以鍋爐的（de）選擇（zé）性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝係統（tǒng）為研究對象，運用數值模擬的方法分析（xī）原噴氨格柵結構下煙氣（qì）與氨氣的混合效果，對其結構和布（bù）置形式進行優化調整，發現縮小噴氨圓管（guǎn）上噴氨孔的（de）直徑並采用兩（liǎng）側布（bù）置（zhì）大孔（kǒng）徑中間布置小孔徑的形式，可增強氨氣射流的穿透力，NH3摩爾濃度的變異係數（shù）Cv*高下降20%，煙氣與氨氣混合（hé）均勻性得到大幅提升。

       關鍵詞：噴氨（ān）格柵；數值模擬；變異係數；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（huà）劑作（zuò）用（yòng）下，噴入還原（yuán）劑氨或尿素，將煙（yān）氣中的（de）NOx還原（yuán）為N2和H2O。煙氣氨氮（dàn）分布均勻性被視為SCR脫硝性能（néng）評價的一個重要（yào）指標，作為SCR脫硝（xiāo）係統結構的一部分，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（hé），噴氨裝置設計不合理將直接造成氨氮混合不均勻，進而影響到進入催化劑層的（de）反應。隻（zhī）有煙氣與氨具有良好的混合均勻性，才能保證催化劑層達到*佳的催化反（fǎn）應和氮脫除效率。國內外（wài）常用噴氨格柵進行多點噴（pēn）氨，使氨均勻地（dì）分布在整個反（fǎn）應（yīng）器截麵上。越來越嚴的排放標準對SCR反應器內的速度場、濃度場、噴氨格柵噴射三者之間的（de）耦合（hé）提出了更高要求，係統均（jun1）流與混合是脫硝係統運行優化的關（guān）鍵之一。以鍋爐的SCR脫硝係統為研究對象（xiàng），采（cǎi）用數值模擬計算方法，在分析原噴氨格柵結（jié）構煙氣與氨氣的混合效果的基礎上，對其結構和布置形式進行優化調整，為脫硝噴氨格柵結構參數的優化設計提供參考。

       1 模擬對（duì）象與方法

       1.1模擬對象的（de）幾何結構及邊界條（tiáo）件

       脫（tuō）硝還原（yuán）劑采用氨氣，原始 SCR 噴氨格柵主要（yào）由氨氣風道和煙道組成（chéng）， 計算區域的幾（jǐ）何模（mó）型（xíng）如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 後（hòu） 經氨氣（qì）入口 進 入 環形氨氣風道，並從噴氨圓管的管壁圓（yuán）孔噴出；煙氣從高溫煙（yān）氣入口自上而下流動， 並在方形段煙道內與氨（ān）氣混合，*終（zhōng）從（cóng）煙氣出口流出。氨氣風道為（wéi）矩形，布置（zhì）在煙道周（zhōu）邊（biān），兩側與噴氨圓管連通，煙道內共布置 5 根噴氨圓管，煙道內每根噴氨圓管中心線上，均設置有（yǒu）對稱布（bù）置的噴氨孔， 噴口開孔方向與（yǔ）煙氣流向、噴氨圓管中心線垂直。SCR 噴氨（ān）格柵模型網格劃分如（rú）圖 1（b）所示，運用 ANSYS MESH 軟（ruǎn）件對三（sān）維幾何模型進行網（wǎng）格（gé）劃分， 采用六麵體與四麵體混合網格，對噴氨（ān）圓管網格進（jìn）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（hé）氣體， 其他參（cān）數（shù）保（bǎo）持與實（shí）際情況一致。


       1.2 物理模型

       對 SCR 噴氨格（gé）柵區域進行流場優化模擬是基於 N-S 流動控製（zhì）方程的求（qiú）解。采用標準 k-ε 模型模擬氣體湍流流動。采用 Species 物（wù）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。開啟能量方程，考（kǎo）慮空（kōng）氣與氨氣的（de）換熱（rè）。本模擬假設煙氣為（wéi）單相氣體， 不（bú）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（wéi）定常流（liú）動（dòng）；假設高溫煙氣入口和氨氣入口的速度分（fèn）布均勻。煙道入口采用速（sù）度進口邊界條件， 煙道出口為 Outflow 邊界條件（jiàn）；噴氨入口為速度入口，噴射角度與煙氣（qì）流動方向（xiàng）垂直；噴氨圓管及其他邊界設為絕熱（rè）壁麵條件，采用（yòng）標準壁麵（miàn）方程，無滑移邊界（jiè）條件（jiàn）。

       2 模擬結果與（yǔ）分析

       2.1原始SCR噴氨格柵的（de）混合分析

       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（yuán）形（xíng）噴氨孔，其（qí）布置如圖 2 所示：噴氨孔水平方向上雙側對稱布置，間距（jù）均為（wéi） 20 mm，孔直（zhí）徑為 7 mm，每根噴氨圓（yuán）管布（bù）置 20 個（gè）噴氨孔，從噴氨（ān）孔（kǒng）出來氨（ān）氣的流向垂直於（yú）煙氣流向。


       通（tōng）過建立現有 SCR 噴（pēn）氨格柵區域的全尺（chǐ）度（dù）三維模型， 並利用 Fluent 18.0 進行數值模擬計算，獲（huò）得了現有（yǒu） SCR 噴氨格柵（shān）煙道內的溫度和（hé） NH3質量分數分布。圖 3 為原始噴氨格柵的溫度（dù）分布，噴氨入口截麵的溫度分布（bù）如圖 3（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方形段煙（yān）道的溫度較高（gāo），這是由於氨氣初始溫度為 150 ℃，而高溫煙（yān）氣初始溫度為 370 ℃。5根噴氨圓管均出現兩側到中間，溫度明顯逐漸升高的現象（xiàng），*高溫升達 180 ℃。由於壁麵均已設置為（wéi）絕熱，所（suǒ）以排除導熱造成管內氨氣溫度升高，這（zhè）可能是由於通過噴氨孔部分高溫空氣混入了噴氨圓（yuán）管中。煙氣出口溫度分布如（rú）圖 3（b）所示，總體上看出口的溫度分（fèn）布並（bìng）不十分均勻，兩側存在局部低溫區。


       圖 4 為原（yuán）始噴氨格柵的 NH3質量（liàng）分數分（fèn）布，噴氨入口截麵的 NH3質量分數分布如圖 4（a）所示，氨氣（qì）風道的 NH3質量分數分布為 1，方形段（duàn）煙道的為 0。5 根噴（pēn）氨圓管均出現兩側到中間（jiān），NH3質量分（fèn）數分（fèn）布逐漸降低的現象。而模擬過程中隻有（yǒu） NH3和空氣（qì）兩種組分，這說明隨著 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（rù）到圓管（guǎn）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（bù）並不十分均勻，存在中間濃度低，兩側（cè）濃（nóng）度高的現象。

       無論從溫度（dù）還是 NH3質量分數的（de）分布來（lái）看，采用原始的（de）噴氨格柵結構都存在高溫煙氣與氨氣混合均勻性較差的問題， 即煙（yān）道出口兩側氨氣濃度高，中間濃度低的情況。這可能（néng）是由於氨氣沿著圓（yuán）管由兩側（cè）向中間流動時，其流量在逐（zhú）漸減小；且噴氨孔是（shì）水平布置，高溫空氣垂直流動；並*終導致噴氨圓管的中間位置高（gāo）溫空氣（qì）更容易通過噴氨（ān）孔進入圓管， 而氨氣則更難從噴氨圓管的噴氨孔（kǒng）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， 進一步縮小圓管中間段噴氨孔的直徑。


       2.2 優（yōu）化後 SCR 噴氨格柵的混合分析

       對原始 SCR 噴氨格柵進行了優化設計，其結構如（rú）圖 5 所示。噴氨圓管上噴氨孔還是以 20 mm 等間距（jù）布（bù）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（dà）孔徑中間布（bù）置小孔徑，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（pēn）氨圓管布置 20 個噴氨孔（kǒng），從噴氨孔出來氨氣的流向垂直於煙氣流（liú）向（xiàng）。通過數（shù）值計算（suàn）獲得（dé）了優化後 SCR 噴氨格柵煙道內（nèi）的溫度和 NH3質量分數分布。

       圖 6 為優化後噴氨格柵的溫度分布， 其溫度標尺和圖 3 原始噴氨（ān）格柵的溫度標尺保持一致（zhì）。噴氨入口截麵的溫度分布如圖 6（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方（fāng）形段（duàn）煙道的溫度較高（gāo）， 這同樣（yàng）是由於氨氣和空氣的初始（shǐ）溫度不一致。5 根噴氨圓管在方形煙道內溫度稍微升高了一點， *高溫（wēn）升不超過 30 ℃，並未出現 原始結構 兩 側 到 中（zhōng） 間 溫 度 明 顯 升（shēng） 高 的 現象。煙氣出口溫度分布如圖 6（b）所示，雖然出口還存在小範圍的（de）局（jú）部低溫區， 但總體上看其溫度分（fèn）布還是比（bǐ）較均勻， 相（xiàng）比較於（yú）原（yuán）始噴氨格柵出口的溫度分布，局部低溫區範圍大大較（jiào）小，溫度均（jun1）勻性明顯提升。

       圖 7 為優化（huà）後噴氨格柵的 NH3質量分數分布，其質量分數標尺和圖 4 原始噴氨格柵的（de）質（zhì）量分數標尺保持一致。噴氨入口截麵的 NH3質量分數分布如圖 7（a）所（suǒ）示，氨氣風道的 NH3質量分數（shù）分布為 1，方形段煙道為（wéi） 0。5 根噴氨圓管在方形煙（yān）道中 NH3質量（liàng）分數均出現了小幅降低， 這說明有少量空（kōng）氣通過噴氨孔進入圓（yuán）管中。但相較於原（yuán）始噴氨格柵，混入噴氨（ān）圓管的空氣大幅減少（shǎo）。煙氣出口 NH3質量分數分布（bù）如圖 7（b）所示，總體上看出口 NH3的分布比較均勻，僅存在小（xiǎo）範圍的低濃度（dù）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（ān）格柵（shān）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（zhè）一參數作為衡量濃度均勻性的標準（zhǔn），並將其定義為


       如圖 1（a）所示，沿著混合煙道氣流方（fāng）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 NH3摩爾濃度的 Cv值（zhí）進行比較（jiào）分（fèn）析。圖 8 為優化前後混合煙道各流通截麵NH3摩爾濃度 Cv值的對比（bǐ）， 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）是隨著 x 值增大而減小，說明隨著（zhe）煙氣與 NH3的（de）不斷摻混，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（xì）數（shù） Cv值均減小一（yī）半，均勻性均（jun1）提高了一倍。然而無論哪（nǎ）個截麵，優（yōu）化後的 Cv值均明（míng）顯（xiǎn）小（xiǎo）於優化前，下降幅度在 10%～20%之間，說明僅通過調整噴氨孔徑來優化噴氨（ān）格（gé）柵結構，NH3分布的均（jun1）勻性就能大幅提高。

       3 結語

       基於原有的SCR噴氨格柵結構進行模擬分析，發現（xiàn）其布置並（bìng）不合理，噴氨入口截麵和煙氣出口均（jun1）存在中間NH3質量分數較低，而兩側較高的現象，煙氣與氨氣混合均勻性較差。通過縮小噴氨圓管上噴氨（ān）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（qì）射流的穿透力，使煙氣與氨氣混合均勻性得到大幅提升，並*終確立了較優化的噴（pēn）氨格柵結構。