以鍋爐的選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝係統為（wéi）研究對象，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（hún）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（zhí）徑並采用兩（liǎng）側布（bù）置大孔徑中間布置小孔徑（jìng）的形式，可增（zēng）強氨氣（qì）射流的穿透力，NH3摩爾濃度的變異係（xì）數Cv*高下降20%，煙氣與氨氣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，噴入還原劑氨或尿素，將煙氣中的NOx還原為N2和H2O。煙氣氨氮分（fèn）布均勻性被視為（wéi）SCR脫硝性能評價的一個重（chóng）要指標，作為SCR脫硝（xiāo）係統（tǒng）結構的一部分，噴氨格（gé）柵可促使氨氣和煙氣在進入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均勻，進而（ér）影響到進入催化劑層的反應。隻有煙氣與（yǔ）氨具有良好的混（hún）合均勻性，才能保證催化劑層達到*佳的催化反應和（hé）氮脫除（chú）效率。國內外常用（yòng）噴氨格柵進行多（duō）點噴氨，使氨均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（yīng）器內的速度場、濃度場、噴氨格柵噴射三者之間的耦合提出了更高要求（qiú），係統均流與混合是脫硝係統運行優化的關鍵之一。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（yōu）化調整，為脫硝噴氨格（gé）柵結構（gòu）參數的優化設計提供參考。

       1 模擬對象與方法

       1.1模擬對象的幾何結構及邊界條件

       脫硝還原劑采用氨氣，原始 SCR 噴氨格柵主要由（yóu）氨（ān）氣風道（dào）和煙道組成， 計（jì）算（suàn）區域的幾何模型如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 後 經氨氣入口 進 入 環形氨氣風道，並從噴氨圓管的管壁圓孔噴出；煙氣從高溫煙氣入口自（zì）上而下（xià）流動， 並在方形段煙道內與氨氣混合，*終從煙氣出口流出。氨氣風道為（wéi）矩形，布置（zhì）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（dào）內每根噴氨圓管中心線上，均設置有對稱（chēng）布（bù）置的噴（pēn）氨孔， 噴口開孔（kǒng）方向與煙氣流（liú）向、噴氨圓管中心線垂直。SCR 噴氨格柵模型網格劃分如圖 1（b）所示，運用 ANSYS MESH 軟件對三維幾（jǐ）何模型進行網格劃分， 采用（yòng）六麵體與四麵體混合網格，對（duì）噴（pēn）氨圓管網格進行局部加（jiā）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（yòng）高溫空氣代替高溫煙氣，用純氨氣代替氨氣與空氣的混合氣體， 其他參數保持與實際情（qíng）況一致。


       1.2 物理（lǐ）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（tǐ）湍流流動。采用 Species 物質輸運模型模擬 NH3在煙氣中（zhōng）的（de）混合與擴散， 但不涉及化學反應。開啟能量方程，考慮（lǜ）空（kōng）氣與氨氣的換熱。本模（mó）擬假設煙氣為單相氣體， 不考（kǎo）慮高（gāo）溫煙氣中粉塵對流場的影響，將煙氣視為不可壓縮流（liú）體，且（qiě）為（wéi）定常流（liú）動；假設（shè）高溫煙氣入口和氨氣入口的速度分布均勻。煙道入口采用速度進口邊界（jiè）條件， 煙道出口為 Outflow 邊界條件；噴氨入口（kǒu）為速（sù）度入口（kǒu），噴（pēn）射角度（dù）與煙氣流動方向垂直；噴氨圓管及其他邊界設（shè）為絕熱壁麵條件，采用標準壁麵方程，無滑移邊界條件。

       2 模擬結果與分析

       2.1原始SCR噴（pēn）氨格柵的混合分析

       原始 SCR 噴氨格柵共設（shè）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（kǒng）水平方向上雙側對稱布置，間距均為 20 mm，孔直（zhí）徑為 7 mm，每根噴氨圓管布置 20 個噴氨（ān）孔（kǒng），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（pēn）氨格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（suàn），獲得了現有 SCR 噴氨格柵煙道內的溫度和 NH3質量分數分布。圖 3 為原始噴氨格柵（shān）的溫度分布，噴氨入口截麵的溫（wēn）度（dù）分布如圖 3（a）所示，氨（ān）氣（qì）風道的（de）溫度較低，方（fāng）形段煙道的溫（wēn）度較（jiào）高，這是（shì）由（yóu）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，溫度明顯逐漸升高的現象，*高溫升達 180 ℃。由於壁麵均已設置為絕熱（rè），所以排除導熱造成管（guǎn）內氨氣溫度升高，這可（kě）能是由於通過噴（pēn）氨孔（kǒng）部分高溫空氣混入了噴氨圓管中。煙氣出口溫度分（fèn）布如圖 3（b）所示，總體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 4 為原始噴氨格柵的 NH3質量分數分布，噴氨入口截（jié）麵的 NH3質量分數分布如圖 4（a）所示，氨氣風道的 NH3質量分數分布為（wéi） 1，方（fāng）形段煙道的為（wéi） 0。5 根（gēn）噴氨圓管（guǎn）均出現兩側到中間，NH3質量分數分布逐漸（jiàn）降低的現象（xiàng）。而模擬過程中隻有（yǒu） NH3和空氣兩種組分，這說明隨著 NH3在噴氨圓管中流動，方形煙道中部分空氣（qì）通過（guò）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（tǐ）上看出口NH3的分布並不十（shí）分（fèn）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（shù）的分布來看（kàn），采（cǎi）用原始的噴氨格柵結構都存在高溫煙（yān）氣與氨氣混合均勻性較差的問題， 即煙道出口兩側氨氣濃度高，中間濃度低的情況。這可能是由於氨氣（qì）沿著（zhe）圓管由兩側向中（zhōng）間流動時，其流量在（zài）逐漸（jiàn）減小；且噴氨孔是水平布置，高溫空氣垂直流動；並*終導致噴氨圓管的（de）中（zhōng）間位置（zhì）高溫空氣（qì）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氨孔流入方形（xíng）煙道。因此，優化設計時（shí）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（hòu） SCR 噴氨格柵的混合分析

       對原始 SCR 噴氨格（gé）柵進（jìn）行了優化設計，其結構如（rú）圖 5 所示。噴（pēn）氨圓管上噴氨孔還是以 20 mm 等間距布置， 有（yǒu） D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及 D4.0 mm4 種規（guī）格，具體地，兩側布置大孔徑中間布置小孔徑，噴氨孔（kǒng）的數（shù）量和（hé）原始噴氨圓管一樣，在水平方向上雙側布置，每根（gēn）噴氨圓管布置（zhì） 20 個噴氨孔，從噴氨孔出來氨氣的流向垂直於煙氣流向。通過數值計算獲得了優化後 SCR 噴氨（ān）格柵煙道內的（de）溫度和 NH3質量分數分布。

       圖 6 為優化後噴氨格（gé）柵的（de）溫度分布， 其溫度標尺和圖 3 原始噴氨（ān）格（gé）柵的溫（wēn）度標尺保持一致。噴氨入口截麵的（de）溫度分布如圖 6（a）所示（shì），氨（ān）氣風道的溫度較（jiào）低（dī），方形段煙道的溫度較高（gāo）， 這同樣是由於氨氣（qì）和（hé）空氣的初始溫度不一致。5 根噴氨圓管在方形（xíng）煙道內溫（wēn）度稍微升高了一點， *高溫升（shēng）不超過 30 ℃，並未出（chū）現（xiàn） 原始結（jié）構（gòu） 兩 側 到 中 間 溫 度 明 顯 升 高 的 現象。煙氣出口溫度分布如圖 6（b）所示（shì），雖然出口還存在小範圍（wéi）的局部低溫區， 但總體上看其溫度分（fèn）布還是比較均勻， 相比較於（yú）原始噴氨格柵出（chū）口的溫度分布，局部低溫區範圍大（dà）大較（jiào）小，溫度均（jun1）勻性明顯（xiǎn）提升。

       圖 7 為優化後噴氨（ān）格柵的 NH3質量分數分布，其質量分數標尺和圖 4 原始噴氨格柵的質量分（fèn）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）所示，氨氣風道的 NH3質量分數分布為 1，方（fāng）形段煙道為 0。5 根（gēn）噴氨圓管在方形煙道中（zhōng） NH3質量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管中。但相較於原始噴氨格柵，混入（rù）噴氨圓管的空氣大（dà）幅減少。煙氣（qì）出口 NH3質量分數分布如圖 7（b）所示（shì），總體上看出口 NH3的分布比較均勻，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（duì）比分析

       為進一步了解噴氨格柵優化（huà）前後 NH3的分布均勻性，將對 NH3的摩爾濃（nóng）度進行定量分析。采用變異係數 Cv這一參數（shù）作（zuò）為衡量濃度均（jun1）勻性的標（biāo）準，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（fèn）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值進行比較分析。圖 8 為優化前後混合煙道各（gè）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（nóng）度的變異係數都（dōu）是隨著 x 值增大而減小（xiǎo），說明隨著煙氣（qì）與 NH3的不斷摻混，NH3的分布越來均勻；且經過（guò） 0.6 m 的混合距離，兩種結構下的 NH3變異係數 Cv值均減小（xiǎo）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（zhí）均明顯小於優化前，下降幅度在 10%～20%之間，說明僅通過調整噴氨孔徑來優（yōu）化（huà）噴氨格柵結構，NH3分布的均勻性就能大幅提高。

       3 結語

       基（jī）於原有的SCR噴氨格柵結構進行模擬分析，發現其布置並不合理，噴氨入口截麵和煙（yān）氣出口均存在中間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（suō）小噴氨圓管（guǎn）上噴氨孔（kǒng）的直徑並采用兩側布置大孔徑中間布（bù）置小孔徑的形式，增（zēng）強了氨氣射流（liú）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氨格柵（shān）結構。