SCR 脫硝系統(tǒng)噴氨格柵的模擬優(yōu)化

祝 濤，祝鑫陽，羅俊偉，黃立成

（1.中電建湖北電力建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430030；2.武漢武鍋能源工程有限公司，湖北 武漢 420223）

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［1］，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，進而影響到進入催化劑層的反應(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)外常用噴氨格柵進行多點噴氨，使氨均勻地分布在整個反應(yīng)器截面上［2］。越來越嚴的排放標準對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［3-5］。

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)氨氣入口進入環(huán)形氨氣風道，并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，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)進行了簡化處理，如用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(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。采用標準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散，但不涉及化學反應(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，不考慮高溫煙氣中粉塵對流場的影響，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，采用標準壁面方程，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)量分數(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 ℃，而高溫煙氣初始溫度為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180 ℃。由于壁面均已設(shè)置為絕熱，所以排除導熱造成管內(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)量分數(shù)分布，噴氨入口截面的NH3質(zhì)量分數(shù)分布如圖4（a）所示，氨氣風道的NH3質(zhì)量分數(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)量分數(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入到圓管中。煙氣出口NH3質(zhì)量分數(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)量分數(shù)的分布來看，采用原始的噴氨格柵結(jié)構(gòu)都存在高溫煙氣與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??；且噴氨孔是水平布置，高溫空氣垂直流動；并最終導致噴氨圓管的中間位置高溫空氣更容易通過噴氨孔進入圓管，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)量分數(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 mm 4 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)量分數(shù)分布。圖6 為優(yōu)化后噴氨格柵的溫度分布，其溫度標尺和圖3 原始噴氨格柵的溫度標尺保持一致。噴氨入口截面的溫度分布如圖6（a）所示，氨氣風道的溫度較低，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)量分數(shù)分布，其質(zhì)量分數(shù)標尺和圖4 原始噴氨格柵的質(zhì)量分數(shù)標尺保持一致。噴氨入口截面的NH3質(zhì)量分數(shù)分布如圖7（a）所示，氨氣風道的NH3質(zhì)量分數(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)量分數(shù)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)量分數(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)量分數(shù)分布

2.3 優(yōu)化前后NH3 分布均勻性對比分析

為進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準，并將其定義為

式中：cd為NH3摩爾濃度的標準偏差，mol／m3；ca為NH3摩爾濃度平均值，mol／m3；變異系數(shù)越大，標準偏差與平均值偏差越大，NH3分布均勻性也越差。

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)量分數(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)。