CN110210137A - 一种scr脱硝催化剂的阻力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，属于计算机辅助工程技术领域。本发明包括如下步骤：建立SCR脱硝催化剂的细观三维模型；对细观模型进行网格划分；对网格划分后模型进行分析，得到细观条件下SCR脱硝催化剂的阻力值；对所得阻力值进行拟合，得到SCR脱硝催化剂的阻力计算公式；建立SCR脱硝催化剂的宏观模型，基于所述拟合得到的阻力公式，得出惯性阻力系数和粘性阻力系数；基于宏观模型进行数值模拟分析，得到SCR脱硝催化剂的阻力值。本发明将宏观和细观相结合的多尺度数值模拟应用于SCR脱硝催化剂中，不仅大大节省了计算机资源消耗还提高了计算效率。

Description

一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程技术领域，具体涉及一种催化剂的阻力计算方法，更具体的涉及一种基于CFD的宏观和细观相结合的数值模拟方法。

背景技术

选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统由于其脱硝效率高、氨逃逸量小、操作简便、安全，从长远发展来看，SCR可以成为我国烟气脱硝的基本技术。目前，国内外不少学者对多孔介质通道内单向流体的阻力进行了研究，并对阻力的计算公式提出了相应的修正，但得到的结论还存在一定的差异和不足，迄今为止，多孔介质通道内，流体流动的阻力计算公式还没有形成统一的标准，计算方法仍存在较大争议。

近年来，随着计算机辅助工程技术的发展，计算流体力学(CFD)得到了广泛的应用，利用相关软件可以对流动进行模拟，能够获得流场的各种信息，如速度和压力分布，由此可以进一步得到阻力信息。目前，使用CFD进行SCR脱硝催化剂阻力计算中，大多数研究是建立催化剂的细观模型进行数值模拟计算，此方法计算量大且计算效率低。少数研究中将催化剂内部简化为多孔介质模型进行数值模拟，但是此方法的计算误差偏大。且由于CFD耗费的人工以及计算机资源非常大，对于复杂的设备，应用仍存在较大困难。

对于多孔介质阻力特性的研究发展至今，公开发表的相关文献已有不少，但是大部分文献仅仅提供实验结果和定性分析。并且由于各个研究者之间实验条件的限制，使得相互之间的实验结论有很大差别，还有很多停留在理论研究中。

经检索，专利公开号CN 107462280A，专利名称为：一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法；该申请案的诊断方法包括：对反应器内部催化剂的磨损、堵灰情况进行图示、标记并绘制成可视化云图；取样反应器内的催化剂，对催化剂进行机械性能的检测及分析，获得催化剂的检测及分析数据；现场检测脱硝设备，获得脱硝设备实际流场运行情况的数据；通过CFD数值模拟与物理模型试验，建立与催化剂结构、反应器内部结构一致的模型；结合上述可视化云图、数据及模型，获得催化剂磨损与堵灰的原因。该申请案有助于延长催化剂使用寿命，降低脱硝设备运行事故的风险。但该申请案仍存在计算量大，计算精度有待提高的缺陷，仍需进一步改进。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有脱硝催化剂阻力计算中，计算量大、计算效率低且计算误差偏大的问题，提供了一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法；本发明建立脱硝催化剂的细观模型，通过改变催化剂高度、孔隙率和进口流量，得到细观条件下的SCR脱硝催化剂的阻力值，对阻力值进行拟合得到脱硝催化剂阻力计算公式。建立催化剂宏观模型，将催化剂内部复杂结构和细小尺度简化为多孔介质，宏观多孔介质模型网格划分时大大的降低了网格数，降低了计算量，提高了计算精度，可在催化剂的选型上提供指导。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，包括如下步骤：

步骤一：建立SCR脱硝催化剂的细观三维几何模型；

步骤二：对所得SCR脱硝催化剂细观模型进行网格划分；

步骤三：对网格划分后模型进行分析，得到细观条件下SCR脱硝催化剂的阻力值；

步骤四：对所得阻力值进行拟合，得到SCR脱硝催化剂的阻力计算公式；

步骤五：建立SCR脱硝催化剂的宏观模型，基于所述拟合得到的阻力公式，得出惯性阻力系数和粘性阻力系数；

步骤六：基于宏观模型进行数值模拟分析，得到SCR脱硝催化剂的阻力值。

更进一步地，步骤三基于CFD软件对网格划分后模型进行分析，通过改变SCR脱硝催化剂的高度、孔隙率和进口流量，得到细观条件下的SCR脱硝催化剂的阻力值。

更进一步地，步骤三分别建立4种催化剂高度、4种催化剂孔隙率随机组合下的16种脱硝催化剂模型，通过改变该16种脱硝催化剂模型的进口流量，得到不同流量时细观条件下SCR脱硝催化剂的阻力值。

更进一步地，步骤三所建立的4种催化剂高度为200mm、400mm、600mm、800mm；4种催化剂孔隙率为0.746、0.736、0.728、0.723；进口流量取值为：1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s。

更进一步地，步骤四采用Ergun方程进行数据拟合：

其中：Δp是阻力值，L为催化剂的厚度，d为催化剂的开孔直径，ε是催化剂的孔隙率，ρ是空气的密度，μ是空气的动力粘度，v是催化剂内气体流速，A和B为拟合系数。

更进一步地，步骤四所得细观条件下SCR脱硝催化剂阻力计算的半经验公式如下：

更进一步地，建立催化剂宏观模型时，催化剂内部均简化为多孔介质。

更进一步地，步骤五基于拟合得到的阻力计算公式并结合动量守恒方程进行整理得到多孔介质模型中惯性阻力系数和粘性阻力系数：

其中，d为催化剂的开孔直径，ε是催化剂的孔隙率，1/α为多孔介质的粘性阻力系数，C₂为多孔介质惯性阻力系数。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，其采用宏观和细观相结合的多尺度数值模拟方法，建立催化剂细观几何模型，通过改变脱硝催化剂运行参数，可模拟得到气流经过催化剂时造成的阻力变化，通过上述数据进行公式拟合，可得到催化剂的阻力计算公式，通过上述公式整理出多孔介质模拟时所需要的惯性阻力系数和粘性阻力系数，然后进行宏观多孔介质的数值模拟，所得数值模拟结果准确性高；

(2)本发明的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，通过细观数值模拟结果拟合得到阻力计算公式，推导得到宏观数值模拟时所需要的相关参数，基于细观模型对Ergun方程修正，得出了催化剂宏观和细观之间数据传递的关系，保证了所得结果的准确性；

(3)本发明的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，将脱硝催化剂中的复杂以及细小尺度的结构简化为了多孔介质，进行划分网格时，网格数量显著的降低，所以不但大大节省了资源消耗还提高了计算效率。

附图说明

图1是本发明基于CFD的SCR脱硝催化剂的阻力计算方法的流程图；

图2是本发明在细观层面上建立的催化剂几何模型图；

图3是本发明在宏观层面上建立的催化剂多孔介质图；

图4是本发明中通过阻力值进行公式拟合的曲线图。

示意图中的标号说明：

1、细观催化剂外壁面；2、细观催化剂孔道间内壁面；3、细观催化剂孔道。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

以某大型焦化厂SCR脱硝系统为例，SCR脱硝系统内部设备较为复杂，气流组织分布均匀性较难预测，催化剂作为脱硝系统的重要部件，准确的测量出催化剂层造成的阻力变化尤为重要。结合图1，本实施例的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，基于CFD软件，对SCR脱硝催化剂进行宏观和细观相结合的多尺度数值模拟，来计算流体经过催化剂层所造成的阻力变化。所述阻力计算方法包括如下步骤：

步骤一：建立SCR脱硝催化剂的细观三维几何模型，其中催化剂高度、宽度、开孔数和开孔直径等具体参数均按照工程实际使用催化剂尺寸建立。

步骤二：对细观模型进行网格划分，具体过程为：将脱硝催化剂细观三维模型导入CFD前处理软件中，将模型划分为若干part(块)，并按照不同块的尺寸差异设置网格划分密度，对于模型内部较为复杂结构的块进行网格加密处理，并检查和调整网格参数使模型整体网格质量达到0.3以上。

步骤三：基于CFD软件对网格模型进行分析，模拟时所采用的边界条件为速度入口，压力出口(出口相对压强p＝0Pa)；壁面按照标准壁面函数处理，壁面无滑移边界条件。通过改变SCR脱硝催化剂的高度、孔隙率和进口流量，得到细观条件下的SCR脱硝催化剂的阻力值。具体为：建立四种高度(200mm、400mm、600mm、800mm)，四种孔隙率(0.746、0.736、0.728、0.723)脱硝催化剂模型共16种，通过改变16种催化剂进口流量，分别得到进口流量分别为1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s时细观条件下SCR脱硝催化剂的阻力值。

步骤四：对所得细观催化剂阻力值进行多项式拟合，将拟合结果与相关阻力计算公式的计算结果分别进行比对，得出Ergun方程与模拟结果有着相同的变化趋势，故使用该方程进行数据拟合。Ergun方程如下：

其中：Δp是阻力值，L为催化剂的厚度，d为催化剂的开孔直径，ε是催化剂的孔隙率，ρ是空气的密度，μ是空气的动力粘度，v是催化剂内气体流速，A和B为拟合系数。

进而得到细观条件下SCR脱硝催化剂阻力计算的半经验公式如下：

其中，ε＝1-V_s/V；V为催化剂区域总体积，V_s为催化剂固体总体积。

步骤五：建立SCR脱硝催化剂的宏观多孔介质模型，基于上述拟合得到的阻力计算公式并结合动量守恒方程进行整理得到多孔介质模型中惯性阻力系数和粘性阻力系数。具体过程为：按照催化剂实际外观尺寸建立宏观模型，并将催化剂内部细小尺寸的复杂结构(内壁面和催化剂孔道)简化为多孔介质。

上述拟合得到SCR脱硝催化剂的阻力计算公式：

与动量守恒方程：

进行化简整合，得到多孔介质各方向粘性阻力系数表达式：

和惯性阻力系数表达式：

其中，d为催化剂的开孔直径，ε是催化剂的孔隙率，1/α为多孔介质的粘性阻力系数，C₂为多孔介质惯性阻力系数。

步骤六：基于宏观多孔介质模型通过CFD软件进行数值模拟分析，得到SCR脱硝催化剂的阻力值；具体过程为：对催化剂宏观多孔介质模型进行网格划分，检查和调整网格参数使模型整体网格质量达到0.3以上，然后导入Fluent软件进行数值模拟，设置数值模拟时所需催化剂的边界条件为速度入口、压力出口(出口相对压强p＝0Pa)、壁面按照标准壁面函数处理，无滑移边界条件。然后输入多孔介质模型的惯性阻力系数和粘性阻力系数，最后进行数值模拟分析并得到脱硝催化剂宏观模拟阻力值。

基于上述宏观模拟结果与实验结果进行对比，得到两者在趋势上保持一致。并且宏观条件下催化剂阻力的模拟值与实验值(实验值是通过在工程现场中使用阻力测量装置放置在催化剂进出口两端从而测量得到)的最大误差为8.6％。本实施例得到的结论与实验值的趋势保持一致，证明了本实施例使用的基于CFD的脱硝催化剂宏观和细观相结合的多尺度数值模拟方法的正确性。

本实施例是采用宏观和细观相结合的多尺度数值模拟方法，如图2所示建立催化剂细观几何模型，图2中标号1表示细观催化剂外壁面，标号2表示细观催化剂孔道间内壁面，标号3表示细观催化剂孔道，通过改变脱硝催化剂运行参数，可模拟得到气流经过催化剂时造成的阻力变化，如图4所示通过上述数据进行公式拟合，可得到催化剂的阻力计算公式，通过上述公式整理出多孔介质模拟时所需要的惯性阻力系数和粘性阻力系数，然后进行如图3所示的宏观多孔介质的数值模拟，将数值模拟结果中得到的阻力值与实验结果比较；即验证了数值模拟的准确性，又突出了SCR脱硝催化剂阻力计算公式的正确性，还得出了催化剂宏观和细观之间数据传递的关系。

值得说明的是，目前较为常用的几组阻力预测模型中，使用最广最多的就是Ergun方程。但由于在Ergun方程中只使用孔隙率和颗粒直径来表征多孔介质通道几何形状对流动特性的影响。由于实际情况下存在着不同的孔隙结构(比如说催化剂蜂窝结构和陶瓷泡沫状结构)，这些结构简化为多孔介质计算时，直接使用Ergun方程会有很大误差。基于此，本实施例基于细观模型对Ergun方程修正，从而建立多尺度之间的数据传递关系，保证了所得结果的准确性。

此外，常规的阻力计算方法，通常基于设备直接建模然后进行计算，因为针对复杂结构以及细小尺度结构时，必须使用大量计算网格的原因，所以一般这种结果计算精度偏低且对计算机要求较高。本实施例使用宏观和细观相结合的多尺度数值模拟应用于SCR脱硝催化剂中，因为将脱硝催化剂中的复杂以及细小尺度的结构简化为了多孔介质，进行划分网格时，网格数量显著的降低，所以不但大大节省了资源消耗还提高了计算效率。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立SCR脱硝催化剂的细观三维几何模型；

步骤二：对所得SCR脱硝催化剂细观模型进行网格划分；

步骤三：对网格划分后模型进行分析，得到细观条件下SCR脱硝催化剂的阻力值；

步骤四：对所得阻力值进行拟合，得到SCR脱硝催化剂的阻力计算公式；

步骤五：建立SCR脱硝催化剂的宏观模型，基于所述拟合得到的阻力公式，得出惯性阻力系数和粘性阻力系数；

步骤六：基于宏观模型进行数值模拟分析，得到SCR脱硝催化剂的阻力值。

2.根据权利要求1所述的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，其特征在于：步骤三基于CFD软件对网格划分后模型进行分析，通过改变SCR脱硝催化剂的高度、孔隙率和进口流量，得到细观条件下的SCR脱硝催化剂的阻力值。

3.根据权利要求2所述的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，其特征在于：步骤三分别建立4种催化剂高度、4种催化剂孔隙率随机组合下的16种脱硝催化剂模型，通过改变该16种脱硝催化剂模型的进口流量，得到不同流量时细观条件下SCR脱硝催化剂的阻力值。

4.根据权利要求3所述的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，其特征在于：步骤三所建立的4种催化剂高度为200mm、400mm、600mm、800mm；4种催化剂孔隙率为0.746、0.736、0.728、0.723；进口流量取值为：1m/s、2m/s、3m/s、4m/s和5m/s。

5.根据权利要求4所述的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，其特征在于：步骤四采用Ergun方程进行数据拟合：

其中：Δp是阻力值，L为催化剂的厚度，d为催化剂的开孔直径，ε是催化剂的孔隙率，ρ是空气的密度，μ是空气的动力粘度，v是催化剂内气体流速，A和B为拟合系数。

6.根据权利要求5所述的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，其特征在于：步骤四所得细观条件下SCR脱硝催化剂阻力计算的半经验公式如下：

7.根据权利要求5或6所述的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，其特征在于：建立催化剂宏观模型时，催化剂内部均简化为多孔介质。

8.根据权利要求7所述的一种SCR脱硝催化剂的阻力计算方法，其特征在于：步骤五基于拟合得到的阻力计算公式并结合动量守恒方程进行整理得到多孔介质模型中惯性阻力系数和粘性阻力系数：

其中，d为催化剂的开孔直径，ε是催化剂的孔隙率，1/α为多孔介质的粘性阻力系数，C₂为多孔介质惯性阻力系数。