Delta Wing 气体混合装置关键技术研究

2020-11-25秦明坤王建普

工业炉 2020年5期

秦明坤，李强，王建普

（1．菏泽泰诺环境科技有限公司，山东菏泽 274000；2.菏泽市生态环境局定陶区分局，山东菏泽274100）

近年来随着我国环保力度的持续加大，大量工业炉设备的烟气NOx排放超标成为继燃煤电厂及钢铁冶金领域烟气脱硝之后亟待解决的问题，选择性催化还原（SCR）是当前使用最为广泛的脱硝技术，SCR 工艺设计的关键因素之一是实现还原剂氨与烟气中氮氧化物的均匀混合，若催化前氨/氮摩尔比分布不均，必会导致局部区域还原剂不足，降低脱硝效率[1]。如何实现喷入气体与烟气的快速均匀混合，成为该领域面临的重要问题。

目前，大型方、圆形截面管道气体混合多采用格栅式混合器[2]。凌继红等人[3]对HEV 型静态混合器的混合特性进行了实验和数值计算，分析了各影响因素对其影响；裴煜坤等人[4]设计了一种针对管道截面尺寸较大、混合距离短的V 型喷氨混合器装置。这些格栅式混合技术虽然应用比较成熟，但却难以克服喷嘴数量多、易堵塞等难题。近年来，将Delta Wing 混合器应用于喷氨混合的技术在多个项目中取得了优异效果。它是利用绕流钝体产生的涡街脱落和涡旋来强化混合，在流体动力学领域有着广泛的研究和应用基础[5]，如钝体稳燃燃烧器[6-7]、强化换热[8]和提升管气固混合[9]等。研究表明涡发生器能够取得较好的多相混合效果，然而，针对Delta Wing 型混合器在脱硝领域的系统性研究不足，该技术在应用过程中仍然存在着很大的盲目性，其关键设计参数对其混合特性的影响规律尚不明确，相关问题急待解决。

本文采用Fluent 软件的组分输运模型模拟了气体间混合效果，经过变量的无量纲化，着重考查了不同结构、钝体堵塞比对气体混合效果的影响，分析了不同雷诺数对流场和示踪气体浓度分布的影响，为Delta Wing 混合器工程应用提供了指导。

1 模型的建立

1.1 几何模型及流场离散

模型的尺寸、烟气和混合气体入口速度、示踪气体类型均参照文献[10]的实验装置。以斯特劳哈尔数（Strouhal number）作为相似准则数，讨论不同雷诺数（Reynolds number）下的流场分布。雷诺数 Re=UO·d1/υ，斯特劳哈尔数 St=f·d1/UO，UO为来流速度，m/s；f 为涡街脱落的周期频率，s-1；d1为椭圆长轴，m。

图1 为结构示意图，表1 为尺寸及计算参数。烟气由左侧进入管道，来流速度为UO，示踪气体以一定速度喷入管道。喷气的方式分为三种：逆向-钝体、逆向+钝体和顺向+钝体。

图1 模型结构示意图

采用Gambit 对二维模型分区域划分网格，选用四面体和六面体相结合的网格划分方法，网格扭曲率均小于0.4。图2 给出了结构局部关键部位网格划分结果。

表1 数值模拟计算参数表

图2 局部网格划分示意图

1.2 数学模型及数值方法

选用组分输运模型，载气为Air，示踪气选用CO，研究冷态状况下的混合行为，Fluent 通过对第i种物质的扩散方程进行计算，得到其质量分数，组分守恒方程如下：

式中：ρ 为主流流体密度，kg/m3；Yi为组分 i 的质量分数；为流体速度矢量，m/s；t 为非稳态时间，s；化学反应的净生产速率Ri和源项导致的额外产生速率 Si在本模型中均为零。物质 i 的扩散通量由浓度梯度产生，湍流状态下的扩散通量计算公式如下：

式中：μt为湍动黏度，Pa·s；Di，m为组分 i 在物质 m 中扩散系数，m2/s；湍流施密特数Sct缺省值为0.7。

针对绕流问题的模拟，前人经过模拟和实验对比结果显示，采用 RNG k-ε 湍流模型比标准k-ε 模型甚至大涡模型（LES）效果更好[11]，采用非稳态比稳态模拟结果更接近实验结果[12]，本文采用非稳态RNG k-ε 湍流模型对问题进行计算。边界条件选用由湍流强度和水力直径定义的速度入口，出口为outflow，壁面无滑移，近壁面采用标准壁面函数法。

动量离散采用二阶迎风差分格式，压力-速度选用Simple 耦合方式。时间步长为0.005 s，模型选用双精度求解器进行求解。对出口CO 面平均质量分数进行监视，当曲线发展到水平，或者曲线在一定值范围上下周期性波动时，认为计算达到收敛。

2 圆孔侧喷实验验证

本文采用采用无量系数T 将模拟结果同东南大学梁秀进等人的圆孔侧喷实验结果[13]进行比较。计算工况为烟气量Q=300 m3/h，喷气量Qx=4.5 m3/h，喷入气体为 CO 和 Air 的混合气，CO 质量分数为 0.04；烟气为Air。h/D 表示长度/直径的无量纲数；r/R 为径向位置的无量纲数。采样位置h/D=2.2 处的径向CO 分布情况见图3，结果显示CO 浓度分布与实验结果相符，说明了模拟方法的准确性，可以用来研究气体混合问题。

图3 在 Q=300 m3/h，Qx=4.5 m3/h 时CO 分布情况的实验与模拟结果对比图

式中：Ci为测点 CO 浓度，mol/m3；Cav为平均浓度，mol/m3。

3 结果与讨论

3.1 结构和堵塞比对流场的影响

图4 为绕流钝体的流场迹线分布图。结构a 至d为气体逆向喷入方式，结构e 的喷嘴为顺向布置。从迹线的流动特征知，单纯的逆向喷入方式a 会造成示踪气体发生偏斜，并且扰动主流气体，使之产生类似涡街的流动，在尾部形成涡团，CO 气体从涡团中心向外围扩散，扩散强度较弱，混合效果不够理想。

图4 流场迹线图

本文模拟结果显示，结构b 的钝体堵塞比较小（d1/D=0.3），主流气体在其后面形成的静压区不稳定，另外示踪气体的喷入会对钝体后的尾流产生一定影响，使得流动不同于结构a，结果产生图4 中的涡街流动。堵塞比增大至0.5，有限通道内的钝体扰流会在后方形成两个规则的涡眼，涡眼内旋流扰动强烈，可以强化气体混合，流动状态稳定。钝体堵塞比为0.7时，外缘气体速度较高，使得涡眼中心位置向后偏离。当堵塞比更大时，流动可能还会发生变化。结构e 的涡眼中心位置与c 和d 差别较大，主要原因是示踪气体喷射位置和顺流喷射方式影响的结果。

3.2 结构和堵塞比对浓度分布的影响

图5 显示了气体间的混合效果，结构a 和b 涡团现象明显，浓度分布成点涡状，在尾部形成点扩散源，结构a 的不均匀性一直拖延到h/D=6.5 时仍然存在，而结构b 的不均匀性较短，这主要和非稳态进行时间有关，不同时刻涡点的分布位置也会移动。流场在堵塞比约为0.5 时发生非稳态流动向稳态的转变，这将有利于流场的稳定流动和设备的稳定运行。结构c、d 和e 在椭圆钝体后面浓度较高，在尾流涡眼位置与主流气体形成强烈混合，当距离喷嘴h/D=3 时，浓度分布已趋于均匀。

图6 为五种结构在位置 h/D=0.4、1.2、2.0 和 2.8处的CO 浓度分布曲线，定量比较了五种结构在相同位置处CO 摩尔浓度的分布情况。类型a 和b 的浓度分布曲线不对称，沿轴向分布存在较大波动。类型c、d 和e 在截面整体分布均匀，在边缘浓度值几乎为零，当距离h/D 大于2.0 时，这种不均匀现象逐渐消失，而a 的不均匀性持续距离较长。在相同位置，堵塞比0.7 比0.5 具有更好的混合效果。此外，顺流喷射比逆流能取得更好的混合效果，在h/D=0.8、1.2、2.0 等位置处涡旋内浓度分布均匀。

图5 CO 体积分数分布云图

图6 CO 摩尔浓度分布曲线图

3.3 结构和堵塞比对压力损失的影响

压力损失是制约设备应用的一大因素，本文采用阻力系数Cp[14-15]对绕流产生的压力损失进行分析，阻力系数越小，经济性越好。

式中：P 为入口总压，Pa；PS为出口总压，Pa。

由图7 可知，随着钝体堵塞比的增加，阻力系数增加，压力降会显著升高。另外喷嘴布置位置和混合气体的流量对阻力系数也有影响。混合气体流量大、喷射速度高、逆流布置均会增加压力损失，而顺流布置有利于减小阻力损失。

图7 五种不同方式的阻力系数对比图

3.4 雷诺数的影响

图8 为 d1/D=0.7 时，Re 分别为 2 337、9 210、22 368、35 526 下的浓度分布。Re 更低时，混合气量太小，没有工业应用的价值[16]，因此不考虑低雷诺数的情况。随着Re 数的增大，浓度扩散达到均匀的位置向后推移，这是涡旋被高速的主流气体拉长所致。

图8 Re 对CO 体积分数分布的影响图

本文采用统计学变异系数S 定量描述气体径向混合效果，公式如下：

由图9 知，随着雷诺数的增大，变异系数增加，CO 浓度分布的不均匀性增加，当h/D 大于4 时，S小于0.05，Re 数的影响作用不明显，认为混合达到均匀[17]。在本研究的Re 数取值范围内，低Re 有利于气体的混合，因为气体的混合受流动状态和混合时间的共同影响。Re 低，湍流度小，不利于混合，而气体在管道中的混合时间延长，使得混合充分。