非均匀入口条件下SCR脱硝系统精准喷氨策略

北极星环保网讯:摘要：采用数值计算的方法，根据全尺度数值模拟计算结果和实际测量数据获得符合工程实际情况的SCR非均匀入口边界条件，模拟了整个SCR系统的烟气流动过程.根据喷氨格栅处速度场和浓度场获取NO通量，以此为基准精确分配各喷管喷氨量.研究了不同喷口布置的氨气与NO的对流扩散混合特性，分析了喷氨格栅中喷口密度N、开孔率φ、喷口角度α三个结构参数对SCR反应器内氨氮混合质量、氨氮比分布均匀性的影响.

结果表明：增大喷口密度N可以有效地优化氨氮混合效果.当N>15.34个/m2时，增加N对氨氮混合效果的影响不再显著;混合指数β随着喷口开孔率φ的增大会出现先减小后增大的趋势;改变喷口角度α可以改善氨氮混合效果，喷口垂直布置时氨氮混合效果最佳.

关键词：数值模拟;非均匀入口条件;精准喷氨;喷口布置;混合效果

选择性催化还原(SCR)脱硝技术是目前大型燃煤电站应用最为广泛的技术[13].在国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局联合发布的《煤电节能减排升级改造行动计划(2014—2020年)》中，明确要求新建燃煤发电机组大气污染物排放质量浓度东部地区基本达到、中部地区原则上接近或达到、鼓励西部地区接近或达到排放限度为基准氧体积分数6.0%条件下氮氧化物的排放质量浓度为50mg/m3的排放标准.

随着国家环保政策日趋严格，对于发电企业来说，进一步提高SCR脱硝效率以满足排放标准已势在必行.目前，NOx的超低排放技术主要通过增加催化剂层数来实现，但在这种情况下，如果仍采用平均化的喷氨策略，烟气中的NOx与NH3很难均匀混合，即使增加催化剂层数，也无法避免出现以下几种常见问题：

①局部氨浓度过量，造成过高的氨逃逸，氨气与被催化剂氧化的SO3反应生成NH4HSO4，堵塞空气预热器.而且，未反应的氨气还会污染环境.

②局部氨浓度过低，导致局部区域NOx排放出现脉动性超标.因此，研究精准喷氨策略从源头上控制NOx与NH3合理匹配，真正发挥第3层催化剂的实际催化作用，是超低排放技术的一个新的方向，对实现氮氧化物超低排放具有重要意义.

最近几年，不少学者对SCR脱硝技术的喷氨方法进行过专题研究，结果发现，在SCR连接烟道内，导流板的布置、氨的喷入方式和分布等因素都会影响系统中氨气与NOx的混合过程、混合质量，直接影响SCR系统的脱硝效率[47].纵观这些研究成果可以发现，大多数研究都采用了均匀入口的边界条件，而关于非均匀边界条件的研究则较少.

而由于大型燃煤锅炉内燃烧流场组织复杂，省煤器出口各烟气参数会呈现不均匀分布特性[8].由此可知，深度优化SCR脱硝系统必须考虑入口边界条件的非均匀性.本课题组对燃煤烟气SCR脱硝技术开展了长期的研究，特别是在流场优化和喷氨方法方面，做了大量系统工作.

雷达等[9]采用数值模拟方法研究了喷氨格栅处烟气速度变化对SCR系统的均流和还原剂混合性能的影响.潘志越[10]以一段包括开设2个喷口供氨管的直烟道为依据，研究了喷氨格栅中各参数对氨氮混合效果的影响.

姚露[11]模拟计算了锅炉炉内燃烧、水平烟道及尾部竖井烟道的流动和传热过程，为SCR系统提供了完整的非均匀入口参数.本文主要以某电厂2×135MW燃煤锅炉SCR反应系统为对象，根据全尺度数值计算结果和实际测量数据，采用网格化的方法获得符合工程实际情况的非均匀入口边界条件，模拟研究不同喷氨结构参数对NOx与NH3混合过程的影响，定量分析不同喷氨策略的优劣，为SCR脱硝系统的设计和优化提供参考.

1计算模型及数值模拟方案

1.1计算模型

某电厂2×135MW亚临界燃煤锅炉SCR反应器位于在省煤器和空气预热器之间的高含尘区域.在SCR反应器中，催化剂采用“2+1”的布置方式.SCR装置内沿烟气流向在烟道不同位置设置导流板和整流器.氨与稀释风混合后经过喷氨格栅(AIG)进入SCR烟道，SCR中的初始喷氨格栅由套涡流板式喷氨混合装置构成，每套装置包括1块涡流板和1个喷氨管，沿烟道深度方向依次均匀布置.

根据对称性条件，可以只对1台锅炉的1套SCR装置进行数值模拟.SCR的几何模型如图1所示.SCR设计要求达到：首层催化剂上游截面处氨氮混合系数β≤5%，氨氮比相对标准差不大于5%.脱硝效率不小于95%.其中，β在数值上等于氨氮比标准差δx，氨氮比相对标准差Cx的计算式为

延伸阅读：

基于流场诊断的燃煤电站SCR系统喷氨优化及试验验证

基于CFD建模的1000MW电站锅炉SCR脱硝系统喷氨策略优化

火电厂SCR脱硝系统喷氨优化调整及烟气取样方法改进