一种梯度过滤催化反应器的制作方法

本发明属于流场优化，具体公开了一种梯度过滤催化反应器。

背景技术：

0、技术背景：

1、生物质锅炉烟气中主要的污染物为颗粒污染物、硫氧化物(sox)和氮氧化物(nox)，现阶段常采用sncr(selective non-catalytic reduction)+(半)干法脱硫+布袋除尘的处置工艺，nox难以达到超低排放要求。为进一步降低nox排放浓度并控制氨逃逸浓度，需要增设scr(selective catalytic reduction)反应器。这样会使得工艺增长，设备占地面积增大，运行维护变得复杂。

2、“高温陶瓷纤维滤管脱硝除尘一体化技术”结合了成熟的“干法脱硫+一体化除尘+scr脱硝”的工艺优点,同时避免了该技术的缺点。利用脱硫、脱硝、除尘实现一体化,大大减少了占地面积；同时陶瓷纤维滤管的复合结构避免了布袋的挠性,除尘效果更优,同时避免糊袋隐患,其寿命可达5-8年,大大优于滤袋寿命。

3、根据目前在玻璃窑高温烟气处理项目中陶瓷滤管脱硝脱尘一体化反应器运行情况，陶瓷滤管脱硝脱尘一体化反应器投入运行半年后会出现陶瓷滤管断裂现象。利用流场模拟分析仓室内部烟气流束状态，发现气体进入仓室内并未均匀导流至各区域，流量主要聚集在烟道进口的远端。在断面速度云图中可发现滤管底部有明显涡流区，涡流区会造成滤管较其他区域晃动的频率及幅度大。每当出现波动时，涡流区域的滤管受到气流横向力而出现不同程度的晃动。当晃动造成的横向力超过滤管承受范围会出现陶瓷滤管断管现象。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明利用cfd计算机流场模拟及工业设计，设计并预测梯度过滤催化反应器内的流场，通过对建立的原始模型和经过优化的模型分别进行模拟，然后对每组的模拟结果进行对比分析，并依据分析结果对烟气scr脱硝反应器进行改造，从而改善烟气经过烟道进入时的偏流现象，以解决上述问题。本发明优化设计梯度过滤催化反应器出入风口导流装置(包含多孔均布板和灰斗均风系统)得到最优的内部流场，使多个独立配风的催化反应器入口烟气均匀分配，避免烟气偏流，最大程度提高收尘面积，从而提高除尘效率，促进达标排放。

2、现有技术中的梯度过滤催化反应器,包括壳体，花板、陶瓷纤维滤管、进风口、出风口、除尘脱硝一体化单位；壳体内设置花板，花板将壳体的内部空间分割成上箱体和中箱体；花板上设置有安装孔，用于安装所述除尘脱硝一体化单元；除尘脱硝一体化单元用径向疏密结构的陶瓷纤维滤管；在陶瓷纤维滤管集体底部分布有多孔均布板；在多孔均布板下方设置一个入风口，在上箱体与入风口相对的另一侧设置出风口。如中国专利cn2019201742346中采用的技术方案设置了单入风口和出风口。

3、本发明借助cfd计算机流场模拟及工业设计得到改进后的梯度过滤催化反应器，主要涉及的改进点为梯度过滤催化反应器的出入风口导流装置。cfd计算机流场模拟如下：

4、1几何建模及网格划分

5、按照装置实际尺寸建立1：1比例的三维几何模型，模型中，均布板的厚度远小于反应器外形尺度，故都将其厚度忽略。模型建立之后，需要进行网格划分将模型离散化，即通过有限的网格节点来描述实际的空间连续实体。考虑到模型复杂的内部结构，计算区域需采用结构化和非结构化的混合网格进行划分。

6、2数学模型及计算方法

7、(1)湍流模型

8、脱硫除尘装置内部的流动是一个复杂的湍流流动过程，考虑到数学模型的可靠性和工程应用的可行性，本文选用标准k-∈双方程模型来模拟装置内部的烟气流动情况。在直角坐标系下，基本控制微分方程如下：

9、连续性方程：

10、

11、雷诺运动方程：

12、

13、雷诺应力方程：

14、

15、湍能方程：

16、

17、耗散率方程

18、

19、对以上控制方程求解时采用了求解压力耦合方程的全隐算法simple算法。

20、(2)多孔介质模型

21、多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。对于本模型中催化滤管的模拟，将由多孔介质模型来实现。

22、当使用这一模型时，就定义了一个具有多孔介质的fluent单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，多孔介质模型具有以下限制：

23、1)流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着fluent不会正确的描述通过介质的过渡时间。

24、2)多孔介质对于湍流的影响只是近似的。在多孔介质中，默认的情况下fluent会求解湍流量的标准守恒方程，因此，介质中的湍流被这样处理：固体介质对湍流的生成和耗散速度没有影响。

25、多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。该源项由两部分组成，一部分是粘性损失相(darcy)，另一部分是内部损失项，如下：

26、

27、其中si是i向(x，y，或z动量源项)，d和c是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度(或速度平方)成比例。

28、对于简单的均匀多孔介质：

29、其中α是渗透因子，c2是内部阻力因子。

30、本模型模拟的是穿孔板，可以消除渗透项而只用内部损失项(darcy定律)，从而得到下面的多孔介质简化方程：

31、

32、这类模型都可以看作是由平行通道组成的各向不同性的多孔介质，其在烟气流动方向的内部阻力系数可通过计算得到内部内部阻力系数：(y方向即为烟气流动方向)

33、

34、3判断准则

35、在cfd模拟过程中，判断流动及混合的模拟结果能否满足要求的准则如下：催化滤管上游100mm截面处烟气速度分布相对标准偏差<20％,各仓室间烟气速度分布相对标准偏差<20％,烟道及催化反应器总阻力<1800pa。

36、其中相对标准偏差(cv)的定义：

37、cv＝σv/vo×100％

38、

39、σv：标准偏差

40、vo:平均速度/浓度

41、vi:单点速度/浓度

42、n:测点数量

43、通过cfd优化后确定的梯度过滤催化反应器的结构，包括壳体，花板、滤管、进风口、出风口、除尘脱硝一体化单位；壳体内设置花板，花板将壳体的内部空间分割成上箱体和中箱体；花板上设置有安装孔，用于安装所述除尘脱硝一体化单元；除尘脱硝一体化单元用径向疏密结构的滤管；在滤管集体底部分布多孔均布板；改进的结构特征为:在多孔均布板下方设置多孔均布板；设置与除尘脱硝一体化单位相同数量的进风口，位于各除尘脱硝一体化单位的多孔均布板与灰斗均风系统之间，设置与除尘脱硝一体化单位相同数量的出风口，位于各除尘脱硝一体化单位相对应的上箱体；进风口与出风口纵向对齐。

44、具体实施例中采用的除尘脱硝一体化单位排成2排，每排4个，出风口共8个，出风口共8个，设置总出风口通向各出风口，出风口通向总出风口。

45、具体实施例中采用的滤管为陶瓷纤维滤管，在外部形成紧密层，可抑制高碱粉尘和重金属颗粒对催化剂的致中毒作用，在内部形成嵌套高度分散催化剂粒子的疏松层，提升催化活性组分的利用率，且不明显增加过滤阻力。

46、本发明中的名称采用以下解释：

47、梯度过滤催化反应器：在去除不同浓度或不同种类污染时，通过同一反应器内，通过内部构造设计实现空间、时间等维度上的异步去除。

48、滤管:由pp塑料或石英砂、锰铁颗粒等构成管壁，可以实现透气渗水功能，并对气溶胶或液体中的物质进行截留的管材。

49、cfd：计算流体动力学(computational fluid dynamics)简写为cfd，基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。

50、本发明的有益效果：

51、通过cfd流场分析模型确认改进后梯度过滤催化反应器催化滤管上游100mm截面烟气流速分布满足指标要求，内部烟气均混合均匀，无明显回流漩涡发生，可有效避免局部高速低压现象、温度分布均十分均匀，可以降低滤管区域晃动的幅度，避免晃动造成的横向力超过滤管承受范围导致陶瓷滤管断管。