以鍋爐的選擇（zé）性（xìng）催（cuī）化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝係統為研究對象，運用數值模擬的方法分析原噴氨（ān）格柵結構下（xià）煙（yān）氣與氨氣（qì）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（zhì）大孔徑中間布置小（xiǎo）孔徑的（de）形式，可增強（qiáng）氨氣射流的穿透力，NH3摩爾濃度的變異係數（shù）Cv*高下降20%，煙氣與氨氣混合均勻性得到大（dà）幅提升。

       關鍵詞：噴氨格柵；數（shù）值模擬；變異係數（shù）；混合均勻（yún）性

       引言

       選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝是指（zhǐ）在催化劑作用下，噴（pēn）入（rù）還原劑氨或尿素，將煙氣中的NOx還原為N2和（hé）H2O。煙氣氨氮分布均勻性被視為SCR脫硝性（xìng）能評價的一個（gè）重要指標，作（zuò）為SCR脫（tuō）硝係統結（jié）構的一（yī）部分，噴氨格（gé）柵可促使氨氣（qì）和（hé）煙氣在進入SCR反（fǎn）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（jun1）勻，進而影響到進入催化劑層的反應。隻有煙氣與氨具有良好的（de）混合均勻性，才能保證（zhèng）催化劑層達到*佳的催化反應和氮脫除效率。國內外常用噴氨格柵進行多點噴氨，使氨均勻地分布在（zài）整個反應器截麵（miàn）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（shān）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（yùn）行優化的關鍵之一。以鍋爐的SCR脫硝係（xì）統為研究對象，采用數值模擬計算方法，在分析（xī）原（yuán）噴氨格柵結構煙氣與氨氣的混合效果的基礎上，對其（qí）結構和布置形（xíng）式進（jìn）行優化調整，為脫硝噴氨格柵結構參數（shù）的優化設計提供參考。

       1 模擬對象與（yǔ）方（fāng）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（yuán）始 SCR 噴氨格柵主要由氨氣風道和煙道組成（chéng）， 計算區域（yù）的幾何模型如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋（shì） 後 經氨氣入口 進 入（rù） 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（kǒu）自上而下流動， 並在方形段煙道內（nèi）與氨氣混合，*終從煙氣（qì）出口流出。氨氣風道為（wéi）矩形，布置在煙道周邊，兩側與噴氨圓管連通，煙道內共（gòng）布置 5 根噴氨圓管，煙道內每根噴氨圓管（guǎn）中心線上，均設（shè）置有對稱布置的噴氨孔， 噴口開孔方向與煙氣流向、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（yùn）用 ANSYS MESH 軟件對三維幾何模型進行網格劃分， 采用（yòng）六麵（miàn）體與四麵體混（hún）合網格，對噴氨圓管網格進（jìn）行局（jú）部加密，*終的（de）網格數量控製在 100 萬左右。


       SCR 噴氨格柵（shān）入口參數見表 1， 對部分參數進行（háng）了簡化處理，如用高溫空氣代替高溫煙（yān）氣，用純氨氣代替氨氣與空氣的混合氣體（tǐ）， 其他參數保持與（yǔ）實際（jì）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（jī）於 N-S 流動控製方程的求解。采（cǎi）用標準 k-ε 模型模擬氣體湍流（liú）流動。采用 Species 物質輸運（yùn）模型模擬 NH3在煙（yān）氣中的混合與擴散， 但不涉（shè）及（jí）化學反應。開啟能量方程，考慮空氣與氨氣的換熱。本模擬假設煙氣為單相氣體， 不考慮高溫煙氣中粉塵對流（liú）場（chǎng）的影響，將煙氣視為不可壓縮流體，且為定常流（liú）動；假設高溫煙氣入口和氨氣入口的（de）速度分布均勻。煙道（dào）入口采用速度進口邊界條（tiáo）件（jiàn）， 煙道出口為 Outflow 邊界（jiè）條件；噴氨入口為速度入口，噴射角（jiǎo）度與煙氣流動方向垂直；噴氨圓管（guǎn）及（jí）其他邊界設為絕熱壁麵條件，采用標準壁麵（miàn）方程，無滑移邊界條（tiáo）件。

       2 模擬結果與分析

       2.1原始SCR噴氨格柵的混合分析

       原始（shǐ） SCR 噴氨（ān）格（gé）柵共設置有 5 根噴氨圓管，每根圓管管壁上開（kāi）有圓形噴氨孔，其布置如圖 2 所示：噴氨孔水（shuǐ）平方向上雙（shuāng）側對（duì）稱布置，間（jiān）距均為 20 mm，孔直（zhí）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）氣的流向垂直於煙氣（qì）流向。


       通過建立現有 SCR 噴氨格柵區域的全尺度三維模（mó）型， 並利（lì）用 Fluent 18.0 進行數值模擬（nǐ）計算，獲得了現有 SCR 噴氨格柵煙道內的溫度（dù）和 NH3質量分數分布。圖（tú） 3 為原始（shǐ）噴氨格柵的溫度分布，噴氨入（rù）口截麵的溫度分布如圖 3（a）所示（shì），氨氣風道的溫度較低，方形段煙道的溫度較高，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，*高溫升達 180 ℃。由於壁麵均已設置為絕熱，所以（yǐ）排除導熱造成管內氨氣溫度升高，這可能是由於通過噴氨孔部分高溫空氣混入了噴氨圓管中（zhōng）。煙氣出口溫度分布如圖 3（b）所示，總體上看出口的溫度分布並不十分均（jun1）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（ān）入口截麵的 NH3質量分數分布如圖 4（a）所（suǒ）示，氨氣風道的 NH3質量分數分布為 1，方形段（duàn）煙道的為（wéi） 0。5 根噴氨圓管均出現兩側到（dào）中間，NH3質量（liàng）分（fèn）數分布逐漸降低的現象。而模擬過程中（zhōng）隻有 NH3和空氣兩（liǎng）種組分，這說明隨（suí）著 NH3在噴氨圓管中流動，方形煙道（dào）中部分空氣通過噴氨孔進入到圓（yuán）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（shí）分均勻，存在中（zhōng）間濃度低，兩側濃度高的（de）現象。

       無論從溫度（dù）還是 NH3質量分（fèn）數（shù）的分布來看，采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（de）問題， 即煙道出口兩側（cè）氨氣濃度高，中間濃度低的情況。這可能是由於氨氣沿著圓管由兩側向中間流（liú）動時，其流量在逐漸減小；且噴氨孔是水平布置，高溫空氣垂直（zhí）流動；並*終導致（zhì）噴（pēn）氨圓（yuán）管的中間位置（zhì）高溫空氣更容易通過噴氨孔（kǒng）進入圓管， 而氨氣則更難從噴氨圓管的（de）噴氨孔流入方（fāng）形（xíng）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，其結構如圖 5 所示。噴氨（ān）圓管上噴氨孔（kǒng）還是（shì）以 20 mm 等（děng）間（jiān）距布置， 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及（jí） D4.0 mm4 種規格，具（jù）體地，兩側布置大孔徑中間布置（zhì）小孔徑，噴氨孔的數量和（hé）原始噴氨圓管（guǎn）一樣，在水平方向（xiàng）上雙側布置，每根（gēn）噴氨圓管（guǎn）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。通過數值計算（suàn）獲（huò）得了優化後 SCR 噴氨格柵煙道（dào）內的（de）溫度和 NH3質量分數分布。

       圖（tú） 6 為優化後噴氨格柵的溫（wēn）度分布， 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（ān）入口截麵的溫度（dù）分布如圖 6（a）所示（shì），氨氣風道的溫度較低，方形段煙道的溫（wēn）度較高（gāo）， 這同樣是由於氨氣和空氣的初始溫度不一致。5 根噴氨圓管在方形煙道（dào）內溫度稍微升高了一點， *高溫升不超過 30 ℃，並未出現（xiàn） 原（yuán）始結構 兩 側 到 中 間（jiān） 溫（wēn） 度 明 顯 升 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局部低溫區， 但（dàn）總體上（shàng）看其溫度分布還是比較均勻， 相比較於原始噴氨格柵出口的溫度分布，局部低溫區範圍大（dà）大較小，溫度均勻性明顯提升。

       圖（tú） 7 為優化後噴氨格柵的 NH3質量分數（shù）分布，其質量（liàng）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（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降低， 這說明有少量空氣通過噴氨孔進入（rù）圓管中。但相較於原始噴氨格柵，混入噴氨圓管的空氣大幅減少。煙氣出口 NH3質（zhì）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。


       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（hòu） NH3的（de）分布（bù）均勻性，將對 NH3的摩爾濃度進行定量分析。采用變異係數 Cv這一參數作為衡量濃度均勻性的標準，並將其（qí）定義為


       如圖 1（a）所示，沿著混（hún）合煙道氣流方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）進行比較分析。圖 8 為優化（huà）前後混合煙道各流通截麵（miàn）NH3摩爾濃度 Cv值（zhí）的對比， 可以看出無論優化前還是優化後，NH3摩爾濃度的變異係數都是隨著（zhe） x 值增大而減（jiǎn）小，說明隨著煙氣與 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（lí），兩種結構下（xià）的 NH3變異係數 Cv值均減小一半，均勻性均提高了一倍。然（rán）而無論哪個截麵，優（yōu）化後的 Cv值均（jun1）明顯小於優化前，下降幅度在 10%～20%之間，說明（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（jun1）勻性就能（néng）大幅提高。

       3 結語

       基於原有的SCR噴氨格（gé）柵結構進行模擬分（fèn）析，發現其布置並不（bú）合理，噴（pēn）氨入口截麵和煙氣出口均存在中間NH3質量分數較低（dī），而兩側較高的現（xiàn）象，煙氣與氨氣混合均勻性較差。通過縮小噴氨圓管上噴氨孔的直徑並采用兩側布置大（dà）孔徑中間布置小孔徑的形式（shì），增強了（le）氨氣射流的穿透力，使煙氣與氨氣混合均勻性得到（dào）大幅提升，並*終確立了較優（yōu）化的噴氨格柵結（jié）構。