CFD數值模擬在廢氣催化氧化處理中的應用

王 晶，王海波，劉志禹

（中國石化 撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

CFD數值模擬在廢氣催化氧化處理中的應用

王 晶，王海波，劉志禹

（中國石化 撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

催化氧化技術是處理VOCs的常用方法之一，為節省占地、節約投資，將常用催化氧化裝置集合為組合式催化氧化反應器。為使凈化氣均勻地進入換熱段、降低速度偏差、保證換熱效率，利用計算流體軟件CFD對反應段出口至換熱段的煙道流場分布進行了數值模擬，并通過計算得到了使流場均勻分布的導流板結構。

催化氧化；反應器；導流板；流場模擬

催化氧化技術是處理 VOCs（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）的常用方法之一[1,2]。催化氧化是指在催化劑的作用下，有機廢氣中的碳氫化合物在溫度較低的條件下迅速氧化成水和二氧化碳，從而達到治理目的。具有節省能耗、處理效率高、無二次污染等優點，現已廣泛應用于工業有機廢氣的治理[3,4]。

1 組合催化氧化反應器結構

1.1 傳統催化氧化裝置結構

催化氧化常用的工藝流程見圖1。

圖1 催化氧化常用的流程形式Fig. 1 Normal catalytic oxidation equipment

有機廢氣溫度一般在 100 ℃以下，濃度也較低，熱量不能自給，因此在進入反應前需要預熱升溫；處理后的凈化氣溫度較高，在換熱器內與待處理廢氣進行熱量交換，以回收部分熱量。預熱段一般采用煤氣或電加熱器，將有機廢氣升溫至催化氧化反應所需的起燃溫度。正常操作情況下，換熱器回收的熱量能夠維持催化氧化反應的熱平衡，因此預熱段（加熱器）通常只在起燃時使用。

1.2 組合催化氧化反應器結構

為節省占地、節約投資，將催化氧化各裝置集合成為組合式催化氧化裝置，如圖2所示。

圖2 組合式催化氧化裝置Fig. 2 Combined catalytic oxidation reactor

其中反應段出口至換熱段的煙道（圖2所示模擬區域）較長，為使凈化氣均勻地進入換熱段、降低速度偏差、保證換熱效率，需要在反應段出口煙道內設置導流板。本文利用計算流體軟件 CFD (Computational Fluid Dynamics)對反應段出口煙道的流場分布進行數值模擬，并通過計算得到了使流場均勻分布的導流板結構。

2 數值模擬

2.1 物理模型的建立

選取反應段出口至換熱段入口之間的煙道作為模擬對象，利用CAXA軟件建立三維模型，如圖所示，圖3為無導流板的煙道，圖4為設置導流板的煙道。

圖3 無導流板煙道物理模型Fig. 3 Flue physic model without deflector

圖4 有導流板煙道物理模型Fig.4 Flue physic model with deflectors

2.2 網格無關性驗證

2.2.1 網格類型對數值計算結果的影響

為驗證網格類型對數值計算結果的影響，利用Meshing軟件對無導流板的模型（圖3）分別劃分了四面體和六面體網格。兩種網格的數量基本相同，分別為55 003個單元的四面體網格和55 236個單元的六面體網格。采用相同的邊界條件及計算方法，計算得到了出口截面中心線上的速度分布對比曲線（圖5），從圖中可以看出，四面體網格與六面體網格計算得到的出口速度基本相同，說明網格類型對計算結果影響不大，因此為簡化計算，后續采用四面體網格進行數值模擬計算。

2.2.2 網格尺寸對數值計算結果的影響

為驗證網格尺寸對數值計算結果的影響，對無導流板的模型（圖 3）利用Meshing軟件分別劃分了兩種不同尺寸的四面體網格。兩種尺寸的網格數量不同，分別為55 003個單元和101 811個單元。采用相同的邊界條件及計算方法，計算得到了出口截面中心線上的速度分布對比曲線（圖6），從圖中可以看出，不同網格尺寸的四面體網格計算得到的出口速度基本相同，說明網格尺寸對計算結果影響不大，因此為簡化計算，后續采用較粗的四面體網格進行數值模擬計算。

圖5 不同類型網格的出口速度對比Fig. 5 Comparison of outlet velocity between different mesh types

圖6 不同尺寸網格的出口速度對比Fig. 6 Comparison of outlet velocity between different mesh sizes

2.3 數值計算方法

根據雷諾數Re計算得到流動處于湍流狀態，因此計算模型采用標準湍流模型。模擬采用空氣作為介質，不考慮溫度影響。標準模型控制方程的通用表達形式如下[5-9]：

其中，ρ為流體密度，t為時間，φ為通用變量，u為速度矢量，Γ為廣義擴散系數，S為廣義源項。

2.4 邊界條件設置

入口條件：取反應器出口為入口，速度為 2.3 m/s。

出口條件：取換熱器進口為出口，設為壓力出口，出口壓力為0 Pa。

3 數值模擬結果

3.1 流場的流線圖對比

圖7與圖8分別為無導流板和有導流板時計算得到組合反應器內流場流線圖的對比，從圖中可以看出，未加導流板時，煙氣再通過反應段出口煙道時形成明顯偏流；增加導流板之后，煙氣在導流板的引流作用下均勻地通過反應段出口煙道。

圖7 無導流板煙道的流線圖Fig. 7 Streamline for the flue without deflector

圖8 有導流板煙道的流線圖Fig.8 Streamline for the flue with deflector

3.2 流場的速度矢量圖對比

圖9與圖10分別為無導流板和有導流板時計算得到組合反應器內流場速度矢量圖的對比，從圖中可以看出，未加導流板時，煙氣再通過反應段出口煙道時速度梯度較大；增加導流板之后，煙氣在導流板的導流作用下，速度分布比較均勻。

3.3 流場的壓力云圖對比

圖11與圖12分別為無導流板和有導流板時計算得到組合反應器內流場壓力云圖的對比，從圖中可以看出，未加導流板時，煙氣再通過反應段出口煙道時壓降較大且壓力梯度較大；增加導流板之后，在導流板的作用下，壓降減小且壓力分布比較均勻。

圖9 無導流板煙道的速度矢量圖Fig.9 Velocity vector for the flue without deflector

圖10 有導流板煙道的流線圖Fig.10 Velocity vector for the flue with deflector

圖11 無導流板煙道的壓力云圖Fig.11 Pressure contour for the flue without deflector

圖12 有導流板煙道的壓力云圖Fig.12 Pressure contour for the flue with deflector

4 結 論

通過對組合式催化氧化裝置反應段出口煙道的數值模擬，得到其流場分布。分析發現在未設置導流板時，流場分布不均勻，因此會影響進入換熱段后的換熱效果。設置導流板后，強化了反應段出口煙道流場的均勻分布，煙氣在導流板的引流作用下均勻通過反應段出口煙道，且壓降較小、流體速度分布均勻，滿足流場設計要求。

［1］ 左滿宏，呂宏安．催化燃燒與催化劑材料在VOCs治理方面研究進展[J].天津化工，2007，21(4)：8-10.

［2］ 鄧睿，周飛，唐江，等．VOC的排放以及控制措施和建議[J].材料導報，2014，28(S2)：378-384.

［3］ 趙磊，王新，劉忠生，等. 合成橡膠生產中廢氣的催化氧化處理技術[J].橡膠工業，2016，63(5)：316-319.

［4］ 郝曉霞，王懷志，王筱喃，等. PTA尾氣治理技術概述[J].當代化工，2013，42(2)：187-189.

［5］ 張力，邱贅，唐強，等. 微型預混腔內流體傳質影響因素的數值模擬[J].中國電機工程學報，2007，27(11)：78-82.．

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我國首創萬噸級粉煤熱解-氣化一體化技術

4月23日，由陜西延長石油集團自主研發的，具有我國完全自主知識產權的CCSI—萬噸級粉煤熱解-氣化一體化技術，在北京通過中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定。

針對國內外煤炭分質利用技術研發及工程化過程中，煤焦油收率低、煤焦油與粉塵分離難、半焦轉化利用難、產品同質化嚴重等核心問題，由延長石油碳氫高效利用技術研究中心自主研發了萬噸級粉煤熱解-氣化一體化技術(CCSI)。該技術依據煤的組成、結構特征以及不同組分反應性的差異，創造性地將粉煤熱解與半焦氣化結合在一個反應器內，以空氣為氣化劑(或氧氣)，將粉煤一步法轉化為高品質的中低溫煤焦油和合成氣，實現了粉煤熱解、半焦氣化的分級轉化和優化集成。

記者獲悉，2012年10月，延長石油碳氫研究中心首先建立了一套CCSI技術小試研究裝置，開展了20余次冷態試驗、26余次冷模試驗以及134余次熱態投料試驗。通過溫度、壓力、反應氣氛、停留時間、粒徑等主要因素對粉煤快速熱解產物分布的影響，得到了一系列基礎數據和熱解規律，獲得了最優的工藝操作條件，主要產物煤焦油收率突破 6%～8 % 的行業平均水平，達到了15%以上。在CCSI小試研究的基礎上，2014年2月，延長石油碳氫研究中心開展了世界上第一套萬噸級的粉煤熱解-氣化一體化工業試驗裝置的建設以及研究工作。CCSI工業試驗裝置的設計規模為36 t/d、設計壓力為1.0MPa。

Application of CFD Simulation in the Catalytic Oxidation Reactor for Flue Gas

WANG Jing,WANG Hai-bo,LIU Zhi-yu

（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China）

Catalytic oxidation technology is one of the most commonly used methods to treat VOCs. For the purpose of saving space and investment, normal catalytic oxidation equipment was modified as combined catalytic oxidation reactor. In this paper, flow field of the flue between reactor zone and heat exchange zone in the combined catalytic oxidation reactor was simulated by CFD software. The suitable structure of deflectors for uniforming the flue flow field distribution was obtained and applied in the combined catalytic oxidation reactor.

Catalytic oxidation;Reactor; Deflector; Flow field simulation

TE 624

A

1671-0460（2017）04-0765-03

2017-01-19

王晶（1989-），女，黑龍江哈爾濱市人，碩士學位，2014年畢業于華東理工大學化工過程機械專業，研究方向：從事環保設備設計與開發工作。E-mail：wangjing.fshy@sinopec.com。