以鍋爐的選擇性催化還原（yuán）（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝係統為研究對象，運用（yòng）數值模擬的（de）方法分（fèn）析原噴（pēn）氨格柵結構下煙氣與氨氣的混合效果，對其結構和布置形式進行優（yōu）化調（diào）整，發現縮小噴氨圓管上噴氨（ān）孔的直徑並采用兩側（cè）布置大孔徑中間布置小孔徑的形式，可增強氨氣射流的穿透力（lì），NH3摩爾濃度的（de）變異係數Cv*高下降20%，煙氣與氨氣混合（hé）均勻性得到大幅提升。

       關鍵詞：噴氨格（gé）柵；數值模擬；變異係數；混合均勻（yún）性

       引言

       選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是指在催化（huà）劑作用下，噴入（rù）還（hái）原劑氨或尿素，將煙氣中的NOx還原為（wéi）N2和H2O。煙氣氨氮分布均勻性被視為（wéi）SCR脫硝性能評（píng）價的一個重要指（zhǐ）標，作為SCR脫（tuō）硝係統結構的一部分，噴（pēn）氨格柵可促使氨氣和煙氣在進入SCR反應器前充分（fèn）混合，噴氨裝置設計不合理將直接造成氨氮混合不均勻，進而影響到進入催化劑層的反應。隻有煙氣與氨具有良（liáng）好的混（hún）合均勻性，才能（néng）保證催（cuī）化劑層達到*佳的催化反應和氮脫除效率。國內外（wài）常用噴氨格（gé）柵進行多點噴氨，使氨均（jun1）勻地（dì）分布在整個反（fǎn）應器截麵（miàn）上（shàng）。越來越嚴的排（pái）放標準對SCR反（fǎn）應器內的速度場、濃度場、噴氨格柵（shān）噴射三者之間的耦合（hé）提出了更（gèng）高要求，係統均流與混合是脫硝係統運行優（yōu）化的關鍵之一。以鍋爐的SCR脫硝係統為研究對象，采用數值（zhí）模擬計算方法，在（zài）分析原噴氨格柵（shān）結構煙（yān）氣與（yǔ）氨氣的混合效果的基礎上，對其結構和（hé）布置形式進（jìn）行優化（huà）調整，為脫硝噴氨格柵結構參數的優化設計提供參考。

       1 模擬對象與方法

       1.1模擬對象的幾何結構及邊界條件

       脫硝還原劑采用氨氣，原始 SCR 噴氨（ān）格柵主要由氨氣風道和煙道組成， 計算區域的幾何模（mó）型如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 後 經氨氣（qì）入口 進 入 環（huán）形氨氣風（fēng）道，並從噴氨圓管的（de）管壁圓孔噴出；煙氣從高溫煙（yān）氣入口自上而（ér）下流動， 並在方形（xíng）段煙道（dào）內與氨氣混合，*終從煙氣出口流出。氨氣風道為矩形（xíng），布置在煙道周邊，兩側與噴氨圓管連通，煙道內共布置（zhì） 5 根噴氨圓管，煙道內每根（gēn）噴氨圓管（guǎn）中心線（xiàn）上，均設置有對稱（chēng）布置的噴氨孔， 噴口開孔方向與煙氣流向、噴氨圓（yuán）管中心線垂直。SCR 噴氨格柵模型網格劃分如（rú）圖 1（b）所示，運用 ANSYS MESH 軟（ruǎn）件對三維幾何模型進行網格劃分， 采用六麵體與四麵體混合網格，對噴氨圓管網格（gé）進行局部加密，*終的網格數量控製在 100 萬左右。


       SCR 噴氨格柵入口參數見（jiàn）表 1， 對部分參數進行（háng）了簡化處理，如用高溫空氣代替高溫（wēn）煙氣，用（yòng）純氨氣代替氨氣與空氣（qì）的混合氣體， 其他參數保持與實際情況一致（zhì）。


       1.2 物（wù）理模型

       對（duì） SCR 噴氨格柵區域進行流場優化模擬是基於 N-S 流動控製方程的求（qiú）解。采用標準 k-ε 模型模擬氣體湍流流動（dòng）。采用 Species 物質輸運模（mó）型模擬 NH3在煙氣中的（de）混合（hé）與擴散， 但不涉（shè）及化學反應。開啟能量方程（chéng），考慮空氣與氨（ān）氣的換熱。本模擬假設煙氣為單相氣體， 不考慮高溫煙氣中粉塵對流場的影響，將煙氣視為（wéi）不可壓縮流體，且（qiě）為定常流動；假（jiǎ）設高溫煙氣入口和氨（ān）氣入口的速度分布均勻。煙道入口采用速度（dù）進口邊界條件， 煙道（dào）出口（kǒu）為 Outflow 邊界條件；噴氨入口為速度入口，噴射角度與煙氣流動方向（xiàng）垂直；噴氨圓管及其他（tā）邊界設為絕熱壁麵條件，采用標（biāo）準（zhǔn）壁麵方程，無（wú）滑移邊界條件（jiàn）。

       2 模擬結果與分析

       2.1原（yuán）始SCR噴氨格柵的混合分析

       原始（shǐ） SCR 噴氨格柵共設置有 5 根噴氨圓管，每根圓管管壁上開有圓形噴氨孔，其（qí）布置如圖 2 所示：噴氨孔水平方向（xiàng）上雙側對稱布置，間距均為 20 mm，孔直徑（jìng）為（wéi） 7 mm，每根噴氨圓管布置 20 個噴氨孔，從噴氨孔（kǒng）出來氨氣的流向垂直於煙氣流向。


       通過建立現有 SCR 噴氨格柵區域的全尺度（dù）三維模型， 並利用 Fluent 18.0 進（jìn）行數值模擬計算，獲得了現有 SCR 噴氨格柵（shān）煙道內的（de）溫度和 NH3質量分數分布。圖 3 為原始噴氨格（gé）柵的溫（wēn）度分布，噴氨入口截麵的溫度分（fèn）布（bù）如圖 3（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方形段煙道的溫度較高，這是由於氨氣初始溫度為 150 ℃，而（ér）高溫煙氣初（chū）始溫度為 370 ℃。5根噴氨圓管均（jun1）出現兩（liǎng）側到中間，溫度明顯逐漸升高的現（xiàn）象（xiàng），*高（gāo）溫升達（dá） 180 ℃。由於壁麵均已設置為絕熱，所以排除導熱造成管內氨（ān）氣溫（wēn）度升高，這可能是由（yóu）於通過噴氨孔部分高溫空氣（qì）混入了噴氨圓管中。煙（yān）氣出口溫（wēn）度分布如圖 3（b）所示，總體上看出口的溫度（dù）分布並不十分均（jun1）勻，兩側存在局部低溫區。


       圖 4 為原（yuán）始（shǐ）噴（pēn）氨格柵的 NH3質量分數分布，噴氨入口截麵的 NH3質量（liàng）分數分布如圖 4（a）所（suǒ）示，氨（ān）氣風（fēng）道的 NH3質量分數分布為 1，方形段煙道的為 0。5 根噴氨圓管均出現兩側到中間，NH3質量分數分布（bù）逐（zhú）漸降低的現象。而模擬過程中隻有 NH3和空氣（qì）兩種組分，這說明隨著 NH3在（zài）噴氨圓管中流動，方（fāng）形煙道（dào）中部分（fèn）空氣通過噴氨孔進入到圓管中。煙氣出口NH3質量分數分布如圖（tú） 4（b）所示，總體上（shàng）看出口NH3的分布並不（bú）十分均勻，存在中間濃度低，兩側濃度高的現象。

       無論從溫度還是 NH3質量分數的分布來看，采用原始的噴氨格柵結構都存在高溫（wēn）煙氣與氨氣（qì）混合均勻性較差的問題， 即煙道出口兩側氨氣濃度高，中間濃度低的情況。這（zhè）可能是由於氨氣沿著（zhe）圓管由兩（liǎng）側向中間流動時，其流量在逐漸減（jiǎn）小；且噴氨孔是水平布置，高溫（wēn）空氣垂直流動；並*終導致噴氨圓管的中間（jiān）位置高溫空氣更容易通過噴氨孔進入圓（yuán）管（guǎn）， 而氨（ān）氣則更難從噴氨圓管的噴氨孔流入方形煙（yān）道。因此，優化設計時還因（yīn）考慮在工藝允許的情況（kuàng）下， 進一步（bù）縮小圓管中間段噴氨（ān）孔的直徑。


       2.2 優化後 SCR 噴氨格柵的（de）混合分析

       對原始 SCR 噴氨格（gé）柵進行了優化設（shè）計，其結構如圖 5 所示。噴氨圓管上噴氨孔還是以 20 mm 等間距布置， 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及（jí） D4.0 mm4 種規格，具體地，兩側布置大孔徑中（zhōng）間布置小孔徑，噴氨孔（kǒng）的數量和（hé）原始噴氨圓管一樣（yàng），在水平方向上雙側布置，每根噴氨圓管（guǎn）布置 20 個（gè）噴氨（ān）孔（kǒng），從（cóng）噴氨孔（kǒng）出來氨氣的流向垂直於煙氣流向。通過數值計算獲得了優化後 SCR 噴氨格柵煙（yān）道內的溫度（dù）和 NH3質量分數分布。

       圖 6 為優化後噴氨格柵的溫度分布， 其溫度標尺和圖 3 原始噴氨格柵的溫度標尺保持一（yī）致。噴氨入口截麵的溫度（dù）分布如圖 6（a）所示，氨氣風道（dào）的溫度（dù）較低，方形段煙道（dào）的溫度較高， 這同樣是由於氨氣（qì）和空氣的初始（shǐ）溫度不一致。5 根噴氨圓管在方形煙道內溫度稍微升高了一點， *高溫升不超（chāo）過 30 ℃，並未出現 原始結構 兩 側 到 中 間 溫 度 明 顯 升 高 的 現象。煙氣出口溫度分布如圖 6（b）所示，雖然出口還存在小範圍的局部低溫（wēn）區， 但總體（tǐ）上看其溫度分布還是比較均勻， 相（xiàng）比較於原（yuán）始噴氨格柵出（chū）口（kǒu）的溫度分布，局部低溫區範圍大大（dà）較小，溫度均勻性（xìng）明（míng）顯提升。

       圖 7 為優化後噴氨格柵的 NH3質量分數（shù）分（fèn）布，其質量分數標尺和圖 4 原始噴氨格柵的質量分數標（biāo）尺保持一致。噴氨入口截（jié）麵的 NH3質量分數分布如圖（tú） 7（a）所示，氨氣風道的 NH3質量分（fèn）數分布為 1，方形段煙道為 0。5 根噴氨圓管在方形（xíng）煙道中 NH3質量（liàng）分數均出現了小幅降低， 這說明（míng）有少量空氣通過（guò）噴氨孔進入圓管中。但相較於原始噴氨格柵，混入噴氨圓管的空氣大幅減（jiǎn）少。煙氣（qì）出口 NH3質量分數分布如圖 7（b）所示，總體上（shàng）看出口 NH3的分布比較均勻，僅存在小範（fàn）圍的低濃度區。


       2.3 優化前後 NH3分布均勻性對比分析

       為進一步了解噴氨格柵優化前後（hòu） NH3的分布均勻性，將對 NH3的摩爾濃度進行定量分析。采用變異係數 Cv這一參數作為衡量濃（nóng）度均勻性的標準，並將（jiāng）其定義為


       如圖（tú） 1（a）所示，沿著混合煙道氣流方向由上而下分別截取 x=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m 和0.6 m 6 個截麵， 並對其 NH3摩爾濃度的 Cv值進行（háng）比較分析。圖 8 為優化前後混合煙道各流通截麵NH3摩爾濃度 Cv值的對比， 可以看出無論優化（huà）前還（hái）是優化後，NH3摩爾濃度的變異（yì）係數都是隨著 x 值增大而減小，說（shuō）明隨著煙氣與 NH3的不斷摻混，NH3的分布越來均勻；且經過 0.6 m 的混合距離，兩種結構下的（de） NH3變異係數 Cv值均減小一半，均勻性均提高了一倍。然而無（wú）論哪個（gè）截麵，優化後的 Cv值均明顯小於優化前（qián），下降幅度在 10%～20%之間，說明僅通過調整噴氨孔徑來優化（huà）噴氨格（gé）柵結構，NH3分布的均勻性（xìng）就能大幅提高。

       3 結語

       基於（yú）原有的SCR噴氨格柵結構進行模擬分析，發現其布置並不合理，噴氨入口截麵和煙氣出口均存在（zài）中間NH3質量（liàng）分數較低，而兩側較高的現象，煙氣與氨（ān）氣混合均勻性（xìng）較差。通過縮小噴氨圓管上噴氨孔的直徑（jìng）並采用兩側布置大孔徑中間布置小孔徑的形式，增強了氨氣射流的（de）穿透力，使煙氣與氨氣混合均勻性得（dé）到大幅提升，並（bìng）*終確立了較優化的噴氨格柵結構。