秦明坤，李 強(qiáng)，王建普

（1．菏澤泰諾環(huán)境科技有限公司，山東 菏澤 274000；2.菏澤市生態(tài)環(huán)境局 定陶區(qū)分局，山東 菏澤274100）

近年來隨著我國環(huán)保力度的持續(xù)加大，大量工業(yè)爐設(shè)備的煙氣NOx排放超標(biāo)成為繼燃煤電廠及鋼鐵冶金領(lǐng)域煙氣脫硝之后亟待解決的問題，選擇性催化還原（SCR）是當(dāng)前使用最為廣泛的脫硝技術(shù)，SCR 工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一是實(shí)現(xiàn)還原劑氨與煙氣中氮氧化物的均勻混合，若催化前氨/氮摩爾比分布不均，必會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域還原劑不足，降低脫硝效率[1]。如何實(shí)現(xiàn)噴入氣體與煙氣的快速均勻混合，成為該領(lǐng)域面臨的重要問題。

目前，大型方、圓形截面管道氣體混合多采用格柵式混合器[2]。凌繼紅等人[3]對HEV 型靜態(tài)混合器的混合特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，分析了各影響因素對其影響；裴煜坤等人[4]設(shè)計(jì)了一種針對管道截面尺寸較大、混合距離短的V 型噴氨混合器裝置。這些格柵式混合技術(shù)雖然應(yīng)用比較成熟，但卻難以克服噴嘴數(shù)量多、 易堵塞等難題。近年來，將Delta Wing 混合器應(yīng)用于噴氨混合的技術(shù)在多個(gè)項(xiàng)目中取得了優(yōu)異效果。它是利用繞流鈍體產(chǎn)生的渦街脫落和渦旋來強(qiáng)化混合，在流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)[5]，如鈍體穩(wěn)燃燃燒器[6-7]、強(qiáng)化換熱[8]和提升管氣固混合[9]等。研究表明渦發(fā)生器能夠取得較好的多相混合效果，然而，針對Delta Wing 型混合器在脫硝領(lǐng)域的系統(tǒng)性研究不足，該技術(shù)在應(yīng)用過程中仍然存在著很大的盲目性，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對其混合特性的影響規(guī)律尚不明確，相關(guān)問題急待解決。

本文采用Fluent 軟件的組分輸運(yùn)模型模擬了氣體間混合效果，經(jīng)過變量的無量綱化，著重考查了不同結(jié)構(gòu)、鈍體堵塞比對氣體混合效果的影響，分析了不同雷諾數(shù)對流場和示蹤氣體濃度分布的影響，為Delta Wing 混合器工程應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

1 模型的建立

1.1 幾何模型及流場離散

模型的尺寸、煙氣和混合氣體入口速度、示蹤氣體類型均參照文獻(xiàn)[10]的實(shí)驗(yàn)裝置。以斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number）作為相似準(zhǔn)則數(shù)，討論不同雷諾數(shù)（Reynolds number）下的流場分布。雷諾數(shù) Re=UO·d1/υ，斯特勞哈爾數(shù) St=f·d1/UO，UO為來流速度，m/s；f 為渦街脫落的周期頻率，s-1；d1為橢圓長軸，m。

圖1 為結(jié)構(gòu)示意圖，表1 為尺寸及計(jì)算參數(shù)。煙氣由左側(cè)進(jìn)入管道，來流速度為UO，示蹤氣體以一定速度噴入管道。噴氣的方式分為三種：逆向-鈍體、逆向+鈍體和順向+鈍體。

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意圖

采用Gambit 對二維模型分區(qū)域劃分網(wǎng)格，選用四面體和六面體相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格扭曲率均小于0.4。圖2 給出了結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵部位網(wǎng)格劃分結(jié)果。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)表

圖2 局部網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

選用組分輸運(yùn)模型，載氣為Air，示蹤氣選用CO，研究冷態(tài)狀況下的混合行為，F(xiàn)luent 通過對第i種物質(zhì)的擴(kuò)散方程進(jìn)行計(jì)算，得到其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，組分守恒方程如下：

式中：ρ 為主流流體密度，kg/m3；Yi為組分 i 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為流體速度矢量，m/s；t 為非穩(wěn)態(tài)時(shí)間，s；化學(xué)反應(yīng)的凈生產(chǎn)速率Ri和源項(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率 Si在本模型中均為零。物質(zhì) i 的擴(kuò)散通量由濃度梯度產(chǎn)生，湍流狀態(tài)下的擴(kuò)散通量計(jì)算公式如下：

式中：μt為湍動(dòng)黏度，Pa·s；Di，m為組分 i 在物質(zhì) m 中擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；湍流施密特?cái)?shù)Sct缺省值為0.7。

針對繞流問題的模擬，前人經(jīng)過模擬和實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果顯示，采用 RNG k-ε 湍流模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型甚至大渦模型（LES）效果更好[11]，采用非穩(wěn)態(tài)比穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]，本文采用非穩(wěn)態(tài)RNG k-ε 湍流模型對問題進(jìn)行計(jì)算。邊界條件選用由湍流強(qiáng)度和水力直徑定義的速度入口，出口為outflow，壁面無滑移，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

動(dòng)量離散采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力-速度選用Simple 耦合方式。時(shí)間步長為0.005 s，模型選用雙精度求解器進(jìn)行求解。對出口CO 面平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)曲線發(fā)展到水平，或者曲線在一定值范圍上下周期性波動(dòng)時(shí)，認(rèn)為計(jì)算達(dá)到收斂。

2 圓孔側(cè)噴實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用采用無量系數(shù)T 將模擬結(jié)果同東南大學(xué)梁秀進(jìn)等人的圓孔側(cè)噴實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13]進(jìn)行比較。計(jì)算工況為煙氣量Q=300 m3/h，噴氣量Qx=4.5 m3/h，噴入氣體為 CO 和 Air 的混合氣，CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.04； 煙氣為Air。h/D 表示長度/直徑的無量綱數(shù)；r/R 為徑向位置的無量綱數(shù)。采樣位置h/D=2.2 處的徑向CO 分布情況見圖3，結(jié)果顯示CO 濃度分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，說明了模擬方法的準(zhǔn)確性，可以用來研究氣體混合問題。

圖3 在 Q=300 m3/h，Qx=4.5 m3/h 時(shí)CO 分布情況的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對比圖

式中 ：Ci為測 點(diǎn) CO 濃度，mol/m3；Cav為平均 濃 度，mol/m3。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)和堵塞比對流場的影響

圖4 為繞流鈍體的流場跡線分布圖。結(jié)構(gòu)a 至d為氣體逆向噴入方式，結(jié)構(gòu)e 的噴嘴為順向布置。從跡線的流動(dòng)特征知，單純的逆向噴入方式a 會(huì)造成示蹤氣體發(fā)生偏斜，并且擾動(dòng)主流氣體，使之產(chǎn)生類似渦街的流動(dòng)，在尾部形成渦團(tuán)，CO 氣體從渦團(tuán)中心向外圍擴(kuò)散，擴(kuò)散強(qiáng)度較弱，混合效果不夠理想。

圖4 流場跡線圖

本文模擬結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)b 的鈍體堵塞比較?。╠1/D=0.3），主流氣體在其后面形成的靜壓區(qū)不穩(wěn)定，另外示蹤氣體的噴入會(huì)對鈍體后的尾流產(chǎn)生一定影響，使得流動(dòng)不同于結(jié)構(gòu)a，結(jié)果產(chǎn)生圖4 中的渦街流動(dòng)。堵塞比增大至0.5，有限通道內(nèi)的鈍體擾流會(huì)在后方形成兩個(gè)規(guī)則的渦眼，渦眼內(nèi)旋流擾動(dòng)強(qiáng)烈，可以強(qiáng)化氣體混合，流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定。鈍體堵塞比為0.7時(shí)，外緣氣體速度較高，使得渦眼中心位置向后偏離。當(dāng)堵塞比更大時(shí)，流動(dòng)可能還會(huì)發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)e 的渦眼中心位置與c 和d 差別較大，主要原因是示蹤氣體噴射位置和順流噴射方式影響的結(jié)果。

3.2 結(jié)構(gòu)和堵塞比對濃度分布的影響

圖5 顯示了氣體間的混合效果，結(jié)構(gòu)a 和b 渦團(tuán)現(xiàn)象明顯，濃度分布成點(diǎn)渦狀，在尾部形成點(diǎn)擴(kuò)散源，結(jié)構(gòu)a 的不均勻性一直拖延到h/D=6.5 時(shí)仍然存在，而結(jié)構(gòu)b 的不均勻性較短，這主要和非穩(wěn)態(tài)進(jìn)行時(shí)間有關(guān)，不同時(shí)刻渦點(diǎn)的分布位置也會(huì)移動(dòng)。流場在堵塞比約為0.5 時(shí)發(fā)生非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)向穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變，這將有利于流場的穩(wěn)定流動(dòng)和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)構(gòu)c、d 和e 在橢圓鈍體后面濃度較高，在尾流渦眼位置與主流氣體形成強(qiáng)烈混合，當(dāng)距離噴嘴h/D=3 時(shí)，濃度分布已趨于均勻。

圖6 為五種結(jié)構(gòu)在位置 h/D=0.4、1.2、2.0 和 2.8處的CO 濃度分布曲線，定量比較了五種結(jié)構(gòu)在相同位置處CO 摩爾濃度的分布情況。類型a 和b 的濃度分布曲線不對稱，沿軸向分布存在較大波動(dòng)。類型c、d 和e 在截面整體分布均勻，在邊緣濃度值幾乎為零，當(dāng)距離h/D 大于2.0 時(shí)，這種不均勻現(xiàn)象逐漸消失，而a 的不均勻性持續(xù)距離較長。在相同位置，堵塞比0.7 比0.5 具有更好的混合效果。此外，順流噴射比逆流能取得更好的混合效果，在h/D=0.8、1.2、2.0 等位置處渦旋內(nèi)濃度分布均勻。

圖5 CO 體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6 CO 摩爾濃度分布曲線圖

3.3 結(jié)構(gòu)和堵塞比對壓力損失的影響

壓力損失是制約設(shè)備應(yīng)用的一大因素，本文采用阻力系數(shù)Cp[14-15]對繞流產(chǎn)生的壓力損失進(jìn)行分析，阻力系數(shù)越小，經(jīng)濟(jì)性越好。

式中：P 為入口總壓，Pa；PS為出口總壓，Pa。

由圖7 可知，隨著鈍體堵塞比的增加，阻力系數(shù)增加，壓力降會(huì)顯著升高。另外噴嘴布置位置和混合氣體的流量對阻力系數(shù)也有影響?；旌蠚怏w流量大、噴射速度高、逆流布置均會(huì)增加壓力損失，而順流布置有利于減小阻力損失。

圖7 五種不同方式的阻力系數(shù)對比圖

3.4 雷諾數(shù)的影響

圖8 為 d1/D=0.7 時(shí)，Re 分別為 2 337、9 210、22 368、35 526 下的濃度分布。Re 更低時(shí)，混合氣量太小，沒有工業(yè)應(yīng)用的價(jià)值[16]，因此不考慮低雷諾數(shù)的情況。隨著Re 數(shù)的增大，濃度擴(kuò)散達(dá)到均勻的位置向后推移，這是渦旋被高速的主流氣體拉長所致。

圖8 Re 對CO 體積分?jǐn)?shù)分布的影響圖

本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)變異系數(shù)S 定量描述氣體徑向混合效果，公式如下：

由圖9 知，隨著雷諾數(shù)的增大，變異系數(shù)增加，CO 濃度分布的不均勻性增加，當(dāng)h/D 大于4 時(shí)，S小于0.05，Re 數(shù)的影響作用不明顯，認(rèn)為混合達(dá)到均勻[17]。在本研究的Re 數(shù)取值范圍內(nèi)，低Re 有利于氣體的混合，因?yàn)闅怏w的混合受流動(dòng)狀態(tài)和混合時(shí)間的共同影響。Re 低，湍流度小，不利于混合，而氣體在管道中的混合時(shí)間延長，使得混合充分。

圖9 Re 對CO 摩爾濃度變異系數(shù)S 的影響圖

4 結(jié)論

（1）鈍體能夠起到強(qiáng)化氣體混合的作用，尤其在鈍體下游h/D 大于2 的位置，可明顯改善單純逆向噴射氣體的混合不均現(xiàn)象；

（2）堵塞比高于0.5 時(shí)，繞流鈍體流場由非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)，流場分布較規(guī)則，不存在渦街脫落的擾動(dòng)，有利于氣相流場的穩(wěn)定流動(dòng)和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，并且，隨著堵塞比的增大，混合段長度縮短，混合效果提高，但會(huì)造成阻力損失增加；

（3）鈍體堵塞比為0.7 時(shí)，示蹤氣體順向噴射能在保證混合效果的前提下，減小鈍體渦眼尺寸，降低阻力損失；Re 數(shù)的升高會(huì)延長漩渦影響范圍，增大示蹤氣體混合的不均勻性，不利于固定反應(yīng)段內(nèi)氣體的混合。