型, 并 按 二 维 流 场 优 化 结 果 设 置 主 流 动 方 向 转 弯 烟 道 导 流 板 整 流 格 栅 等 2 对 于 烟 气 入 口 至 喷 氨 格 栅 段, 在 变 径 烟 道 设 置 主 流 动 垂 直 方 向 的 导 流 板, 通 过 对 变 径 烟 道 导 流 板 进 行 多 次 调 整, 最 终 喷 氨 格 栅 前 断 面 的 速 度 Cv 为 6.5%, 小 于 10%, 说 明 喷 氨 格 栅 前 断 面 的 速 度 分 布 足 够 均 匀, 可 以 确 定 烟 气 入 口 至 喷 氨 格 栅 段 的 导 流 板 布 置 ( 如 图 5 所 示 ), 相 应 的 数 值 模 拟 结 果 如 图 6 所 示 导 流 板 图 5 烟 气 入 口 至 喷 氨 格 栅 段 变 径 烟 道 导 流 板 布 置 5

6 喷 氨 格 栅 前 速 度 分 布 变 径 烟 道 导 流 板 转 弯 烟 道 导 流 板 图 6 烟 气 入 口 至 喷 氨 格 栅 段 流 场 数 值 模 拟 结 果 3 对 于 喷 氨 格 栅 至 首 层 催 化 剂 段, 在 催 化 剂 上 游 设 置 主 流 动 垂 直 方 向 的 整 流 格 栅, 通 过 对 整 流 格 栅 进 行 多 次 调 整, 最 终 首 层 催 化 剂 前 断 面 的 速 度 Cv 为 5.0%, 小 于 10%, 说 明 催 化 剂 前 断 面 的 速 度 分 布 足 够 均 匀, 可 以 确 定 喷 氨 格 栅 至 首 层 催 化 剂 段 的 整 流 格 栅 布 置, 如 图 7 所 示, 相 应 的 数 值 模 拟 结 果 如 图 8 所 示 图 7 喷 氨 格 栅 至 底 层 催 化 剂 段 整 流 格 栅 布 置 首 层 催 化 剂 前 速 度 分 布 图 8 喷 氨 格 栅 至 底 层 催 化 剂 段 流 场 数 值 模 拟 结 果 4 对 于 底 层 催 化 剂 至 烟 气 出 口 段, 在 出 口 变 径 烟 道 设 置 主 流 动 垂 直 方 向 的 导 流 板, 通 过 多 次 调 整 主 流 动 垂 直 方 向 的 导 流 板, 最 终 出 口 断 面 的 速 度 相 对 标 准 偏 差 值 Cv 为 13.8%, 小 于 15%, 说 明 出 口 断 面 的 速 度 分 布 足 够 均 匀, 可 以 确 定 首 层 催 化 剂 至 烟 气 出 口 段 的 导 流 板 布 置, 如 图 9 所 示, 相 应 的 数 值 模 拟 结 果 如 图 10 所 示 6 导 流 板

7 图 9 出 口 段 变 径 烟 道 导 流 板 布 置 导 流 板 出 口 速 度 分 布 图 10 底 层 催 化 剂 至 烟 气 出 口 段 流 场 数 值 模 拟 结 果 5 按 分 段 气 流 分 布 优 化 确 定 的 导 流 装 置 建 立 SCR 脱 硝 装 置 的 三 维 整 体 结 构, 如 图 1 所 示 对 三 维 整 体 结 构 进 行 气 流 分 布 数 值 模 拟, 统 计 三 维 流 场 喷 氨 格 栅 和 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 Cv 分 别 为 8.6% 和 5.5%, 均 小 于 10%, 说 明 喷 氨 格 栅 和 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 分 布 已 足 够 均 匀, 由 分 段 气 流 分 布 优 化 确 定 的 导 流 装 置 无 需 调 整 6 在 三 维 流 场 气 流 分 布 计 算 算 例 中 加 入 组 分 输 运 模 型, 对 气 流 分 布 和 喷 氨 过 程 进 行 耦 合 数 值 模 拟, 结 果 如 图 11 所 示 统 计 得 到 首 层 催 化 剂 前 断 面 氨 浓 度 Cv 为 6.9%, 其 大 于 5%, 因 此 需 对 喷 氨 格 栅 各 喷 管 进 行 喷 氨 流 量 调 整 或 在 喷 氨 格 栅 后 增 设 静 态 混 合 器 强 化 氨 气 与 烟 气 混 合 (a) 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 分 布 (Cv=5.5%) (b) 首 层 催 化 剂 前 断 面 氨 浓 度 分 布 (Cv=6.9%) 7

8 图 11 三 维 流 场 数 值 模 拟 结 果 7 通 过 在 喷 氨 格 栅 后 增 设 静 态 混 合 器 ( 此 处 不 对 喷 氨 格 栅 各 喷 管 氨 流 量 进 行 调 整 ), 如 图 12 所 示, 数 值 模 拟 得 到 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 氨 浓 度 Cv 分 别 为 6.4% 3.5%, 增 设 圆 盘 混 合 器 后 氨 浓 度 分 布 得 到 明 显 改 善, 此 时 SCR 脱 硝 反 应 器 的 流 场 已 满 足 首 层 催 化 剂 前 断 面 烟 气 速 度 氨 浓 度 均 匀 分 布 要 求, 因 此 SCR 脱 硝 反 应 器 的 整 体 优 化 结 构 即 可 确 定 ( 如 图 12 所 示 ), 相 应 的 数 值 模 拟 结 果 如 图 13 所 示 至 此 SCR 脱 硝 流 场 数 值 模 拟 优 化 工 作 即 已 完 成 圆 盘 混 合 器 图 12 SCR 脱 硝 装 置 优 化 结 构 (a) 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 分 布 (Cv=6.4%) (Cv=3.5%) (b) 首 层 催 化 剂 前 断 面 氨 浓 度 分 布 图 13 SCR 脱 硝 流 场 优 化 数 值 模 拟 结 果 4 物 模 试 验 为 了 验 证 CFD 数 值 模 拟 结 果 的 准 确 性, 根 据 流 体 力 学 相 似 理 论 ( 几 何 相 似 动 力 相 似 运 动 相 似 ) 搭 建 了 1:10 缩 小 比 例 的 物 理 模 型 进 行 冷 态 流 场 物 模 试 验, 物 理 模 型 如 图 14 所 示 物 理 模 型 首 层 催 化 剂 前 断 面 共 均 匀 布 置 9 个 测 孔, 每 个 测 孔 均 匀 布 置 10 个 测, 整 个 测 试 断 面 共 均 匀 布 置 90 个 测, 如 图 15 所 示 物 模 试 验 采 用 空 气 模 拟 烟 气 甲 烷 气 体 模 拟 氨 气, 得 到 首 层 催 化 剂 前 速 度 分 布 和 浓 度 分 布 结 果 Cv 分 别 为 6.7% 和 3.6%, 每 个 测 孔 的 速 度 浓 度 平 均 无 量 纲 值 ( 测 孔 数 据 平 均 值 与 整 个 断 面 数 据 平 均 值 的 比 值 ) 与 数 值 模 拟 结 果 对 比 如 图 16 所 示 数 值 模 拟 结 果 与 物 模 试 验 结 果 相 吻 合, 因 此 物 模 试 验 验 证 了 CFD 数 值 模 拟 结 果 的 是 准 确 可 靠 的 8

9 图 14 SCR 脱 硝 物 理 模 型 孔 图 15 首 层 催 化 剂 层 前 断 面 测 孔 测 布 置 物 模 测 试 风 速 CFD 模 拟 风 速 物 模 测 试 浓 度 CFD 模 拟 浓 度 平 均 速 度 无 量 纲 浓 度 无 量 纲 测 孔 测 孔 (a) 首 层 催 化 剂 前 断 面 速 度 分 布 (b) 首 层 催 化 剂 前 断 面 浓 度 分 布 图 16 物 模 试 验 结 果 与 数 值 模 拟 结 果 对 比 5 总 结 针 对 SCR 脱 硝 流 场 优 化 的 难 度 和 耗 时 长 的 问 题, 提 出 了 SCR 脱 硝 流 场 多 维 度 数 值 模 拟 优 化 方 法, 分 步 骤 先 后 采 用 二 维 三 维 建 模 对 SCR 脱 硝 反 应 器 二 维 三 维 流 场 进 行 数 值 模 拟 优 化, 以 尽 可 能 减 少 流 场 调 整 次 数 和 节 省 每 个 算 例 的 计 算 时 间 为 思 路 将 流 场 调 整 至 满 足 SCR 脱 硝 流 场 优 化 指 标 此 方 法 可 大 大 缩 短 单 个 SCR 脱 硝 流 场 数 值 模 拟 优 化 周 期, 为 实 现 高 效 率 优 化 SCR 脱 硝 流 场 提 供 指 导 致 谢 9

10 感 谢 福 建 省 科 技 厅 对 本 课 题 福 建 省 科 技 重 项 目 工 业 烟 尘 净 化 装 置 气 流 和 气 固 两 相 流 数 值 模 拟 研 究 及 应 用 的 资 助 [ 参 考 文 献 ] [1] 刘 欢. 燃 煤 锅 炉 烟 气 SCR 脱 硝 反 应 器 流 场 的 数 值 模 拟 与 优 化 研 究 [D]. [ 长 沙 理 工 大 学 硕 士 学 位 论 文 ]. 长 沙 : 长 沙 理 工 大 学, [2] J.D McAdams, etc. Minimize NOx emissions cost-effectively[j]. Hydrocarbon Processing. June, 2001: [3] Guido Busca, etc. Chemical and mechanistic aspects of the selective catalytic reduction of NOx by ammonia over oxide catalysts: A review[j]. Applied Catalysis B: Environmental. 1998, 18:1-36. [4] 毛 剑 宏. 大 型 电 站 锅 炉 SCR 烟 气 脱 硝 系 统 关 键 技 术 研 究 [D]. [ 浙 江 大 学 博 士 学 位 论 文 ]. 杭 州 : 浙 江 大 学 [5] 朱 天 宇 等. 燃 煤 锅 炉 SCR 烟 气 脱 硝 系 统 流 场 优 化 的 数 值 模 拟 [J]. 动 力 工 程 学 报. 2015,35(06): [6] 凌 忠 钱 等. 电 站 锅 炉 SCR 烟 气 脱 硝 系 统 优 化 数 值 模 拟 [J]. 动 力 工 程 学 报. 2014,34(01): [7] D. Dakshinamoorthy. Consider advanced modeling to control air emissions-computational fluid dynamics methods improve designs for NOx reduction applications[j]. Hydrocarbon Processing. September,2009: [8] Ralf Sigling, Cindy Khalaf. Enhance Ammonia Distribution for Maximum SCR Performance. Institute of Clean Air Companies Forum October 14-15, [9] Sayre, A. N., M. G. Milobow. Validation of numerical models of flow through SCR units. EPRI-DOE-EPA Combined Utility Air Pollutant Control, Aug , 1999, Atlanta. [10] Kevin Rogers, Mel Albrecht, Michael Varner. Numerical Modeling for Design Optimization of SCR Application. ICAC NOx Forum March 23-24, 2000, Washington D.C., USA. [11] 杨 超, 张 杰 群, 郭 婷 婷. SCR 烟 气 脱 硝 装 置 烟 气 流 场 数 值 模 拟 [J]. 东 北 电 力 大 学 学 报. 2012,32(01): [12] 朱 晨 曦 等. 燃 煤 电 厂 联 合 脱 硝 SCR 系 统 流 场 模 拟 研 究 与 实 践 [J]. 华 电 技 术. 2015,37(06):1-4. [13] 周 强 强. SCR 脱 硝 系 统 烟 道 气 动 流 场 数 值 模 拟 研 究 [D]. [ 大 连 海 事 大 学 硕 士 学 位 论 文 ]. 大 连 : 大 连 海 事 大 学,2015. [14] 300 MW 燃 煤 锅 炉 烟 气 SCR 脱 硝 系 统 流 场 的 数 值 模 拟 与 优 化 设 计 [J]. 电 力 科 学 与 技 术 学 报. 2013,28(01):

43 14. 45 3 7 220 1 2 cm /s 2 1. 5 3 1 4 c d 1 /40 1 /4 1 /9 600 0. 129 6 7 1 /6 400 1 /256 000 1. 5 2 2 2. 1 /m /Hz /kn / kn m 6 6 0. 1 ~ 50 600 1 80

43 14. 45 3 7 220 1 2 cm /s 2 1. 5 3 1 4 c d 1 /40 1 /4 1 /9 600 0. 129 6 7 1 /6 400 1 /256 000 1. 5 2 2 2. 1 /m /Hz /kn / kn m 6 6 0. 1 ~ 50 600 1 80 43 14 2013 7 Building Structure Vol. 43 No. 14 Jul. 2013 * 1 1 1 2 3 3 3 2 2 1 100013 2 430022 3 200002 1 40 ETABS ABAQUS TU355 TU317 +. 1 A 1002-848X 2013 14-0044-04 Compairion study between the shaking

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