以鍋爐的選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝係統為研究（jiū）對象，運用數值模擬的方法分析原噴氨格柵結構下煙氣與氨氣（qì）的混合效果，對其結構和（hé）布置形式進行優化調整，發現縮小噴（pēn）氨圓管上噴氨孔的直徑並采（cǎi）用兩側布置大孔徑中間布（bù）置小孔徑（jìng）的形式，可增強氨氣射流的穿（chuān）透力，NH3摩爾濃度的變異係數Cv*高下降20%，煙氣與氨氣混合均（jun1）勻性得到大幅提升。

       關鍵詞：噴氨格柵；數值模擬；變異（yì）係數；混（hún）合均勻性

       引言

       選擇性催化（huà）還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是指在催化劑作用下，噴入還原劑氨或尿素，將煙氣中的NOx還原為N2和H2O。煙（yān）氣氨氮分布均勻性被視（shì）為SCR脫硝性能評價的一個重要指標，作（zuò）為SCR脫硝係統結（jié）構的一部分，噴氨格柵可促使氨氣和煙（yān）氣在進入SCR反（fǎn）應器前充分混合，噴氨裝置設計不合理將直接（jiē）造（zào）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好的混合均勻性，才能保證催化（huà）劑層達到*佳（jiā）的催化反應（yīng）和氮脫（tuō）除效率。國內外常用（yòng）噴氨格柵（shān）進行多點噴氨，使（shǐ）氨均勻地分布在整個反應器截麵上。越來越嚴的排放標準對SCR反應器內（nèi）的速度場、濃度場、噴氨格柵噴射三者之間的耦合提出了（le）更高要求，係（xì）統均流與混合是脫硝係統（tǒng）運行優化的關鍵之一。以鍋爐的SCR脫（tuō）硝係統為研究對象，采用數值模（mó）擬計算方法，在分（fèn）析原噴氨格柵結構煙氣與氨氣的混（hún）合效果（guǒ）的基礎上，對其結（jié）構和布（bù）置形式進（jìn）行（háng）優化調整，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（hé）結構及邊界條件

       脫硝（xiāo）還原劑采用氨氣，原始 SCR 噴氨格柵主要由氨（ān）氣（qì）風道和煙道（dào）組成， 計算區域（yù）的幾（jǐ）何（hé）模型如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 後 經氨氣入口（kǒu） 進 入 環形（xíng）氨氣風道（dào），並（bìng）從噴氨圓管（guǎn）的管壁圓孔噴出；煙氣從高溫（wēn）煙氣入口自上而下流動， 並在方形段煙道內（nèi）與氨氣混合，*終從煙氣出口流（liú）出。氨氣風道為矩形，布置在（zài）煙道周邊，兩側與（yǔ）噴氨圓管連（lián）通，煙道（dào）內共布（bù）置 5 根噴氨圓管，煙道內每（měi）根噴氨圓管中心（xīn）線上，均設置有對稱布置的噴氨孔， 噴口（kǒu）開孔方向與煙氣流向、噴氨圓管中心線垂（chuí）直。SCR 噴氨格柵模型網格劃（huá）分如圖（tú） 1（b）所示，運用 ANSYS MESH 軟件對三維幾何模型進行網格劃分， 采用六麵體與（yǔ）四麵體混合網格（gé），對噴氨圓管網格進行局部加密，*終的網格數量控製在 100 萬左右。


       SCR 噴氨格（gé）柵（shān）入口參數見表 1， 對部（bù）分參數進行了簡化（huà）處理，如用高溫空氣代替高溫煙氣（qì），用純氨氣（qì）代替氨氣與空（kōng）氣的混合氣體， 其他參數（shù）保持與實際情況一致。


       1.2 物理模型

       對 SCR 噴氨（ān）格柵區域進行（háng）流場優化模擬是基於 N-S 流動控製方程的求解。采用標準（zhǔn） k-ε 模型模擬氣體湍流流動。采用 Species 物質輸運模型模（mó）擬 NH3在煙氣（qì）中的混合與擴散， 但不涉及化學反應。開啟能量方程，考慮空氣與氨氣的換熱。本模（mó）擬假設煙氣為單相氣體（tǐ）， 不考慮高溫煙氣中粉塵對流場的影響，將煙氣（qì）視為不可壓縮流體，且為定常流動；假設高溫煙氣入口和氨氣入口的速（sù）度（dù）分布均勻（yún）。煙道入口采用（yòng）速度進口邊界條件， 煙道出口為 Outflow 邊界條件；噴氨入口為速（sù）度入口，噴射角度與煙（yān）氣流動（dòng）方向垂直；噴氨圓管及其他邊界設為絕熱壁麵條件，采用（yòng）標準壁麵方程，無滑移邊界條件（jiàn）。

       2 模擬結果與分（fèn）析

       2.1原始SCR噴氨格柵的混合分析

       原始 SCR 噴氨格柵共設置有 5 根噴氨圓管（guǎn），每根圓管（guǎn）管壁上開有圓形噴氨孔，其布（bù）置如（rú）圖 2 所示：噴氨孔水（shuǐ）平方向上雙側對稱布置，間距均為 20 mm，孔直徑為 7 mm，每根噴氨圓（yuán）管布置 20 個噴氨孔，從噴氨孔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三維模型， 並利用 Fluent 18.0 進（jìn）行數（shù）值模擬計算，獲得了現有 SCR 噴氨格柵煙道內（nèi）的溫度（dù）和（hé） NH3質（zhì）量分數分布（bù）。圖 3 為原始噴氨格柵的溫度分（fèn）布，噴（pēn）氨入口截麵的溫度分布如圖 3（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方形段煙道的溫度較高（gāo），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（yuán）管均出現兩側到（dào）中間（jiān），溫度明顯（xiǎn）逐漸升高（gāo）的現象，*高溫升達 180 ℃。由於壁麵均已（yǐ）設置為絕熱，所以排除導（dǎo）熱造成管內氨氣溫度升高，這（zhè）可（kě）能是（shì）由於通過噴氨孔部分高溫空氣混入了噴氨圓管中。煙氣（qì）出口溫度分布如圖 3（b）所示，總體上看出（chū）口的溫度分布並不十分均（jun1）勻，兩側存在局（jú）部低溫區。


       圖 4 為原始噴氨格柵的 NH3質量（liàng）分數分布，噴氨入口截麵的 NH3質量（liàng）分數分布如圖 4（a）所示（shì），氨氣風道的 NH3質量分數分布為 1，方形段煙道的為 0。5 根噴氨（ān）圓管（guǎn）均出現兩側（cè）到中間，NH3質量分數分布逐漸降低的（de）現象。而模擬過程（chéng）中隻有 NH3和空氣兩種組分，這說明隨著 NH3在噴（pēn）氨圓管中流動，方形煙道中部分空（kōng）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，總體上看出（chū）口NH3的分（fèn）布並不十分均勻，存在中間濃度低，兩（liǎng）側濃度高（gāo）的現象。

       無論從溫度還（hái）是 NH3質量分數的（de）分布來看，采用原始的噴氨格（gé）柵結構（gòu）都存（cún）在高溫（wēn）煙氣（qì）與氨氣混合均勻性較差的問（wèn）題（tí）， 即煙道（dào）出口兩側氨氣濃度高，中間（jiān）濃度低的（de）情況。這可能是由於氨氣沿著圓管由兩側向中間流動時，其流量在逐漸減小；且噴氨孔是水平布置（zhì），高溫空氣垂直流動；並*終（zhōng）導致噴氨圓管的中間位置高溫空氣更容易通過噴氨孔（kǒng）進（jìn）入圓管， 而氨氣則更難（nán）從（cóng）噴氨圓管的噴氨孔流入（rù）方形煙道。因此，優化設計時還因考慮在工藝允許的情況（kuàng）下， 進一步縮小圓管中間段（duàn）噴氨孔的直（zhí）徑。


       2.2 優化後 SCR 噴氨（ān）格柵的混合分析（xī）

       對原始 SCR 噴（pēn）氨格柵進行了優化設計，其結構（gòu）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 D4.0 mm4 種規格，具體地，兩側布置大孔徑中間布置小孔（kǒng）徑，噴氨孔的數量和原始噴氨圓管一樣，在水平方向上雙側布置（zhì），每根噴氨圓管布置 20 個噴氨孔，從噴氨孔出來氨氣的流向垂直（zhí）於（yú）煙氣流向。通過數值計算獲得（dé）了優化後 SCR 噴氨格柵煙道內的溫度和 NH3質量（liàng）分數分布。

       圖 6 為優（yōu）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（shān）的溫度標尺保持一致。噴氨入口截麵（miàn）的溫（wēn）度分布如（rú）圖 6（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方形段煙道的溫度較高， 這同樣是由於氨氣和空氣的初始溫度不一致。5 根（gēn）噴氨圓管（guǎn）在方（fāng）形煙道（dào）內溫度稍微升高了一點（diǎn）， *高溫升不超過 30 ℃，並未（wèi）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（rú）圖 6（b）所示，雖然出口（kǒu）還存（cún）在小範圍的局（jú）部低溫區， 但總體（tǐ）上看其溫（wēn）度分布還是比較均勻， 相比較於原始噴氨格柵出口的溫度分布，局部低溫區範圍（wéi）大大較小（xiǎo），溫度均勻性明顯提升。

       圖 7 為優化後（hòu）噴氨格柵的 NH3質量分數分布，其質量分數標尺（chǐ）和（hé）圖 4 原始噴氨格柵的質量（liàng）分數標尺保持一致。噴氨入口（kǒu）截麵的 NH3質量分數分（fèn）布如圖 7（a）所示，氨氣風道的 NH3質量分數分布為 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， 這說明有少量（liàng）空氣通過噴氨孔進入圓管中。但相較於原始噴氨格柵，混入噴氨圓管（guǎn）的空氣大幅減少。煙氣出口 NH3質量分數分布如（rú）圖 7（b）所示，總體上（shàng）看出口 NH3的分布比較均（jun1）勻，僅（jǐn）存在小範（fàn）圍的低濃度區。


       2.3 優化前後 NH3分布均勻（yún）性對比分析

       為進一步了解噴氨格柵優化（huà）前後 NH3的分布均（jun1）勻性，將對 NH3的摩爾濃度（dù）進行定量分析（xī）。采（cǎi）用（yòng）變異係數 Cv這一（yī）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（miàn）， 並對其 NH3摩爾濃度的 Cv值進行比較分析。圖 8 為優化前後混合煙道各流通（tōng）截麵NH3摩爾濃度 Cv值的（de）對比， 可以（yǐ）看出無論優化前還是優化後，NH3摩爾濃度的變異係數都是隨著 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（liǎng）種結構下的 NH3變異（yì）係數 Cv值均減小一半，均（jun1）勻性均提高了一倍。然而無論（lùn）哪個截麵，優化後的（de） Cv值均明顯小於優化前，下降幅度在 10%～20%之間，說明僅通過調（diào）整噴氨孔（kǒng）徑來優化噴氨格柵結構（gòu），NH3分布的均勻性就能大幅提高。

       3 結語

       基（jī）於原有的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（rù）口截麵和煙氣出口均存在中間NH3質量分數（shù）較低，而兩側較高的（de）現象，煙氣與氨氣混合（hé）均勻（yún）性較差（chà）。通過縮小噴氨圓管上噴氨孔的直徑並采用兩側（cè）布置大孔徑（jìng）中間布置小孔（kǒng）徑的形（xíng）式，增強了氨氣射流的穿透力（lì），使煙氣與氨氣混合均勻性（xìng）得到大幅提升（shēng），並*終確立（lì）了較優化的噴氨格柵結（jié）構。