【技術匯】SCR 脫硝系統(tǒng)噴氨格柵的模擬優(yōu)化

大氣網(wǎng)訊: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構下煙氣與氨氣的混合效果，對其結構和布置形式進行優(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布置大孔徑中間布置小孔徑的形式，可增強氨氣射流的穿透力，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，作為SCR脫硝系統(tǒng)結構的一部分，噴氨格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，進而影響到進入催化劑層的反應。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器截面上。越來越嚴的排放標準對SCR反應器內(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(diào)整，為脫硝噴氨格柵結構參數(shù)的優(yōu)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。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場的影響，將煙氣視為不可壓縮流體，且為定常流動；假設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構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)化設計，其結構如圖 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) 原始結構 兩 側 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

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，兩種結構下的 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)化噴氨格柵結構，NH3分布的均勻性就能大幅提高。

3 結語

基于原有的SCR噴氨格柵結構進行模擬分析，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)化的噴氨格柵結構。