以鍋爐的選擇性催（cuī）化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝係統（tǒng）為研究對象，運用（yòng）數值模擬的方法分析原噴氨格柵結構（gòu）下煙氣（qì）與氨氣的混合效果，對其結構和布置形式進（jìn）行（háng）優化調整，發現縮小噴氨圓管上（shàng）噴氨孔的直（zhí）徑（jìng）並采用兩側布置大孔（kǒng）徑中間布置小孔徑的形式，可增強（qiáng）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（qì）混合均勻性得到大幅提升（shēng）。

       關鍵（jiàn）詞：噴氨格柵；數值模（mó）擬；變異係數（shù）；混合均勻性

       引言

       選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是指在（zài）催（cuī）化劑作用下，噴（pēn）入還原劑氨或尿素，將煙氣中的NOx還原（yuán）為N2和H2O。煙氣（qì）氨氮分布均勻性被視為（wéi）SCR脫硝性能評價的一個重要指標（biāo），作為SCR脫硝係統結構的一部分（fèn），噴氨格柵可促使氨（ān）氣和煙氣在進入（rù）SCR反（fǎn）應器前充分混合（hé），噴氨裝置設計不（bú）合理將直接造成（chéng）氨氮混合不均（jun1）勻（yún），進而影響到進入（rù）催化劑層的反應。隻有（yǒu）煙氣與氨具有良好的混合均（jun1）勻性，才能保證催化劑層達到*佳（jiā）的催化反應和氮脫除效率。國內外常用（yòng）噴氨格柵進行多（duō）點噴氨，使（shǐ）氨均勻地分布在整個反應器截麵上。越來（lái）越嚴的（de）排放標準對SCR反應器內的速（sù）度場、濃度（dù）場、噴氨格柵噴射三者之間的耦合提出了更高（gāo）要求，係統均流（liú）與混合是脫（tuō）硝係（xì）統運（yùn）行優化的關鍵之一。以鍋爐的SCR脫硝係統為（wéi）研究對象，采用數值模擬計算（suàn）方法（fǎ），在分析原噴氨格柵結構煙氣（qì）與氨氣的混合效果的（de）基礎上，對其結構和布置形式進行優化調整，為脫硝噴（pēn）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（mó）擬對象的幾何結構及邊界（jiè）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， 計算區域的幾何（hé）模型如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 後 經（jīng）氨氣（qì）入口 進 入 環形（xíng）氨氣風道，並從噴氨圓管的管壁圓孔噴出；煙氣從高溫煙氣入口自上而下流動， 並在方形段煙道內與氨氣混合，*終從煙氣出（chū）口流出。氨氣風（fēng）道為矩形，布置在煙道周邊，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，均設置有對稱布置的噴氨孔， 噴口開孔方向與煙氣流向、噴氨圓（yuán）管中心線垂直。SCR 噴（pēn）氨格柵模（mó）型網格劃分（fèn）如圖 1（b）所示，運用 ANSYS MESH 軟件對三維幾何模型進行網（wǎng）格劃（huá）分（fèn）， 采用六（liù）麵體與四麵體混合網格，對噴（pēn）氨圓管網格進行局部加密，*終的網格數（shù）量控（kòng）製在 100 萬左右。


       SCR 噴氨格柵入口參數見（jiàn）表 1， 對部分參數進行（háng）了簡化處理，如用高溫空氣代替（tì）高溫煙氣，用純氨氣代替氨氣與空（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 噴氨格柵區域進行流場優化模擬是基於（yú） N-S 流動控製方程的求解。采用標（biāo）準 k-ε 模型模擬氣體湍流流動。采用 Species 物質輸運模型模擬 NH3在煙氣中的混合與擴（kuò）散， 但不涉及（jí）化學反應。開啟能量方程，考慮（lǜ）空氣與氨氣的換熱。本模擬假設煙氣（qì）為單相氣體， 不考慮高溫煙氣中粉塵（chén）對流場的影響，將（jiāng）煙氣視為不可壓縮流體，且為定常流動；假設高溫煙氣入口（kǒu）和（hé）氨氣入口的（de）速度分布均勻。煙道入口采（cǎi）用速度進口邊界條件， 煙道出口為 Outflow 邊（biān）界條件；噴（pēn）氨入口為速度入口，噴（pēn）射角度與（yǔ）煙氣流動方向垂直；噴氨圓管及其他邊界設為絕熱壁麵條件，采用標準壁麵方程，無（wú）滑移邊界條件（jiàn）。

       2 模擬結果與分析

       2.1原始SCR噴氨（ān）格柵（shān）的混合（hé）分（fèn）析

       原始 SCR 噴氨（ān）格（gé）柵（shān）共設置有（yǒu） 5 根噴氨圓管，每根圓（yuán）管管壁上開有圓形噴（pēn）氨孔，其（qí）布置如圖 2 所示：噴（pēn）氨孔水平方向上雙側對稱（chēng）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（ān）氣的流（liú）向垂直於煙氣流向。


       通過建立現有 SCR 噴氨格（gé）柵區域的全（quán）尺度三維模型（xíng）， 並利（lì）用 Fluent 18.0 進行數值模擬計算，獲得了現有 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（yuán）始噴氨格柵的溫度分布，噴氨入口（kǒu）截麵的溫度分布如圖 3（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方（fāng）形段煙道的溫度較高，這是由於氨（ān）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（cè）到（dào）中間，溫度明顯（xiǎn）逐漸升高的現象，*高溫升達 180 ℃。由於壁麵均已設置為（wéi）絕（jué）熱，所以排除導（dǎo）熱造成管內氨氣溫（wēn）度升（shēng）高，這可能是由於通過噴氨孔部分高溫空氣混入了（le）噴氨圓管中。煙氣出口溫（wēn）度分布如圖 3（b）所示，總體（tǐ）上看出口的溫度分布（bù）並不十分均勻，兩側存在局部低溫區。


       圖 4 為原始噴氨格柵的 NH3質量分數分布，噴氨入口截麵的 NH3質量分數分布如圖（tú） 4（a）所示，氨（ān）氣風（fēng）道的 NH3質量分數分布為 1，方形（xíng）段煙道的為 0。5 根噴氨圓管均出現兩（liǎng）側到中間（jiān），NH3質量分數分布逐漸降低的現象。而模擬過程中隻有 NH3和空氣兩種組分，這（zhè）說明隨著 NH3在噴氨圓管中流動，方形煙道中部分（fèn）空氣通（tōng）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的分布並不（bú）十分均勻，存在中（zhōng）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，采用原始的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（wèn）題， 即（jí）煙道出口兩側氨氣濃度（dù）高，中間濃度低的情況（kuàng）。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（zhú）漸減小；且噴氨孔是水平布（bù）置，高溫空氣垂直流動；並*終（zhōng）導（dǎo）致噴氨（ān）圓管的中（zhōng）間位置高溫空氣更容易通過噴氨孔進入圓管， 而（ér）氨氣則更難從噴氨圓管的（de）噴氨孔流入方形煙道。因此，優化（huà）設計時還因考（kǎo）慮在工藝允許的情況下， 進（jìn）一步縮小圓管（guǎn）中間（jiān）段噴氨孔的直徑。


       2.2 優化後 SCR 噴氨格柵的混合分析（xī）

       對原始 SCR 噴氨格柵進行了優化設計，其結構（gòu）如圖 5 所示。噴氨圓管（guǎn）上噴氨（ān）孔還是（shì）以 20 mm 等間（jiān）距布置， 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及 D4.0 mm4 種規（guī）格，具體地，兩側布置大孔徑中（zhōng）間（jiān）布置小孔徑，噴氨孔的數量和原始噴氨圓管（guǎn）一樣（yàng），在水（shuǐ）平方向上雙（shuāng）側布置，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煙氣（qì）流向。通過數值計（jì）算獲（huò）得了優（yōu）化後 SCR 噴氨格柵煙道內的溫度和 NH3質（zhì）量分數分布。

       圖 6 為優化後噴氨格（gé）柵的溫度分布（bù）， 其溫度標尺和圖 3 原始噴氨格柵的溫度標尺保持一致。噴氨入口（kǒu）截麵的溫（wēn）度（dù）分布如圖 6（a）所示，氨氣風道的溫度較低，方形段煙（yān）道（dào）的溫度較高， 這同樣是（shì）由於氨氣和空氣的初始溫度不一致。5 根噴（pēn）氨（ān）圓管在方形煙道（dào）內（nèi）溫度稍微升高了一點， *高（gāo）溫升（shēng）不超過 30 ℃，並未出現 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圖（tú） 6（b）所示，雖然出口還存在小範圍的局部（bù）低溫區， 但總體上看其溫度分（fèn）布（bù）還是比較均勻， 相比較於原始噴氨（ān）格柵出口的溫度分（fèn）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（fèn）數分布，其質量分數標尺和圖 4 原始噴氨格柵的質量分數標尺保（bǎo）持（chí）一致（zhì）。噴氨入口截麵的 NH3質量分數分布如圖 7（a）所示，氨（ān）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（fāng）形煙道中 NH3質（zhì）量分數均出現（xiàn）了小幅降低， 這說明有少量空氣通過噴氨孔進入圓管中。但相較於原始噴（pēn）氨格柵，混入噴氨圓（yuán）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，總體上看出口 NH3的分布比較均勻，僅存在小範圍的低濃度區（qū）。


       2.3 優化前（qián）後 NH3分布均勻性對比分析

       為進一步了解噴氨（ān）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。采用變異係數 Cv這一（yī）參數作為衡量濃度均勻性的標準，並將其定義為（wéi）


       如圖 1（a）所（suǒ）示，沿著混合煙道氣流方向由上而下分別截（jié）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值進行（háng）比較分析。圖 8 為優化前（qián）後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，NH3摩爾濃度的變異（yì）係數都是隨著 x 值增大而減小（xiǎo），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（guò） 0.6 m 的混合（hé）距離，兩種結構下的 NH3變異（yì）係數 Cv值均減小一半，均（jun1）勻性均提高（gāo）了一倍。然而無論哪個截麵，優化後的 Cv值均明顯小於（yú）優化前，下降幅度在 10%～20%之間（jiān），說明（míng）僅通（tōng）過調整噴氨孔徑來優化噴氨（ān）格柵結構，NH3分布的均勻性就能大幅提高（gāo）。

       3 結語

       基於原有的SCR噴氨格柵（shān）結構進行模（mó）擬分析，發現其布置並（bìng）不合理，噴氨入口（kǒu）截麵和煙氣出口均存在中間NH3質量分數較低，而兩側較（jiào）高的現象（xiàng），煙（yān）氣與氨（ān）氣混合均勻性較差。通過縮小噴氨圓管上噴氨孔（kǒng）的直徑並采用兩側布置大孔徑中間布置（zhì）小孔徑的形式（shì），增強（qiáng）了氨氣射流的穿透力，使（shǐ）煙氣（qì）與氨氣（qì）混合均勻性得到大幅提升，並*終確立了較優化的噴氨格柵結構。