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下煙氣與氨氣的混合效果，對其結構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（jìng）中間布置小孔徑的（de）形式，可（kě）增強氨氣射流的穿（chuān）透力，NH3摩爾濃度的變異（yì）係數Cv*高下降20%，煙氣與氨氣（qì）混合均勻性得到大幅提升。

       關鍵詞：噴氨格柵；數值模擬；變異係數；混合（hé）均勻性

       引言

       選擇（zé）性催（cuī）化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是（shì）指在催化劑作用下，噴入還原（yuán）劑氨或尿（niào）素，將煙（yān）氣中的NOx還原為N2和H2O。煙氣（qì）氨氮分布均勻性被視為SCR脫硝性（xìng）能（néng）評價的（de）一個重要指標，作為SCR脫硝係統結構的一部分，噴氨格柵可促使氨氣和煙氣在進入SCR反（fǎn）應（yīng）器前充分混合，噴（pēn）氨裝置（zhì）設計不合理將直接造成（chéng）氨氮混合不均勻，進而影響到進入催化劑層的反應。隻有（yǒu）煙氣與氨具有（yǒu）良好（hǎo）的混合均勻（yún）性，才能保證催化劑層達到*佳的催化反應和氮脫除效率。國內外（wài）常（cháng）用噴氨格（gé）柵（shān）進行（háng）多點噴氨，使氨均（jun1）勻地分布在整個反應器截麵上。越來越嚴的排放標準對SCR反應器內的（de）速度場、濃度場（chǎng）、噴氨（ān）格柵噴（pēn）射三者之間（jiān）的耦合提出了更高要求，係（xì）統均（jun1）流與混合（hé）是脫硝（xiāo）係統運（yùn）行優化的關鍵之一。以鍋爐的SCR脫硝係統為研究對象，采用數值模擬計（jì）算方法，在分析原噴氨格柵結構煙（yān）氣與氨氣的混合效果（guǒ）的（de）基礎（chǔ）上，對其結構和布置形（xíng）式進行優化（huà）調整，為脫（tuō）硝噴氨格柵結構參數的優化（huà）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 噴氨格柵主（zhǔ）要由氨氣風道和（hé）煙道組成， 計算區域的幾何模型如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 後 經氨氣（qì）入口 進 入 環形氨氣風道，並（bìng）從噴氨圓（yuán）管的管壁圓孔噴出；煙氣從高溫（wēn）煙氣入口自上而下流動， 並（bìng）在方形（xíng）段煙道內與氨氣混合（hé），*終從煙氣出口流出。氨氣風道為（wéi）矩形，布置在煙道周邊，兩側與噴氨（ān）圓管連（lián）通，煙道內共布置 5 根噴氨圓管，煙（yān）道內每根（gēn）噴（pēn）氨圓管中心線上，均設置（zhì）有對稱布（bù）置的噴氨孔， 噴口開孔方向與煙氣（qì）流向、噴氨圓管中心（xīn）線垂直。SCR 噴氨格柵模型網格劃分如圖 1（b）所（suǒ）示，運用（yòng） ANSYS MESH 軟件對三維幾何模型進行網格劃分， 采用六麵體與（yǔ）四麵體混合網格，對噴（pēn）氨圓管（guǎn）網格進行局部加密，*終的網格數量控製在 100 萬左右。


       SCR 噴氨格柵入口參數見表 1， 對部分參數進行了簡化處理，如用高溫空氣代替高溫煙氣，用純氨（ān）氣代替氨氣與空氣的混合氣體， 其他參數保持與實際情況一（yī）致。


       1.2 物理模型

       對 SCR 噴氨格（gé）柵區域進（jìn）行流場優化（huà）模擬是基於（yú） 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（liú）動。采用 Species 物質輸（shū）運模（mó）型模擬 NH3在煙氣中的混合與擴散， 但不涉及化（huà）學反應。開啟能量方程，考慮空氣與氨氣的（de）換熱。本模（mó）擬假設煙氣（qì）為（wéi）單相氣體（tǐ）， 不考慮高溫煙氣中粉塵對（duì）流（liú）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（rù）口和氨氣入口的速（sù）度分布均勻。煙道入口采用速度進口邊界條件， 煙道出口為 Outflow 邊界條件；噴氨入（rù）口為速度入口，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（tiáo）件，采用標準壁（bì）麵方（fāng）程（chéng），無滑移邊界（jiè）條件。

       2 模擬結果與分析

       2.1原始SCR噴（pēn）氨格柵的（de）混合分（fèn）析

       原始 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，其布置如圖 2 所示：噴氨孔水平方向上雙（shuāng）側對稱布置（zhì），間距均為 20 mm，孔直徑（jìng）為 7 mm，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煙氣流向。


       通過建立現有 SCR 噴氨格（gé）柵區域的全尺度三維模型， 並利用 Fluent 18.0 進行數值模擬計算，獲得了現有 SCR 噴氨格柵煙道內的溫（wēn）度和 NH3質（zhì）量分數分布。圖 3 為原（yuán）始噴氨格柵的（de）溫度分布，噴氨入口（kǒu）截麵的溫度分布如（rú）圖 3（a）所示，氨氣風（fēng）道的溫度（dù）較低，方形段煙道的溫度（dù）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根噴氨圓管均出現兩側到中間，溫（wēn）度明顯逐漸升高的現象，*高溫升達（dá） 180 ℃。由於壁麵均已設置為絕熱，所以排除導熱造成管（guǎn）內氨氣溫度升高，這可能是由於通過噴氨孔部分高溫空氣混（hún）入了噴（pēn）氨圓管中。煙氣出口溫度分布如圖 3（b）所示，總體上看（kàn）出口的溫度分布並不（bú）十分均勻，兩側存在局部低溫區。


       圖 4 為原始噴（pēn）氨格柵的 NH3質量（liàng）分數分布，噴氨（ān）入口截麵的 NH3質量分數分布如圖 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（wéi） 0。5 根噴氨圓管（guǎn）均出現兩（liǎng）側到中間，NH3質量分數分布逐漸（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（suí）著 NH3在噴氨圓管中流動，方形煙道中部分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，總體上看出口NH3的分布並不十分均勻（yún），存在中間濃度低，兩側濃度高（gāo）的現象。

       無論從溫度還是 NH3質量分數的分布來看（kàn），采用原始的噴氨（ān）格柵結構（gòu）都存（cún）在高溫煙氣與氨氣混合（hé）均勻性較差的問題， 即煙（yān）道出口兩側氨（ān）氣濃度高，中（zhōng）間濃度低的情況。這可能是由於（yú）氨氣沿著圓管由兩側（cè）向中間流動時，其流量在（zài）逐漸減（jiǎn）小；且噴氨孔是水平布置，高溫空氣垂直流動；並*終導致噴氨圓管（guǎn）的中間位置高溫空氣更容易通過噴（pēn）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（jì）時（shí）還因考（kǎo）慮在工藝允許的情況下， 進（jìn）一步縮（suō）小圓管中（zhōng）間段噴氨孔的直（zhí）徑。


       2.2 優化後 SCR 噴氨格柵的混合分析（xī）

       對原始 SCR 噴氨（ān）格柵進行了優化設計，其結構如圖（tú） 5 所示。噴氨圓（yuán）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（cè）布置大孔徑（jìng）中間布置小孔徑，噴氨孔的數（shù）量和原始噴氨圓管一樣，在水平方向上雙側布置，每根噴氨圓管布置 20 個噴（pēn）氨孔，從噴氨（ān）孔出來氨（ān）氣的流（liú）向垂直於（yú）煙氣流向。通過數值計算獲得了優化後 SCR 噴（pēn）氨格柵煙道內的溫（wēn）度和 NH3質量分數分布。

       圖 6 為優化後噴氨（ān）格柵的溫（wēn）度分布（bù）， 其溫（wēn）度標尺和圖 3 原始噴氨格柵的溫度標尺保持一致。噴氨入口截麵的溫（wēn）度（dù）分布（bù）如圖 6（a）所（suǒ）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（qì）和空氣的初始溫度不一致。5 根噴氨圓管在（zài）方形煙道內溫度稍微升高了一點， *高溫升不超過 30 ℃，並（bìng）未出現 原始結（jié）構 兩 側（cè） 到（dào） 中 間 溫 度 明 顯 升 高 的 現象（xiàng）。煙氣出口溫度分布如圖 6（b）所示，雖然出口還（hái）存在小範圍的局部低溫區， 但總體上看其溫度分布還是比（bǐ）較（jiào）均勻， 相比較於原始噴（pēn）氨格（gé）柵出口的溫度分布，局部低溫區範圍大大較小，溫度均勻性明顯提升。

       圖 7 為優化後噴（pēn）氨格柵的 NH3質量分（fèn）數分布，其質量分數標（biāo）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質量分數分（fèn）布（bù）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（zhì）量分數均出現了小幅降（jiàng）低， 這說（shuō）明有少量空氣通過噴氨孔進入圓管中。但相（xiàng）較於原始噴氨（ān）格柵，混入噴氨圓管的（de）空氣大幅減少。煙氣出（chū）口 NH3質量分數分布如圖 7（b）所示，總體上看出口 NH3的分（fèn）布（bù）比較均勻（yún），僅存（cún）在小範圍的低濃度區。


       2.3 優化前後 NH3分布均勻性對比分析

       為進一步了解噴氨格柵優化前後 NH3的分布均（jun1）勻性，將對 NH3的摩爾濃度進行定量分析。采用變（biàn）異係（xì）數（shù） Cv這一參數作為衡量濃度均勻性的（de）標準（zhǔn），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（qǔ） 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（zhí）進行比較（jiào）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值的對比， 可以（yǐ）看（kàn）出無論（lùn）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（yǔ） NH3的（de）不斷摻混，NH3的（de）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變異係數 Cv值均減小一半，均勻性均提高了一倍。然而無論哪個截麵，優化後的 Cv值均明顯小於優化前，下降幅（fú）度在 10%～20%之間，說（shuō）明（míng）僅通過調整噴氨孔徑來優化（huà）噴氨格柵結構，NH3分布的均勻性就（jiù）能（néng）大幅提高。

       3 結語

       基於原有的SCR噴氨格柵結構進行模擬分析，發現其布置並不合（hé）理，噴氨入口截麵和煙氣出口均存在中（zhōng）間NH3質量分數較低，而兩側較高的現象，煙氣與（yǔ）氨（ān）氣混合均勻性較差。通（tōng）過縮小噴氨圓管上（shàng）噴氨（ān）孔的直徑並采用兩側布置大孔（kǒng）徑中間布置小孔徑的形式，增強了氨氣射流的穿透力，使煙氣與氨氣混合均（jun1）勻性得（dé）到大幅提升，並*終確立了較優化的噴氨格柵結構。