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（mó）擬的方（fāng）法（fǎ）分析原噴（pēn）氨格柵結（jié）構下煙氣（qì）與氨（ān）氣的混合效果，對其結（jié）構和（hé）布置形（xíng）式進行優化調整，發現縮小噴氨圓管上噴氨孔的（de）直徑並采用兩側布置大孔徑中間布置小孔徑（jìng）的（de）形式（shì），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（yǔ）氨氣混合均勻性得到大幅提升（shēng）。

       關鍵（jiàn）詞：噴氨格柵；數（shù）值模擬（nǐ）；變異係數；混合（hé）均（jun1）勻性

       引（yǐn）言

       選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是指在催化劑作用下，噴入還原劑（jì）氨或尿素，將（jiāng）煙氣中的NOx還原為N2和H2O。煙氣氨氮分布均勻性被視為SCR脫硝性能評價的一個重要指標，作為SCR脫硝係統結構的一部分，噴氨格（gé）柵可促使氨氣和（hé）煙氣在進入SCR反應器前充分混合，噴氨裝置設計不合理將直接造成氨氮混合（hé）不均勻，進而（ér）影響到進入催化（huà）劑層的（de）反應。隻有煙氣與氨具有良好的混合均勻性（xìng），才能保證催化劑層達到（dào）*佳的催化反應和氮脫除效率。國內外（wài）常用噴氨格（gé）柵進（jìn）行多點噴氨，使氨（ān）均勻地分布在整個反應器截麵上。越來越嚴的排放（fàng）標準（zhǔn）對SCR反應器內的速度場、濃度場、噴氨格柵噴射三（sān）者之間的耦合提（tí）出了更高要求，係統均流與混合是脫硝係統運行優化的（de）關鍵之一。以鍋爐的（de）SCR脫（tuō）硝（xiāo）係統為研究對象，采用數值模擬計算方法，在分析原噴氨格柵結（jié）構煙氣與氨氣的混（hún）合效果的（de）基礎上，對其結構和布置（zhì）形式進行優化調整，為脫硝噴氨格柵結構參（cān）數的優化設（shè）計提供參考（kǎo）。

       1 模（mó）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 噴氨格柵主要由氨氣風道和煙道組成， 計算區（qū）域的幾何模型如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 後 經氨氣入口 進 入 環形氨氣風道，並從噴氨圓管的（de）管壁圓孔噴出；煙氣從（cóng）高溫煙氣入口自上而下（xià）流動， 並在方（fāng）形段煙道內與氨氣混合，*終從煙氣出（chū）口流（liú）出。氨氣風道為矩形，布置在煙道（dào）周邊，兩側與噴氨圓管連（lián）通，煙道內共（gòng）布置 5 根噴氨圓管，煙道（dào）內每（měi）根噴氨圓管中心線上，均設（shè）置有對稱布置的（de）噴氨孔， 噴口開孔方（fāng）向與煙氣流（liú）向、噴氨圓管中心線垂直。SCR 噴氨格柵模（mó）型（xíng）網格劃分如圖 1（b）所示，運用（yòng） ANSYS MESH 軟件對三維幾何模型進行網格劃分， 采用六麵體（tǐ）與四（sì）麵體混合網格（gé），對噴氨圓管網格進行局（jú）部加密，*終的（de）網格數量控製在（zài） 100 萬左右。


       SCR 噴氨格柵入口參數見表 1， 對部分參數進行了（le）簡化處理，如用（yòng）高溫空氣代替高溫煙（yān）氣，用（yòng）純（chún）氨氣代（dài）替氨氣（qì）與空（kōng）氣的混合氣體， 其他參數保持與實際情況一致。


       1.2 物理模型

       對 SCR 噴氨格柵區（qū）域進行流場優化模（mó）擬是基於 N-S 流動控製方程的求解。采用標準 k-ε 模（mó）型模擬氣體湍流流動。采用 Species 物質輸（shū）運模型（xíng）模（mó）擬 NH3在煙（yān）氣中的混合與擴散， 但不涉及（jí）化學反應（yīng）。開啟能量方（fāng）程，考慮空氣與氨氣的換熱。本模擬假設煙氣為單相氣（qì）體， 不考慮高溫煙氣（qì）中粉塵對流（liú）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度分布均勻。煙（yān）道入口采用（yòng）速度進口邊界條件（jiàn）， 煙道（dào）出口為 Outflow 邊界條件；噴氨（ān）入口為（wéi）速度入口，噴射角度與煙氣流動方向垂直（zhí）；噴氨圓（yuán）管及其他邊（biān）界設為絕熱壁麵條件，采用標準壁麵方程，無滑移邊（biān）界條件（jiàn）。

       2 模擬結（jié）果與分析

       2.1原始SCR噴氨格柵的混（hún）合分析

       原始 SCR 噴氨格柵共設置有 5 根（gēn）噴氨圓管，每根圓管管壁上（shàng）開有圓形噴氨孔，其布置如圖 2 所示：噴氨孔水平（píng）方向上雙側對稱布（bù）置，間距均為（wéi） 20 mm，孔直徑為 7 mm，每根噴氨圓管布置 20 個噴氨孔，從噴氨孔出來（lái）氨氣的（de）流向垂直於煙氣流向。


       通過建立現有 SCR 噴氨格（gé）柵區域的（de）全尺度三維模型， 並利用 Fluent 18.0 進行數值模擬計算，獲（huò）得了現有 SCR 噴氨格柵（shān）煙道內的溫（wēn）度和 NH3質量分數分布。圖 3 為原始噴氨格（gé）柵的溫度分（fèn）布（bù），噴氨入口截麵（miàn）的溫度分布（bù）如圖 3（a）所示，氨氣風道的溫（wēn）度較低，方形段煙道的（de）溫度較高，這（zhè）是由於氨氣初始溫度為 150 ℃，而（ér）高溫煙氣初始溫度為（wéi） 370 ℃。5根噴氨圓管均出（chū）現兩側到中間，溫度明顯逐漸升（shēng）高的現象，*高溫升達 180 ℃。由於壁麵均已設置為絕熱，所以排除導熱造（zào）成管內氨氣溫度升高，這可能是由於通（tōng）過噴氨孔部分高溫空（kōng）氣混入了噴氨圓管中。煙氣出口溫度分布（bù）如圖 3（b）所示（shì），總體（tǐ）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（pēn）氨格柵（shān）的 NH3質量分數分布（bù），噴氨入口截（jié）麵的 NH3質（zhì）量分數分布如（rú）圖 4（a）所示，氨氣風道（dào）的 NH3質量（liàng）分數分布為 1，方（fāng）形段煙道的為 0。5 根（gēn）噴氨圓（yuán）管均出（chū）現兩側到中間，NH3質量分數分布（bù）逐（zhú）漸（jiàn）降低的現象。而模擬過程中（zhōng）隻有 NH3和空氣兩種組分，這說明隨著 NH3在噴氨（ān）圓管中流動，方（fāng）形煙道中部分空氣通過噴氨孔進入到圓管中。煙氣（qì）出口NH3質量分數分布如圖 4（b）所示，總體上看出口NH3的分（fèn）布並不十分均勻，存在中間（jiān）濃度低，兩側（cè）濃度（dù）高的現象。

       無論從溫（wēn）度還（hái）是 NH3質量分數的分布來看（kàn），采用原始的噴氨（ān）格柵結（jié）構（gòu）都存在高（gāo）溫煙氣與氨氣混合均勻性較差的問題， 即煙道出口兩側氨（ān）氣濃度高，中間濃度低的情（qíng）況。這可能是由於（yú）氨氣沿著圓管由兩側向中間流（liú）動時，其流量（liàng）在逐漸減小；且噴氨孔是水平布置，高溫空氣垂直（zhí）流動；並（bìng）*終導致噴氨（ān）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， 而氨氣則更難從噴氨圓管的噴氨孔流入方形煙道。因此，優化設計時還因考慮在工藝允（yǔn）許的情況下（xià）， 進一步縮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 噴氨格柵進行了優化設計，其結構如（rú）圖 5 所示（shì）。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（bù）置大孔徑中間布置小孔徑，噴氨（ān）孔的（de）數量和原始（shǐ）噴氨圓管一樣，在水平方向上雙側（cè）布置，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於（yú）煙氣流向。通過數值計算獲（huò）得了優（yōu）化後 SCR 噴氨格柵煙道內的溫度和 NH3質量（liàng）分數（shù）分布。

       圖 6 為優化後噴氨格柵（shān）的溫度分布， 其溫度（dù）標尺和圖 3 原始噴氨格柵的溫度標尺保持一致。噴氨入口截麵的溫度（dù）分布如圖（tú） 6（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方形段煙道的（de）溫度較高， 這同樣是由於氨氣和空氣（qì）的初始溫（wēn）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（shēng）不超過 30 ℃，並未出現 原始（shǐ）結（jié）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（suī）然出口還存在小範圍的局部低溫（wēn）區， 但總體上看其（qí）溫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，局部低溫區範圍大大較小，溫度均勻（yún）性明顯提升。

       圖 7 為優（yōu）化（huà）後噴氨格柵的 NH3質量（liàng）分數分布，其質量分數標尺和（hé）圖 4 原始噴氨格柵的質量（liàng）分數標尺保持一致。噴氨入口截麵的 NH3質量分數分布如圖 7（a）所示，氨氣風道的 NH3質量分數分布為 1，方形段煙道（dào）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， 這說明有少量空氣通過噴氨（ān）孔進入圓管中。但相較於原始噴氨格柵，混入噴氨圓管的空（kōng）氣大幅減少。煙氣（qì）出口 NH3質量分數分布如圖 7（b）所示，總體上看出（chū）口 NH3的（de）分布比較（jiào）均（jun1）勻，僅（jǐn）存在小範圍（wéi）的低濃度區。


       2.3 優化前後 NH3分布均勻性對比（bǐ）分析

       為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（ěr）濃度進行定量（liàng）分析。采用變異係數 Cv這一參數作為衡量濃度均勻性的標準，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（fèn）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（jié）麵， 並對其 NH3摩爾濃度的 Cv值進行比較分析。圖 8 為優化前後（hòu）混合煙道各流通截麵（miàn）NH3摩爾濃度 Cv值的對比， 可以看出（chū）無論優化前還是優化後（hòu），NH3摩爾濃度的變異（yì）係數都是隨著 x 值增大而減小，說明（míng）隨（suí）著煙氣與 NH3的不斷（duàn）摻（chān）混，NH3的分布越來均勻；且經過 0.6 m 的（de）混合距離，兩種結構（gòu）下的 NH3變異（yì）係數 Cv值均減小一半，均勻性均提高了一倍。然（rán）而（ér）無（wú）論哪個截麵，優（yōu）化後的 Cv值均（jun1）明顯小於優化前，下降幅度（dù）在 10%～20%之間，說明僅通過調整噴氨孔徑來（lái）優化噴氨格柵（shān）結（jié）構，NH3分布（bù）的均勻性就能大幅提高。

       3 結（jié）語

       基（jī）於原有的SCR噴氨格柵結構（gòu）進行模擬（nǐ）分析，發（fā）現其布置並不（bú）合理，噴氨入口截麵和煙氣出口均存（cún）在中間NH3質量分數較低，而兩側較高的現（xiàn）象，煙氣與氨氣混合均勻性較差。通過縮小噴氨圓管上噴氨孔的直徑並采用兩側布置大孔徑中間布置小孔徑的形式，增強了氨氣射流的穿（chuān）透力，使煙氣與氨氣混合均勻性得到大幅提升（shēng），並*終確立（lì）了較（jiào）優化（huà）的噴氨格柵結構。