CFD数值模拟在废气催化氧化处理中的应用

王 晶，王海波，刘志禹

（中国石化 抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001）

CFD数值模拟在废气催化氧化处理中的应用

王 晶，王海波，刘志禹

（中国石化 抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001）

催化氧化技术是处理VOCs的常用方法之一，为节省占地、节约投资，将常用催化氧化装置集合为组合式催化氧化反应器。为使净化气均匀地进入换热段、降低速度偏差、保证换热效率，利用计算流体软件CFD对反应段出口至换热段的烟道流场分布进行了数值模拟，并通过计算得到了使流场均匀分布的导流板结构。

催化氧化；反应器；导流板；流场模拟

催化氧化技术是处理 VOCs（Volatile Organic Compounds，挥发性有机化合物）的常用方法之一[1,2]。催化氧化是指在催化剂的作用下，有机废气中的碳氢化合物在温度较低的条件下迅速氧化成水和二氧化碳，从而达到治理目的。具有节省能耗、处理效率高、无二次污染等优点，现已广泛应用于工业有机废气的治理[3,4]。

1 组合催化氧化反应器结构

1.1 传统催化氧化装置结构

催化氧化常用的工艺流程见图1。

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

有机废气温度一般在 100 ℃以下，浓度也较低，热量不能自给，因此在进入反应前需要预热升温；处理后的净化气温度较高，在换热器内与待处理废气进行热量交换，以回收部分热量。预热段一般采用煤气或电加热器，将有机废气升温至催化氧化反应所需的起燃温度。正常操作情况下，换热器回收的热量能够维持催化氧化反应的热平衡，因此预热段（加热器）通常只在起燃时使用。

1.2 组合催化氧化反应器结构

为节省占地、节约投资，将催化氧化各装置集合成为组合式催化氧化装置，如图2所示。

图2 组合式催化氧化装置Fig. 2 Combined catalytic oxidation reactor

其中反应段出口至换热段的烟道（图2所示模拟区域）较长，为使净化气均匀地进入换热段、降低速度偏差、保证换热效率，需要在反应段出口烟道内设置导流板。本文利用计算流体软件 CFD (Computational Fluid Dynamics)对反应段出口烟道的流场分布进行数值模拟，并通过计算得到了使流场均匀分布的导流板结构。

2 数值模拟

2.1 物理模型的建立

选取反应段出口至换热段入口之间的烟道作为模拟对象，利用CAXA软件建立三维模型，如图所示，图3为无导流板的烟道，图4为设置导流板的烟道。

图3 无导流板烟道物理模型Fig. 3 Flue physic model without deflector

图4 有导流板烟道物理模型Fig.4 Flue physic model with deflectors

2.2 网格无关性验证

2.2.1 网格类型对数值计算结果的影响

为验证网格类型对数值计算结果的影响，利用Meshing软件对无导流板的模型（图3）分别划分了四面体和六面体网格。两种网格的数量基本相同，分别为55 003个单元的四面体网格和55 236个单元的六面体网格。采用相同的边界条件及计算方法，计算得到了出口截面中心线上的速度分布对比曲线（图5），从图中可以看出，四面体网格与六面体网格计算得到的出口速度基本相同，说明网格类型对计算结果影响不大，因此为简化计算，后续采用四面体网格进行数值模拟计算。

2.2.2 网格尺寸对数值计算结果的影响

为验证网格尺寸对数值计算结果的影响，对无导流板的模型（图 3）利用Meshing软件分别划分了两种不同尺寸的四面体网格。两种尺寸的网格数量不同，分别为55 003个单元和101 811个单元。采用相同的边界条件及计算方法，计算得到了出口截面中心线上的速度分布对比曲线（图6），从图中可以看出，不同网格尺寸的四面体网格计算得到的出口速度基本相同，说明网格尺寸对计算结果影响不大，因此为简化计算，后续采用较粗的四面体网格进行数值模拟计算。

图5 不同类型网格的出口速度对比Fig. 5 Comparison of outlet velocity between different mesh types

图6 不同尺寸网格的出口速度对比Fig. 6 Comparison of outlet velocity between different mesh sizes

2.3 数值计算方法

根据雷诺数Re计算得到流动处于湍流状态，因此计算模型采用标准湍流模型。模拟采用空气作为介质，不考虑温度影响。标准模型控制方程的通用表达形式如下[5-9]：

其中，ρ为流体密度，t为时间，φ为通用变量，u为速度矢量，Γ为广义扩散系数，S为广义源项。

2.4 边界条件设置

入口条件：取反应器出口为入口，速度为 2.3 m/s。

出口条件：取换热器进口为出口，设为压力出口，出口压力为0 Pa。

3 数值模拟结果

3.1 流场的流线图对比

图7与图8分别为无导流板和有导流板时计算得到组合反应器内流场流线图的对比，从图中可以看出，未加导流板时，烟气再通过反应段出口烟道时形成明显偏流；增加导流板之后，烟气在导流板的引流作用下均匀地通过反应段出口烟道。

图7 无导流板烟道的流线图Fig. 7 Streamline for the flue without deflector

图8 有导流板烟道的流线图Fig.8 Streamline for the flue with deflector

3.2 流场的速度矢量图对比

图9与图10分别为无导流板和有导流板时计算得到组合反应器内流场速度矢量图的对比，从图中可以看出，未加导流板时，烟气再通过反应段出口烟道时速度梯度较大；增加导流板之后，烟气在导流板的导流作用下，速度分布比较均匀。

3.3 流场的压力云图对比

图11与图12分别为无导流板和有导流板时计算得到组合反应器内流场压力云图的对比，从图中可以看出，未加导流板时，烟气再通过反应段出口烟道时压降较大且压力梯度较大；增加导流板之后，在导流板的作用下，压降减小且压力分布比较均匀。

图9 无导流板烟道的速度矢量图Fig.9 Velocity vector for the flue without deflector

图10 有导流板烟道的流线图Fig.10 Velocity vector for the flue with deflector

图11 无导流板烟道的压力云图Fig.11 Pressure contour for the flue without deflector

图12 有导流板烟道的压力云图Fig.12 Pressure contour for the flue with deflector

4 结 论

通过对组合式催化氧化装置反应段出口烟道的数值模拟，得到其流场分布。分析发现在未设置导流板时，流场分布不均匀，因此会影响进入换热段后的换热效果。设置导流板后，强化了反应段出口烟道流场的均匀分布，烟气在导流板的引流作用下均匀通过反应段出口烟道，且压降较小、流体速度分布均匀，满足流场设计要求。

［1］ 左满宏，吕宏安．催化燃烧与催化剂材料在VOCs治理方面研究进展[J].天津化工，2007，21(4)：8-10.

［2］ 邓睿，周飞，唐江，等．VOC的排放以及控制措施和建议[J].材料导报，2014，28(S2)：378-384.

［3］ 赵磊，王新，刘忠生，等. 合成橡胶生产中废气的催化氧化处理技术[J].橡胶工业，2016，63(5)：316-319.

［4］ 郝晓霞，王怀志，王筱喃，等. PTA尾气治理技术概述[J].当代化工，2013，42(2)：187-189.

［5］ 张力，邱赘，唐强，等. 微型预混腔内流体传质影响因素的数值模拟[J].中国电机工程学报，2007，27(11)：78-82.．

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［9］ 王福军．计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004：7-254.

我国首创万吨级粉煤热解-气化一体化技术

4月23日，由陕西延长石油集团自主研发的，具有我国完全自主知识产权的CCSI—万吨级粉煤热解-气化一体化技术，在北京通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。

针对国内外煤炭分质利用技术研发及工程化过程中，煤焦油收率低、煤焦油与粉尘分离难、半焦转化利用难、产品同质化严重等核心问题，由延长石油碳氢高效利用技术研究中心自主研发了万吨级粉煤热解-气化一体化技术(CCSI)。该技术依据煤的组成、结构特征以及不同组分反应性的差异，创造性地将粉煤热解与半焦气化结合在一个反应器内，以空气为气化剂(或氧气)，将粉煤一步法转化为高品质的中低温煤焦油和合成气，实现了粉煤热解、半焦气化的分级转化和优化集成。

记者获悉，2012年10月，延长石油碳氢研究中心首先建立了一套CCSI技术小试研究装置，开展了20余次冷态试验、26余次冷模试验以及134余次热态投料试验。通过温度、压力、反应气氛、停留时间、粒径等主要因素对粉煤快速热解产物分布的影响，得到了一系列基础数据和热解规律，获得了最优的工艺操作条件，主要产物煤焦油收率突破 6%～8 % 的行业平均水平，达到了15%以上。在CCSI小试研究的基础上，2014年2月，延长石油碳氢研究中心开展了世界上第一套万吨级的粉煤热解-气化一体化工业试验装置的建设以及研究工作。CCSI工业试验装置的设计规模为36 t/d、设计压力为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，黑龙江哈尔滨市人，硕士学位，2014年毕业于华东理工大学化工过程机械专业，研究方向：从事环保设备设计与开发工作。E-mail：wangjing.fshy@sinopec.com。