以鍋爐的選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝係統為研究對（duì）象，運用數值模擬的方法分析原噴氨格柵結構下煙氣與氨氣的混合效果，對（duì）其結構和布置形式進行優化調整，發現縮（suō）小噴氨圓管上噴氨孔的直（zhí）徑並采用兩側布置大（dà）孔徑中間布置小孔徑的形式，可增強（qiáng）氨氣射流（liú）的穿透力，NH3摩爾濃度的變（biàn）異係數Cv*高下降20%，煙氣與氨氣混合（hé）均勻性得到大幅提（tí）升。

       關鍵（jiàn）詞：噴氨格柵；數值模擬；變異係數；混（hún）合均勻性（xìng）

       引（yǐn）言

       選擇性（xìng）催（cuī）化還（hái）原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是指在（zài）催化劑作用下，噴入還原劑氨或（huò）尿素（sù），將煙（yān）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（pēn）氨格柵可促使氨氣和煙氣在進（jìn）入SCR反應器前（qián）充分混合，噴（pēn）氨裝置設計不合理將直接（jiē）造成氨氮混合不均勻，進而影響到進入催化劑層的反應。隻有煙氣與氨具有（yǒu）良好的混合均勻性，才能（néng）保證催化劑（jì）層達到*佳的催化反應和氮脫除效率。國內外常用噴（pēn）氨格柵進行多點噴氨，使氨均勻地分布在整個反應器截麵上（shàng）。越來越嚴（yán）的排（pái）放標準對SCR反應器內的速度場、濃度場、噴氨（ān）格柵噴射三者之間的耦合提出了更高要求，係統均流與混合是脫硝係統運行優化的（de）關鍵之一（yī）。以鍋爐的SCR脫硝係統（tǒng）為研究對象，采（cǎi）用（yòng）數（shù）值模擬計算方法，在分析原噴氨（ān）格柵結構煙氣與氨氣（qì）的混合效果的基礎（chǔ）上，對（duì）其結構和（hé）布置形式進行優（yōu）化調整，為脫硝噴氨格（gé）柵結構參數的優化設計提供參考。

       1 模擬對象與方法

       1.1模擬對象的幾何結（jié）構及邊界條件（jiàn）

       脫硝還原劑采用氨氣，原始（shǐ） SCR 噴氨格柵主要由氨氣風道和煙道組成， 計（jì）算區域的幾（jǐ）何模型如圖1（a）所示 ，氨（ān） 與 空 氣混合 稀 釋 後 經氨氣入口 進 入 環形氨氣風道，並從噴氨圓管的管壁圓孔噴（pēn）出；煙氣從高溫煙氣入口自上而（ér）下流（liú）動（dòng）， 並在方形段煙道內與氨氣混合，*終（zhōng）從煙氣出口（kǒu）流出。氨氣風（fēng）道為矩形，布（bù）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（yǒu）對稱布置的噴氨孔（kǒng）， 噴口開孔方向與（yǔ）煙氣流向、噴（pēn）氨圓管中心（xīn）線（xiàn）垂直。SCR 噴氨格柵模（mó）型網格劃分如圖 1（b）所示，運用（yòng） ANSYS MESH 軟件對三維幾何模型進行網格劃分（fèn）， 采用六麵（miàn）體與四麵體混合網格，對噴（pēn）氨圓管網格進行局部加密，*終的網格數量控製在 100 萬左右。


       SCR 噴氨格柵入口參數見表 1， 對部分參（cān）數進行了簡化處理，如用（yòng）高溫空（kōng）氣代替高溫煙氣，用純氨氣代替氨（ān）氣與空氣的混合氣體， 其他參數保（bǎo）持與實（shí）際情況一致（zhì）。


       1.2 物理模型

       對 SCR 噴氨格（gé）柵區域進行（háng）流場優化（huà）模擬是基（jī）於 N-S 流動控製方（fāng）程的（de）求（qiú）解（jiě）。采用標準 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（qì）中的混合與擴散， 但不涉及化學反應。開啟能量方程，考慮空氣（qì）與氨氣的換熱（rè）。本模擬假設煙氣為（wéi）單相氣體（tǐ）， 不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（tǐ），且為定常流動；假設高溫煙氣（qì）入（rù）口和氨（ān）氣入口的速度分布均勻。煙道入口采用速度進口邊界條件， 煙道出口為 Outflow 邊（biān）界條件；噴氨入口為速度入口，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（zhǔn）壁（bì）麵方程，無滑移邊界條件。

       2 模擬結果與分析

       2.1原始SCR噴（pēn）氨（ān）格柵的混合分析

       原始 SCR 噴氨（ān）格柵共設置有 5 根（gēn）噴氨圓管，每根圓管管壁上開有圓形噴氨孔，其布置如（rú）圖 2 所示：噴氨孔水平方向上雙側對稱布置，間（jiān）距均為 20 mm，孔（kǒng）直（zhí）徑為 7 mm，每根噴氨圓管布置 20 個（gè）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（xíng）， 並利用（yòng） Fluent 18.0 進（jìn）行數值模擬計算，獲得了現有 SCR 噴氨格柵煙道內的溫度（dù）和 NH3質（zhì）量（liàng）分數分（fèn）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如圖（tú） 3（a）所示，氨氣（qì）風道的（de）溫度（dù）較低，方形段煙道的（de）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（yuán）管均出現（xiàn）兩側到中間，溫度明（míng）顯逐漸升高的現象，*高溫升（shēng）達 180 ℃。由於壁麵（miàn）均已設置為絕熱，所以排（pái）除導熱（rè）造成管（guǎn）內氨氣溫（wēn）度升高，這可（kě）能是由於通過噴氨孔部（bù）分高溫空氣混入了噴氨圓管（guǎn）中。煙氣出口溫度分布如圖 3（b）所示，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（tú） 4 為（wéi）原始噴氨格柵的 NH3質量分（fèn）數分布，噴氨入口截麵的 NH3質量分數（shù）分（fèn）布如圖（tú） 4（a）所示，氨氣（qì）風道的 NH3質（zhì）量分（fèn）數分布為 1，方形段煙道的為 0。5 根噴氨圓管均出現兩側到中間，NH3質量分數分布逐漸降低的現象。而模擬過程中隻有 NH3和（hé）空氣兩種組分，這（zhè）說明（míng）隨著 NH3在噴氨圓（yuán）管中流動，方形煙道中部分空（kōng）氣通過噴（pēn）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（fèn）布並不十分均勻，存在中間濃度（dù）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（cǎi）用原（yuán）始的噴氨格（gé）柵（shān）結構都存在高溫（wēn）煙氣與氨氣混合均勻性（xìng）較差的問題（tí）， 即煙道出口兩側氨氣濃度高，中（zhōng）間濃度低的情況。這可能是由於（yú）氨氣沿著（zhe）圓管由兩側向中間流動時（shí），其流量在逐漸減小；且噴（pēn）氨（ān）孔是水平布置，高溫空氣垂直流動；並*終導致噴（pēn）氨圓管的中間（jiān）位置高溫空氣更容易通過（guò）噴氨孔（kǒng）進入圓管， 而氨氣則更難從噴氨圓（yuán）管的噴氨孔流入（rù）方形（xíng）煙道。因此，優化設計時還因考（kǎo）慮在工藝允許的情況下， 進（jìn）一步縮小圓管中間（jiān）段噴氨孔（kǒng）的直（zhí）徑。


       2.2 優化後 SCR 噴氨格柵的混合分（fèn）析

       對原（yuán）始 SCR 噴氨（ān）格柵進行了優化設計，其（qí）結（jié）構如圖 5 所（suǒ）示。噴氨圓管上噴氨孔還是以 20 mm 等間（jiān）距布（bù）置， 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及 D4.0 mm4 種規格，具體（tǐ）地，兩側布置大孔徑中間（jiān）布置小孔徑，噴氨孔的數量和（hé）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 個噴氨孔，從噴（pēn）氨孔出來氨氣的流向垂直於煙氣流向。通過數值計（jì）算獲得了優化後 SCR 噴氨格（gé）柵煙道內的（de）溫度和 NH3質量分數分布。

       圖 6 為（wéi）優化後噴氨（ān）格柵的溫（wēn）度分布， 其溫度標尺和圖 3 原始噴（pēn）氨格柵的溫度標尺（chǐ）保持一致。噴氨入口截麵的溫度分（fèn）布如圖 6（a）所示，氨氣風道（dào）的溫度較低，方形段煙道的溫度較高， 這同樣是（shì）由於氨氣和空氣的初（chū）始溫度不一（yī）致。5 根噴氨圓管在方形煙道內溫度稍微升高了一點， *高溫升不（bú）超過 30 ℃，並未出（chū）現 原（yuán）始結構 兩 側 到 中 間 溫 度 明 顯 升 高（gāo） 的 現象。煙氣出口溫度分（fèn）布如圖 6（b）所示，雖然出（chū）口還存在小範圍的局部（bù）低溫區， 但總體上（shàng）看其溫度（dù）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（dī）溫區範圍大大較小，溫度均勻性明顯提升。

       圖 7 為優化後（hòu）噴氨格柵的 NH3質量分數分布（bù），其質量分數標尺和圖 4 原始噴氨格柵的質量分數標尺保持一致。噴氨（ān）入口截（jié）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（fèn）數分（fèn）布為 1，方形段煙道為 0。5 根噴氨圓管在方形煙道中 NH3質量分數均出現了小幅（fú）降低， 這說明有少量空氣通過噴氨孔進入圓管中。但（dàn）相較於原始噴氨格柵，混入噴氨圓管（guǎn）的空氣大幅減少（shǎo）。煙氣出口 NH3質（zhì）量分（fèn）數分布如圖（tú） 7（b）所（suǒ）示，總體上看出口 NH3的分布比較（jiào）均勻，僅存在小範圍（wéi）的低濃（nóng）度區。


       2.3 優化前（qián）後 NH3分（fèn）布均勻性對比分析（xī）

       為進一步了解噴（pēn）氨格柵（shān）優化前後（hòu） NH3的分布均勻性，將對 NH3的摩（mó）爾濃度進行定量分析。采用變異係數 Cv這一參（cān）數作為衡量濃度均勻性的標準，並將（jiāng）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值進行比較分析（xī）。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， 可以看出無論優化前還是優化後，NH3摩爾濃度（dù）的變異係數都是隨著 x 值增大（dà）而減（jiǎn）小，說明隨著（zhe）煙（yān）氣與 NH3的不斷摻混，NH3的分布越來均勻；且經過 0.6 m 的混合距離，兩種結構下的 NH3變（biàn）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（huà）前（qián），下（xià）降幅度在 10%～20%之間（jiān），說明僅通（tōng）過調整噴氨孔徑來優（yōu）化噴氨格柵結構，NH3分布的均勻性就能大幅提高。

       3 結語

       基於原有的SCR噴氨格柵結構進行模擬（nǐ）分析，發現其（qí）布置並不合理（lǐ），噴氨入口截麵和煙氣出口均存（cún）在中間NH3質量分數較低，而兩側較高的現象，煙氣與氨氣混合均勻性較差。通過縮（suō）小噴氨圓管上（shàng）噴氨孔的直徑並采用兩側布置大孔徑中間（jiān）布置小孔徑的形式，增（zēng）強了氨氣（qì）射流的穿透力，使煙氣與氨（ān）氣混合（hé）均勻性得到大幅提升，並*終確立了較優化的噴氨格柵結構。