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

       關鍵（jiàn）詞：噴氨格柵；數值模擬；變異係數；混合均勻性

       引言

       選擇性催化（huà）還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是指（zhǐ）在催化劑作用下，噴（pēn）入還原（yuán）劑氨或尿素，將煙氣中的（de）NOx還原為N2和H2O。煙氣（qì）氨氮分布均勻性被視為SCR脫硝性能評價的一個重（chóng）要指標，作為SCR脫硝係（xì）統結構的一（yī）部分，噴氨格柵可促使氨氣和煙（yān）氣在進入SCR反應器前充分混合，噴氨裝置設計不（bú）合（hé）理將直接造成氨氮混合不均勻，進而影響到進入催化（huà）劑層的反（fǎn）應。隻有煙氣與氨具有良好的（de）混合均勻性，才能保證催化劑層（céng）達到（dào）*佳的催化反應和氮脫除效（xiào）率。國內外常用噴氨格柵進行多點噴氨，使氨均勻地分布在整個反應器截麵上。越來越（yuè）嚴的排放標準對SCR反應器內的（de）速度（dù）場、濃度場、噴氨格柵噴（pēn）射三者之間的耦（ǒu）合（hé）提出了更高要求，係統均流與混合是脫硝係（xì）統運（yùn）行優化的關鍵之一。以鍋爐的SCR脫硝係（xì）統（tǒng）為研究對象，采用數值（zhí）模擬計算（suàn）方法，在分析（xī）原（yuán）噴氨格柵結構煙（yān）氣（qì）與氨氣的混合效果的基礎上（shàng），對其結構和布置形式進行優化調（diào）整，為脫硝噴氨格柵結構參數的優化設計提供（gòng）參考。

       1 模擬（nǐ）對象與（yǔ）方法

       1.1模擬對象的幾何結構（gòu）及邊界條件

       脫硝還原劑采（cǎi）用氨氣（qì），原始 SCR 噴氨格柵主（zhǔ）要由氨氣風道和煙道（dào）組成， 計算區域的幾何模型（xíng）如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 後 經氨（ān）氣入口 進 入 環形氨氣風道，並從噴氨圓管（guǎn）的管（guǎn）壁圓孔噴出；煙氣（qì）從高溫煙氣（qì）入口（kǒu）自上而下流動， 並在方形段煙道內與氨氣混合，*終從煙（yān）氣出口流（liú）出。氨氣風道為（wéi）矩形，布置在煙道周邊，兩側與噴氨圓（yuán）管連通，煙道內（nèi）共布置 5 根噴氨圓管（guǎn），煙道（dào）內每根噴氨圓管中心線上，均設置有對稱布置的（de）噴氨孔， 噴口開孔方向與煙氣（qì）流向、噴氨（ān）圓管中心線垂直。SCR 噴氨格柵模型網格劃分如圖 1（b）所示，運用 ANSYS MESH 軟件對三（sān）維幾何模型進行網格劃（huá）分， 采用六麵體與四麵體混合（hé）網格，對噴氨圓管網格進行局部（bù）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表 1， 對部分參數進行了簡（jiǎn）化（huà）處（chù）理（lǐ），如（rú）用高溫空氣代替高（gāo）溫煙氣，用（yòng）純氨氣（qì）代替氨氣與空氣的混合氣體， 其他參（cān）數保持與實際情況一致（zhì）。


       1.2 物理模型

       對 SCR 噴氨格（gé）柵區域（yù）進行流場優化模擬是基於 N-S 流動（dòng）控製（zhì）方程的求解。采用標（biāo）準 k-ε 模型（xíng）模擬氣體湍流流動。采用 Species 物質輸運模型模擬 NH3在煙氣中的混合與擴散， 但不涉及化學反應。開啟能量（liàng）方程，考慮空氣與氨氣（qì）的換熱（rè）。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，將煙氣視為不可壓縮流體，且為定常流動；假設高溫煙氣入口和氨（ān）氣（qì）入口的速度分（fèn）布均（jun1）勻。煙道入口采用速度（dù）進口邊界條件， 煙道出口為 Outflow 邊界條件；噴氨入口（kǒu）為速度入口，噴射角度與煙氣流動方向垂直；噴氨圓管及其他邊界設為絕熱壁麵條件，采用標準壁麵（miàn）方程，無滑移邊界條件。

       2 模擬結果與分析（xī）

       2.1原始SCR噴氨格柵的混合分析

       原始 SCR 噴（pēn）氨格（gé）柵共設置有 5 根噴氨圓管，每根圓（yuán）管管壁上開有圓形噴氨（ān）孔，其布置（zhì）如圖（tú） 2 所示：噴氨孔水（shuǐ）平方向上雙側對稱布置，間距均為 20 mm，孔（kǒng）直徑為 7 mm，每根噴氨圓管布（bù）置 20 個噴氨（ān）孔，從噴氨孔出來氨（ān）氣（qì）的流向垂直於煙氣流向。


       通過建立現（xiàn）有 SCR 噴氨格柵區域（yù）的全尺度三維模型， 並利用 Fluent 18.0 進（jìn）行數值模擬計算，獲得了現有 SCR 噴氨格柵煙道內的溫度和 NH3質量分數分布。圖（tú） 3 為原（yuán）始噴氨（ān）格柵的溫度分布，噴氨入口截麵的溫（wēn）度分布如圖 3（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方形段（duàn）煙道的溫（wēn）度較高，這是由於氨氣初始溫度為 150 ℃，而高溫煙氣初始溫度為 370 ℃。5根噴氨圓管均出現兩側到中間，溫度明顯（xiǎn）逐漸升高的現象，*高溫升達 180 ℃。由於壁麵均已設置（zhì）為絕熱，所以排除導（dǎo）熱（rè）造成管內氨氣溫度升高，這可（kě）能是由於通過噴氨孔部分高溫空氣混入了噴氨圓管中。煙氣出口溫度分布如圖 3（b）所示，總體上看出口的溫度分布並不十分均勻，兩側存在局部低溫區。


       圖 4 為原始噴氨格柵的 NH3質量分數分布，噴氨入口截麵的 NH3質量分數分（fèn）布如圖 4（a）所示，氨（ān）氣風道的 NH3質量分數分布為 1，方形（xíng）段煙道的為 0。5 根噴氨圓管均出現兩（liǎng）側到（dào）中間，NH3質量分數分布逐漸（jiàn）降低的（de）現象。而模擬過程中隻（zhī）有 NH3和空氣兩種組分，這說明（míng）隨著 NH3在噴氨（ān）圓管（guǎn）中流動，方形煙道中部分（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 4（b）所示，總體上看（kàn）出口NH3的分布並不十分均勻（yún），存在（zài）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（yòng）原（yuán）始的噴（pēn）氨格柵結構都存在高溫煙（yān）氣與氨氣混（hún）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（dù）低的情況。這可能是由於氨氣沿著圓管由兩側（cè）向中間（jiān）流動時，其流量在逐漸減小；且噴氨孔是（shì）水平布置，高溫空氣垂直流（liú）動；並（bìng）*終導致（zhì）噴氨圓管的中間位置高溫空氣更容易（yì）通過噴氨孔進入圓管， 而氨氣則更難從噴氨圓管的噴（pēn）氨孔流入方形煙道。因此，優化設計時還因考慮在工藝允許的情況下， 進一步縮（suō）小圓管中間段噴氨孔的直徑。


       2.2 優化後 SCR 噴氨（ān）格柵的混合分析

       對原始 SCR 噴（pēn）氨格柵進行了優化設計，其結構如圖 5 所（suǒ）示。噴氨圓管上噴氨孔還是以 20 mm 等間（jiān）距布（bù）置， 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及 D4.0 mm4 種規格，具體（tǐ）地，兩側布置大（dà）孔徑中間布置小（xiǎo）孔徑，噴（pēn）氨孔的數量和原始噴氨圓管一樣，在水平方向上（shàng）雙側布置，每根噴氨圓管布置 20 個噴氨（ān）孔，從噴氨孔出來氨氣的流向垂直於煙氣流向。通過數值計算獲（huò）得了優化後 SCR 噴氨（ān）格柵煙道（dào）內的溫度和 NH3質量分數分布。

       圖 6 為優（yōu）化後（hòu）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（chǐ）保持一致。噴氨入（rù）口截麵的溫度分布如圖（tú） 6（a）所示，氨氣風道的溫度較低（dī），方形段煙道的溫度較高， 這同樣是由於氨氣和空（kōng）氣（qì）的初始溫度（dù）不一致。5 根噴氨（ān）圓管在方（fāng）形煙道內溫度稍微升（shēng）高了（le）一點， *高溫升不超過 30 ℃，並（bìng）未出現 原始結構 兩（liǎng） 側 到 中 間 溫（wēn） 度 明（míng） 顯 升 高 的（de） 現象。煙氣出口溫度分布如圖 6（b）所示，雖然出（chū）口（kǒu）還存在小範圍的局部低溫區， 但總體上看其溫度分布還（hái）是比（bǐ）較均勻， 相（xiàng）比（bǐ）較於原始噴氨格柵出（chū）口（kǒu）的溫度分布（bù），局部低溫區範圍大大較小，溫（wēn）度均勻性明顯提升。

       圖 7 為優化後噴氨格柵的（de） NH3質量分數分布，其質量分數（shù）標尺和圖 4 原始噴氨格柵的質量分數標尺保持一致。噴氨入口截麵的 NH3質量（liàng）分數分布如圖 7（a）所示，氨氣風道的 NH3質量分數分布為（wéi） 1，方形段煙道為 0。5 根噴氨圓管在方形煙道中 NH3質量分數均出現了小幅降低， 這說（shuō）明有少（shǎo）量空氣通過噴（pēn）氨孔進入圓管中（zhōng）。但相較於原始噴氨格柵，混入噴氨圓管的空氣大幅減少。煙氣出口（kǒu） NH3質量分數分布如圖 7（b）所示，總體上看出口 NH3的分布（bù）比較均勻，僅存在（zài）小範圍的低濃度區。


       2.3 優化前後 NH3分布均勻性對比分析

       為（wéi）進一步了解噴氨格柵優化前後 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度均（jun1）勻性的標準，並將其定義為


       如圖 1（a）所示，沿著混合煙道氣（qì）流方向（xiàng）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值進行比（bǐ）較分析（xī）。圖 8 為（wéi）優化（huà）前（qián）後混合煙道各流通（tōng）截麵NH3摩爾濃度 Cv值的（de）對（duì）比， 可以看出無論優化前還是（shì）優化後，NH3摩爾濃度的變異係數都（dōu）是（shì）隨著 x 值增大而（ér）減（jiǎn）小，說明隨著煙氣與 NH3的不斷（duàn）摻混，NH3的分布越（yuè）來均勻；且經過 0.6 m 的混合距離，兩種結構下的 NH3變異係數 Cv值均減小一半，均勻性均提高（gāo）了一（yī）倍（bèi）。然而無（wú）論哪個截麵，優化後的 Cv值（zhí）均（jun1）明顯小於（yú）優化前，下降幅度在 10%～20%之間，說明僅通（tōng）過調整噴氨孔徑來優化噴氨（ān）格柵結構，NH3分布的均勻性就能大幅（fú）提高。

       3 結語

       基於原有的SCR噴氨格柵結（jié）構進行模擬（nǐ）分析，發現（xiàn）其布置並不合理，噴氨（ān）入口截麵和煙氣出（chū）口均（jun1）存在中間NH3質量分數較低，而兩側較高的現象，煙（yān）氣與氨氣混合均勻性較差。通過縮小噴氨圓管上噴氨（ān）孔（kǒng）的（de）直徑並采用兩側布置大孔徑中間（jiān）布（bù）置小（xiǎo）孔徑的形式，增強了氨氣射（shè）流的穿透力，使煙氣與氨氣混合均勻性得到大幅提升，並*終（zhōng）確立（lì）了較優化的噴氨格柵結構。