以鍋爐的選擇（zé）性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝係（xì）統為研究對象（xiàng），運用數值模擬的方法分析（xī）原（yuán）噴氨格柵結構下煙氣與氨氣的混合效果，對其結構（gòu）和布置形式進行優化調整，發現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（de）形式，可（kě）增強氨氣射流的穿透力，NH3摩爾濃度的變異係數Cv*高下降20%，煙氣與氨氣混合均勻性得到（dào）大幅提升。

       關鍵詞：噴氨格柵；數值模擬；變（biàn）異係數；混（hún）合均勻性

       引言

       選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是指在催化劑作用下，噴入還原劑氨或尿（niào）素，將煙氣（qì）中的NOx還原為N2和H2O。煙（yān）氣氨氮分布均（jun1）勻性被視（shì）為（wéi）SCR脫硝性能評價的一個重要指標，作為SCR脫（tuō）硝係統結構的一部分，噴氨格柵可促使氨氣和煙氣（qì）在進（jìn）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不（bú）均勻，進而影（yǐng）響到進入催（cuī）化劑層的反應。隻有煙氣（qì）與氨具有良好的混合均勻性，才能保證催化（huà）劑層達到*佳的催化反應和氮脫（tuō）除效率。國內外常用噴氨格（gé）柵進行多點噴氨，使氨均勻（yún）地分布在（zài）整個反（fǎn）應（yīng）器截麵上。越（yuè）來越嚴的（de）排放標準對SCR反應器內的速度（dù）場、濃（nóng）度場、噴氨格柵噴射三者（zhě）之間的耦合提出（chū）了（le）更高要求，係統均流與混合是脫硝係統運行優（yōu）化的關鍵之（zhī）一。以鍋爐的SCR脫硝係統為研究對象，采用數（shù）值模（mó）擬計算方法，在（zài）分析原噴（pēn）氨格柵結構煙氣與氨氣的混合效果的基礎上，對其結構和布置形式進行優（yōu）化調整，為脫硝噴氨格柵結構（gòu）參數的優化設（shè）計提供參考。

       1 模擬對象與方（fāng）法

       1.1模擬對象的幾（jǐ）何結構及邊界條件

       脫硝還原劑（jì）采用氨氣（qì），原始 SCR 噴氨格柵主要由氨氣風道和煙道組成， 計算區域的幾何模型如（rú）圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣（qì）混合 稀 釋 後 經氨氣入口（kǒu） 進 入（rù） 環形（xíng）氨氣風道（dào），並從（cóng）噴氨圓管的管壁圓孔噴出（chū）；煙氣從高溫煙氣入口自上而下流動， 並在方形段（duàn）煙道內與氨氣混合，*終從（cóng）煙（yān）氣出口流出。氨氣風道為（wéi）矩形，布置在（zài）煙（yān）道周邊（biān），兩側與噴氨圓管連通，煙道內共布置 5 根噴氨圓管，煙道內每根噴氨圓（yuán）管中心線（xiàn）上，均設置有對稱布置的噴氨孔（kǒng）， 噴口開孔方向與煙氣流向、噴（pēn）氨（ān）圓管中心線（xiàn）垂直。SCR 噴氨格柵模型（xíng）網格劃分如（rú）圖（tú） 1（b）所示，運用 ANSYS MESH 軟件對三維幾何模型進行網（wǎng）格劃分， 采用六麵體與四（sì）麵體混合網格，對噴氨圓管網（wǎng）格進行局部加密，*終的網格數量控製在 100 萬左（zuǒ）右。


       SCR 噴（pēn）氨格柵入（rù）口參數見表 1， 對部分參數進行了簡（jiǎn）化處理，如用高（gāo）溫空氣（qì）代替高溫煙氣，用純（chún）氨氣代替氨氣與空氣的混（hún）合氣體， 其（qí）他參數保持與實際情況（kuàng）一致。


       1.2 物理模型

       對 SCR 噴氨格柵區域進行流場優化模擬是基於 N-S 流動控製方程的求解。采用標準 k-ε 模型模擬氣體湍（tuān）流流動。采用 Species 物質輸運模型模擬 NH3在（zài）煙氣中的混合與擴散， 但不涉及化學反應。開啟能（néng）量方程，考慮空氣與氨氣的換（huàn）熱（rè）。本模擬假（jiǎ）設煙氣（qì）為單相氣體（tǐ）， 不考慮高溫煙氣中粉塵對流場的影（yǐng）響，將煙氣視為不可壓縮流（liú）體，且為定常流動；假設高溫煙氣入口和氨氣入口的速度（dù）分（fèn）布均勻。煙（yān）道入口采用速度進口邊界條件， 煙道（dào）出口為 Outflow 邊界條件；噴（pēn）氨入口為速度入口，噴射角度與煙氣流動方向（xiàng）垂直；噴氨圓管及其他邊界設為絕熱壁麵條件，采用（yòng）標準壁麵（miàn）方程，無滑移邊界條件（jiàn）。

       2 模擬結果與分析

       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（ān）圓管，每根圓管管壁上開有圓形噴氨孔，其布置（zhì）如圖 2 所示：噴氨孔水平方向上雙側對稱布置，間距均為 20 mm，孔直徑為 7 mm，每根噴氨圓管布置 20 個噴氨孔，從噴氨孔出來氨氣（qì）的（de）流向垂直（zhí）於煙氣流向。


       通過建立現（xiàn）有 SCR 噴氨格柵區域的全尺度三維模型， 並利（lì）用 Fluent 18.0 進（jìn）行數值模擬計算，獲得（dé）了現有 SCR 噴氨格柵煙道內的溫度和 NH3質量分數分布。圖 3 為原始噴氨（ān）格柵的溫度分布，噴氨入口截麵的溫度分布如圖（tú） 3（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方形段煙道的溫度較高，這（zhè）是由於（yú）氨氣初始溫度為 150 ℃，而高溫（wēn）煙氣初始（shǐ）溫度為 370 ℃。5根噴氨圓（yuán）管均（jun1）出（chū）現兩側到中間，溫度明顯逐漸升高的現象，*高溫升達 180 ℃。由於壁麵均（jun1）已設置為絕熱，所以排除導熱造成管內氨氣溫度升（shēng）高（gāo），這可能（néng）是由於通過噴氨孔部分高（gāo）溫空氣混入了（le）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（shí）分均勻，兩（liǎng）側存在局部低溫區。


       圖 4 為原始噴氨格柵的 NH3質量分數分（fèn）布，噴氨入口（kǒu）截麵的 NH3質量分（fèn）數分布如（rú）圖（tú） 4（a）所示，氨氣風道的 NH3質量分數分布為 1，方形段煙道的為 0。5 根噴氨圓管均出現兩側（cè）到中間，NH3質量分數分布逐漸降低的現象。而模擬過（guò）程中隻有 NH3和空氣兩種（zhǒng）組分（fèn），這說（shuō）明隨著 NH3在噴氨圓管中流動，方形煙道中部分空（kōng）氣通過噴氨孔（kǒng）進入到圓管中。煙氣出口（kǒu）NH3質量（liàng）分數分布如圖 4（b）所示，總體上看出（chū）口NH3的分布並不十分均勻，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（yòng）原始的噴氨格柵結構都存在（zài）高溫煙氣與氨氣混合均勻性較（jiào）差（chà）的問題（tí）， 即煙道出口兩（liǎng）側氨氣濃度（dù）高，中間濃度低的情況。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（xiǎo）；且噴氨孔是水平布（bù）置，高（gāo）溫空氣垂直（zhí）流動；並*終導致（zhì）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（shè）計時還因考慮在工藝允許的情況下， 進一步縮小圓管中間段噴氨孔的直徑。


       2.2 優化後 SCR 噴氨格柵的混（hún）合分析（xī）

       對原始 SCR 噴氨格（gé）柵進行了優化設計，其結構如圖（tú） 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（zhì）大孔徑中間布置（zhì）小孔徑，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，每根噴氨圓管（guǎn）布（bù）置 20 個噴氨孔，從噴氨孔出來氨（ān）氣的流向垂直於煙氣流向。通過數（shù）值計算獲得了優化後 SCR 噴氨格柵煙道內的溫度和 NH3質量分數（shù）分布。

       圖 6 為優化後噴氨格柵的溫度分布， 其（qí）溫度（dù）標尺和圖 3 原始（shǐ）噴氨格柵的溫度（dù）標尺（chǐ）保持一致（zhì）。噴（pēn）氨入口截麵的（de）溫度分布如圖 6（a）所示（shì），氨氣風道的（de）溫度較低（dī），方形段煙道的溫度較（jiào）高， 這同樣是（shì）由於氨氣和空氣的初始溫度不一致（zhì）。5 根噴氨（ān）圓管在方形（xíng）煙（yān）道內溫度稍微（wēi）升高了一點， *高溫升不超過 30 ℃，並未出現 原始結構 兩 側 到 中 間 溫 度（dù） 明 顯 升 高 的 現象。煙氣（qì）出（chū）口溫度分布如圖 6（b）所示（shì），雖然出口還存在小範圍的局部（bù）低溫區， 但總（zǒng）體上看其溫度分布還是比較均勻（yún）， 相（xiàng）比較（jiào）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，溫度均勻性明顯提（tí）升。

       圖（tú） 7 為優化後噴氨格柵的 NH3質（zhì）量分數分布，其質量分數標尺（chǐ）和圖 4 原始噴氨格柵的質量（liàng）分（fèn）數標尺保持一致。噴氨入口截麵的 NH3質（zhì）量分數分（fèn）布如圖 7（a）所示，氨（ān）氣風道的 NH3質量分（fèn）數分布為 1，方形段煙（yān）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（xiǎo）幅降低， 這說明有少量空氣通（tōng）過噴氨孔進入（rù）圓管中。但（dàn）相較於原始噴氨（ān）格柵，混入噴氨圓管的空氣大幅減少。煙氣出口 NH3質量分數分布如圖 7（b）所示，總（zǒng）體上看出口 NH3的（de）分布比較（jiào）均勻，僅存在小範圍的低（dī）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 NH3的分布均勻性，將對 NH3的摩爾濃度進行定量分析。采用（yòng）變異係數 Cv這一參數作為（wéi）衡量濃度均勻性的（de）標準，並將其定義（yì）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， 並對其（qí） NH3摩爾濃度的 Cv值進行比較分析。圖 8 為（wéi）優化前後混合煙道各流通截麵NH3摩爾濃度 Cv值的對比， 可以看出無論優化前還是優化後，NH3摩爾（ěr）濃度（dù）的變異係數都是隨著 x 值增大（dà）而減小，說（shuō）明隨著（zhe）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（hé）距離，兩種結（jié）構下的 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）論哪個截麵，優化後的 Cv值均明顯小於優化前，下降幅度在 10%～20%之間，說明僅通過調整（zhěng）噴氨孔徑來優（yōu）化噴氨格柵結構，NH3分布的均勻性就能大幅提高。

       3 結語

       基於（yú）原有的SCR噴氨格柵結構進行模擬分析，發（fā）現其布置並不合理，噴氨入口截麵和煙氣出口均存在中間NH3質量分數較低（dī），而兩側較高的現象（xiàng），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（bù）置（zhì）小孔徑的形（xíng）式（shì），增強了氨氣射流的穿透力，使煙氣與氨氣混合均勻性得到大幅提升，並（bìng）*終確立了較優化的噴（pēn）氨格柵結構（gòu）。