以鍋爐的選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝系統(tǒng)為研究對象，運用數(shù)值模擬的方法分析原噴氨格柵結(jié)構(gòu)下煙氣與氨氣的混合效果，對其結(jié)構(gòu)和布置形式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，發(fā)現(xiàn)縮小噴氨圓管上噴氨孔的直徑并采用兩側(cè)布置大孔徑中間布置小孔徑的形式，可增強(qiáng)氨氣射流的穿透力，NH3摩爾濃度的變異系數(shù)Cv最高下降20%，煙氣與氨氣混合均勻性得到大幅提升。

關(guān)鍵詞：噴氨格柵；數(shù)值模擬；變異系數(shù)；混合均勻性

0 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。煙氣氨氮分布均勻性被視為SCR脫硝性能評價的一個重要指標(biāo)，作為SCR脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一部分，噴氨格柵可促使氨氣和煙氣在進(jìn)入SCR反應(yīng)器前充分混合，噴氨裝置設(shè)計不合理將直接造成氨氮混合不均勻，進(jìn)而影響到進(jìn)入催化劑層的反應(yīng)。只有煙氣與氨具有良好的混合均勻性，才能保證催化劑層達(dá)到最佳的催化反應(yīng)和氮脫除效率。國內(nèi)外常用噴氨格柵進(jìn)行多點噴氨，使氨均勻地分布在整個反應(yīng)器截面上。越來越嚴(yán)的排放標(biāo)準(zhǔn)對SCR反應(yīng)器內(nèi)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，系統(tǒng)均流與混合是脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化的關(guān)鍵之一。以鍋爐的SCR脫硝系統(tǒng)為研究對象，采用數(shù)值模擬計算方法，在分析原噴氨格柵結(jié)構(gòu)煙氣與氨氣的混合效果的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)和布置形式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為脫硝噴氨格柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)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(gòu)及邊界條件

脫硝還原劑采用氨氣，原始 SCR 噴氨格柵主要由氨氣風(fēng)道和煙道組成， 計算區(qū)域的幾何模型如圖1（a）所示 ，氨 與 空 氣混合 稀 釋 后 經(jīng)氨氣入口 進(jìn) 入 環(huán)形氨氣風(fēng)道，并從噴氨圓管的管壁圓孔噴出；煙氣從高溫?zé)煔馊肟谧陨隙铝鲃樱?并在方形段煙道內(nèi)與氨氣混合，最終從煙氣出口流出。氨氣風(fēng)道為矩形，布置在煙道周邊，兩側(cè)與噴氨圓管連通，煙道內(nèi)共布置 5 根噴氨圓管，煙道內(nèi)每根噴氨圓管中心線上，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(wǎng)格劃分如圖 1（b）所示，運用 ANSYS MESH 軟件對三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 采用六面體與四面體混合網(wǎng)格，對噴氨圓管網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，最終的網(wǎng)格數(shù)量控制在 100 萬左右。

圖 1 SCR 噴氨格柵幾何模型及網(wǎng)格劃分

SCR 噴氨格柵入口參數(shù)見表 1， 對部分參數(shù)進(jìn)行了簡化處理，如用高溫空氣代替高溫?zé)煔?，用純氨氣代替氨氣與空氣的混合氣體， 其他參數(shù)保持與實際情況一致。

表 1 SCR 噴氨格柵入口參數(shù)

1.2 物理模型

對 SCR 噴氨格柵區(qū)域進(jìn)行流場優(yōu)化模擬是基于 N-S 流動控制方程的求解。采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型模擬氣體湍流流動。采用 Species 物質(zhì)輸運模型模擬 NH3在煙氣中的混合與擴(kuò)散， 但不涉及化學(xué)反應(yīng)。開啟能量方程，考慮空氣與氨氣的換熱。本模擬假設(shè)煙氣為單相氣體， 不考慮高溫?zé)煔庵蟹蹓m對流場的影響，將煙氣視為不可壓縮流體，且為定常流動；假設(shè)高溫?zé)煔馊肟诤桶睔馊肟诘乃俣确植季鶆?。煙道入口采用速度進(jìn)口邊界條件， 煙道出口為 Outflow 邊界條件；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(shè)為絕熱壁面條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，無滑移邊界條件。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1原始SCR噴氨格柵的混合分析

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：噴氨孔水平方向上雙側(cè)對稱布置，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，從噴氨孔出來氨氣的流向垂直于煙氣流向。

圖 2 原始圓管上噴氨孔布置示意

通過建立現(xiàn)有 SCR 噴氨格柵區(qū)域的全尺度三維模型， 并利用 Fluent 18.0 進(jìn)行數(shù)值模擬計算，獲得了現(xiàn)有 SCR 噴氨格柵煙道內(nèi)的溫度和 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。圖 3 為原始噴氨格柵的溫度分布，噴氨入口截面的溫度分布如圖 3（a）所示，氨氣風(fēng)道的溫度較低，方形段煙道的溫度較高，這是由于氨氣初始溫度為 150 ℃，而高溫?zé)煔獬跏紲囟葹?370 ℃。5根噴氨圓管均出現(xiàn)兩側(cè)到中間，溫度明顯逐漸升高的現(xiàn)象，最高溫升達(dá) 180 ℃。由于壁面均已設(shè)置為絕熱，所以排除導(dǎo)熱造成管內(nèi)氨氣溫度升高，這可能是由于通過噴氨孔部分高溫空氣混入了噴氨圓管中。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并不十分均勻，兩側(cè)存在局部低溫區(qū)。

圖 3 原始噴氨格柵溫度分布

圖 4 為原始噴氨格柵的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，噴氨入口截面的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖 4（a）所示，氨氣風(fēng)道的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為 1，方形段煙道的為 0。5 根噴氨圓管均出現(xiàn)兩側(cè)到中間，NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布逐漸降低的現(xiàn)象。而模擬過程中只有 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通過噴氨孔進(jìn)入到圓管中。煙氣出口NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖 4（b）所示，總體上看出口NH3的分布并不十分均勻，存在中間濃度低，兩側(cè)濃度高的現(xiàn)象。

無論從溫度還是 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布來看，采用原始的噴氨格柵結(jié)構(gòu)都存在高溫?zé)煔馀c氨氣混合均勻性較差的問題， 即煙道出口兩側(cè)氨氣濃度高，中間濃度低的情況。這可能是由于氨氣沿著圓管由兩側(cè)向中間流動時，其流量在逐漸減?。磺覈姲笨资撬讲贾?，高溫空氣垂直流動；并最終導(dǎo)致噴氨圓管的中間位置高溫空氣更容易通過噴氨孔進(jìn)入圓管， 而氨氣則更難從噴氨圓管的噴氨孔流入方形煙道。因此，優(yōu)化設(shè)計時還因考慮在工藝允許的情況下， 進(jìn)一步縮小圓管中間段噴氨孔的直徑。

圖 4 原始噴氨格柵 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

2.2 優(yōu)化后 SCR 噴氨格柵的混合分析

對原始 SCR 噴氨格柵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。噴氨圓管上噴氨孔還是以 20 mm 等間距布置， 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及 D4.0 mm4 種規(guī)格，具體地，兩側(cè)布置大孔徑中間布置小孔徑，噴氨孔的數(shù)量和原始噴氨圓管一樣，在水平方向上雙側(cè)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于煙氣流向。通過數(shù)值計算獲得了優(yōu)化后 SCR 噴氨格柵煙道內(nèi)的溫度和 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。

圖 6 為優(yōu)化后噴氨格柵的溫度分布， 其溫度標(biāo)尺和圖 3 原始噴氨格柵的溫度標(biāo)尺保持一致。噴氨入口截面的溫度分布如圖 6（a）所示，氨氣風(fēng)道的溫度較低，方形段煙道的溫度較高， 這同樣是由于氨氣和空氣的初始溫度不一致。5 根噴氨圓管在方形煙道內(nèi)溫度稍微升高了一點， 最高溫升不超過 30 ℃，并未出現(xiàn) 原始結(jié)構(gòu) 兩 側(cè) 到 中 間 溫 度 明 顯 升 高 的 現(xiàn)象。煙氣出口溫度分布如圖 6（b）所示，雖然出口還存在小范圍的局部低溫區(qū)， 但總體上看其溫度分布還是比較均勻， 相比較于原始噴氨格柵出口的溫度分布，局部低溫區(qū)范圍大大較小，溫度均勻性明顯提升。

圖 7 為優(yōu)化后噴氨格柵的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)尺和圖 4 原始噴氨格柵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)尺保持一致。噴氨入口截面的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖 7（a）所示，氨氣風(fēng)道的 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布為 1，方形段煙道為 0。5 根噴氨圓管在方形煙道中 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)了小幅降低， 這說明有少量空氣通過噴氨孔進(jìn)入圓管中。但相較于原始噴氨格柵，混入噴氨圓管的空氣大幅減少。煙氣出口 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖 7（b）所示，總體上看出口 NH3的分布比較均勻，僅存在小范圍的低濃度區(qū)。

圖 5 優(yōu)化后圓管上噴氨孔的布置

圖 6 優(yōu)化后噴氨格柵溫度分布

圖 7 優(yōu)化后噴氨格柵 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

2.3 優(yōu)化前后 NH3分布均勻性對比分析

為進(jìn)一步了解噴氨格柵優(yōu)化前后 NH3的分布均勻性，將對 NH3的摩爾濃度進(jìn)行定量分析。采用變異系數(shù) Cv這一參數(shù)作為衡量濃度均勻性的標(biāo)準(zhǔn)，并將其定義為

圖 8 優(yōu)化前后混合煙道各流通截面 NH3摩爾濃度 Cv值的對比

如圖 1（a）所示，沿著混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 個截面， 并對其 NH3摩爾濃度的 Cv值進(jìn)行比較分析。圖 8 為優(yōu)化前后混合煙道各流通截面NH3摩爾濃度 Cv值的對比， 可以看出無論優(yōu)化前還是優(yōu)化后，NH3摩爾濃度的變異系數(shù)都是隨著 x 值增大而減小，說明隨著煙氣與 NH3的不斷摻混，NH3的分布越來均勻；且經(jīng)過 0.6 m 的混合距離，兩種結(jié)構(gòu)下的 NH3變異系數(shù) Cv值均減小一半，均勻性均提高了一倍。然而無論哪個截面，優(yōu)化后的 Cv值均明顯小于優(yōu)化前，下降幅度在 10%～20%之間，說明僅通過調(diào)整噴氨孔徑來優(yōu)化噴氨格柵結(jié)構(gòu)，NH3分布的均勻性就能大幅提高。

3 結(jié)語

基于原有的SCR噴氨格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)其布置并不合理，噴氨入口截面和煙氣出口均存在中間NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，而兩側(cè)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并采用兩側(cè)布置大孔徑中間布置小孔徑的形式，增強(qiáng)了氨氣射流的穿透力，使煙氣與氨氣混合均勻性得到大幅提升，并最終確立了較優(yōu)化的噴氨格柵結(jié)構(gòu)。

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