盧志民 李博航 唐雯 陳詠城 吳康洛 姚順春

（1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516623）

氮氧化物（NOx）是大氣主要污染物之一［1］，為推行更嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展改革委、環(huán)保保護(hù)部、能源局印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020）》，要求在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，NOx排放質(zhì)量濃度不超過50 mg/Nm3。選擇性催化還原（SCR）脫硝是目前國內(nèi)電廠主要應(yīng)用的煙氣脫硝技術(shù)［2-3］，超低排放要求下，通過增加噴氨量能夠提高NOx的脫除效率，但會造成部分區(qū)域氨逃逸量超標(biāo)，增加空氣預(yù)熱器堵塞及SCR催化劑中毒的風(fēng)險［4-5］。

調(diào)整噴氨格柵不同區(qū)域的噴氨量是提高煙道內(nèi)氨氮濃度混合匹配度的重要措施，合理的氨氮混合當(dāng)量比可以保證SCR 脫硝反應(yīng)完全，改善出口NOx濃度分布均勻性［6］，是國內(nèi)外的研究熱點。Cho等［7］對SCR噴氨格柵AIG進(jìn)行了分區(qū)，模擬計算不同噴氨策略下氨氮混合均勻性；Liu等［8］通過分析AIG系統(tǒng)各噴氨支管對應(yīng)分區(qū)的NOx通量權(quán)重，提出了分區(qū)噴氨智能調(diào)優(yōu)策略；郅勇［9］提出了一種分區(qū)域噴氨的優(yōu)化措施，通過保持總噴氨流量不變而控制不同區(qū)域的噴氨流量，進(jìn)一步優(yōu)化了NH3濃度的均勻性。大部分學(xué)者都能夠采用分區(qū)噴氨的方式來優(yōu)化氨氮混合均勻性，而通過精確調(diào)控噴氨格柵每個噴嘴的噴氨量，則可進(jìn)一步提高煙道內(nèi)的氨氮匹配度，盧志民等［10］提出了一種基于影響因子的噴氨優(yōu)化方法，結(jié)果表明進(jìn)行42 個噴嘴優(yōu)化時，能同時精確調(diào)整煙道深度和寬度的噴氨量，使得催化劑入口氨氮摩爾比相對偏差小于3%。上述研究均以催化劑上游截面氨氮比最均勻為優(yōu)化目標(biāo)，忽略了氨氮混合氣在催化劑層發(fā)生催化反應(yīng)的條件差異以及反應(yīng)過程的變化規(guī)律，未能直接建立SCR出口分區(qū)NOx濃度與噴氨格柵入口分區(qū)噴氨量的數(shù)學(xué)關(guān)系，也未能實現(xiàn)SCR 出口NOx濃度分布的均勻化，故噴氨優(yōu)化調(diào)整策略的精確度和針對性還有待提高。

孫虹等［11］基于氨氮比一致分配理論，利用CFD模擬多次試算獲得最優(yōu)噴氨策略，并進(jìn)行了現(xiàn)場驗證；計佳青等［12］提出了一種基于權(quán)重思想的非均勻噴氨優(yōu)化策略，通過多次噴氨優(yōu)化調(diào)整確定最優(yōu)噴氨流量，結(jié)果表明，噴氨優(yōu)化后首層催化劑截面的氨濃度分布變得均勻，且脫硝性能得到了提高。針對噴氨優(yōu)化問題，不同研究者提出了各自的優(yōu)化策略，但通過多次試算的方法進(jìn)行調(diào)整仍具有一定的盲目性，模擬花費的時間長。

針對上述存在的問題，本文提出一種以SCR脫硝反應(yīng)器出口測量截面NOx質(zhì)量濃度分布最均勻為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行分區(qū)/噴嘴噴氨優(yōu)化模擬的方法。將現(xiàn)場試驗的煙氣數(shù)據(jù)作為入口邊界條件，計算SCR脫硝反應(yīng)器的流動和催化反應(yīng)，對均勻噴氨策略下SCR 系統(tǒng)的速度場、濃度場和溫度場進(jìn)行了分析；CFD模型實現(xiàn)該機(jī)組SCR流場的可視化，對不同噴氨分區(qū)/噴嘴的氨流動特性進(jìn)行分析，定義噴氨格柵分區(qū)/噴嘴流動影響系數(shù)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)SCR 反應(yīng)動力學(xué)模型，直接給出出口截面分區(qū)NOx濃度與入口NH3濃度分布的數(shù)學(xué)關(guān)系；通過定量求解優(yōu)化矩陣方程得到不同分區(qū)/噴嘴的噴氨流量，從而針對出口NOx質(zhì)量濃度均勻性進(jìn)行優(yōu)化模擬。

1 計算模型與求解方法

1.1 幾何建模

本次研究對象為廣東某660 MW 燃煤機(jī)組配置的SCR脫硝系統(tǒng)，以A側(cè)反應(yīng)器為例進(jìn)行說明。根據(jù)電廠提供的圖紙，按照1∶1 的比例在Solidworks軟件上建立了SCR 反應(yīng)器的三維幾何模型，如圖1所示，其中，該模型以省煤器出口至空氣預(yù)熱器入口為計算區(qū)域。利用ANSYS ICEM 對SCR反應(yīng)器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中噴氨格柵和靜態(tài)混合器區(qū)域因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對噴嘴等關(guān)鍵位置進(jìn)行網(wǎng)格加密；其余部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將3 層蜂窩催化劑層視作多孔介質(zhì)區(qū)域，阻力系數(shù)通過實際壓降計算得到。此外，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)，最終網(wǎng)格數(shù)量確定為509萬。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)幾何模型Fig.1 Geometric model of SCR denitration system

噴氨格柵共有42 個噴嘴，經(jīng)過在線分區(qū)優(yōu)化控制的改造后將噴氨格柵劃分為5 個區(qū)，分別由5 個噴氨調(diào)閥控制，催化劑進(jìn)出口的橫截面劃分為18（6×3=18）個區(qū)，具體情況參考文獻(xiàn)［13］。

1.2 模型選擇與邊界條件設(shè)置

整個SCR脫硝系統(tǒng)模型的數(shù)值模擬包括湍流流動模型、組分輸運和化學(xué)反應(yīng)模型等，在Fluent中選擇合適的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)數(shù)值能夠保證得到可靠的模擬結(jié)果。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。采用組分輸運模型來模擬煙氣中NO、NH3、H2O、CO2、O2和N26種氣體組分的混合和輸運，不考慮飛灰的影響。選用標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)來代表整個反應(yīng)過程，忽略氨氣的吸附、解吸附過程和氧化反應(yīng)過程。

本次模擬的入口邊界條件的煙氣成分、速度和溫度是根據(jù)現(xiàn)場試驗A 側(cè)反應(yīng)器實測值進(jìn)行設(shè)置（具體測量結(jié)果見文獻(xiàn)［13］），從而保證模擬結(jié)果能夠更真實地反映實際SCR脫硝系統(tǒng)的流場、溫度場和NOx濃度場，噴氨優(yōu)化策略更具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。模型中，煙氣入口設(shè)置為速度入口邊界條件，根據(jù)100%負(fù)荷下的實測煙氣流量，計算得到對應(yīng)入口流速為2.92 m/s；煙氣出口設(shè)置為壓力出口邊界條件，出口壓力為-2 000 Pa；噴氨格柵噴氨噴嘴采用質(zhì)量流量為入口邊界條件，在噴氨優(yōu)化前采用均勻噴氨方式，即每個噴嘴的噴氨量設(shè)置為0.046 kg/s，其中氨組分的體積分?jǐn)?shù)為2.35%。SCR脫硝系統(tǒng)中煙氣各組分的體積分?jǐn)?shù)見表1。

表1 煙氣各組分的體積分?jǐn)?shù)Table1 Volume fraction of each component in the flue gas%

1.3 噴氨優(yōu)化方案

本文將以SCR 出口測量截面NOx質(zhì)量濃度分布最均勻為優(yōu)化目標(biāo)，對噴氨格柵每個分區(qū)/噴嘴噴氨量做出相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，以提高煙道內(nèi)氨氮濃度混合匹配度，優(yōu)化方法流程見圖2。通過前期試驗［13］獲得煙氣流場數(shù)據(jù)，建立CFD模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并與試驗數(shù)據(jù)對比以驗證模型的可靠性；根據(jù)氨流線特性分析結(jié)果，計算分區(qū)噴氨流動影響系數(shù)；基于SCR 反應(yīng)動力學(xué)模型建立催化劑出口NOx濃度與入口NH3濃度的數(shù)學(xué)關(guān)系；以出口NOx濃度均值為18 個分區(qū)的優(yōu)化目標(biāo)值，利用數(shù)學(xué)關(guān)系式得到首層催化劑入口NH3濃度分布目標(biāo)值；最后通過Matlab求解優(yōu)化矩陣方程直接得到確定的最優(yōu)化分區(qū)/噴嘴噴氨流量，即為最優(yōu)噴氨調(diào)試方案。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，可基于現(xiàn)場實際的煙氣流動和反應(yīng)數(shù)據(jù)對CFD模型進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)上述計算步驟同樣能夠確定噴氨格柵不同分區(qū)/噴嘴與出口截面NOx質(zhì)量濃度分布特性的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行相對應(yīng)的噴氨閥門調(diào)整，獲得噴氨量最優(yōu)調(diào)試方案，保證出口截面NOx質(zhì)量濃度分布最均勻。

圖2 優(yōu)化方法流程圖Fig.2 Flow chart of optimization method

1.4 流動影響系數(shù)

由于煙道內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)限制了支管所噴NH3在煙道內(nèi)的混合擴(kuò)散，再加上混合距離有限，每個分區(qū)/噴嘴噴氨影響催化劑入口18 個分區(qū)的氨濃度分布在一定區(qū)域內(nèi)［10］，因此，為了確定噴氨格柵不同分區(qū)/噴嘴與催化劑上游截面區(qū)域間的對應(yīng)關(guān)系，給出如下的噴氨流動影響系數(shù)定義：

式中，ai為不同噴氨分區(qū)/噴嘴的影響系數(shù)，mi為單個分區(qū)/噴嘴噴氨影響催化劑上游某個區(qū)域的氨濃度，m為單個分區(qū)/噴嘴噴氨總濃度。

根據(jù)式（1）噴氨流動影響系數(shù)的定義，求得噴氨格柵5 個分區(qū)對催化劑入口18 個分區(qū)的影響系數(shù)，如表2所示。每個分區(qū)對催化劑入口18個分區(qū)的影響系數(shù)不同，以分區(qū)1為例，該分區(qū)噴氨主要影響入口C11-C13和C23區(qū)域，影響系數(shù)超過0.1，對其他區(qū)域影響較小。由于篇幅關(guān)系，42個噴嘴的噴氨流動影響系數(shù)省略，其求解方法與5個分區(qū)的優(yōu)化方法一致。

表2 5個分區(qū)的噴氨流動影響系數(shù)Table 2 Influence coefficient of ammonia injection flow in five zones

1.5 SCR反應(yīng)動力學(xué)模型

為了實現(xiàn)出口測量截面NOx質(zhì)量濃度分布最均勻的優(yōu)化目標(biāo)，需要進(jìn)一步確定出口截面不同分區(qū)NOx濃度與催化劑上游截面18個分區(qū)的NH3濃度分布的對應(yīng)關(guān)系。

采取的標(biāo)準(zhǔn)SCR化學(xué)反應(yīng)全局動力學(xué)機(jī)理如下：

采用如下方程所表示的V2O5-WO3/TiO2整體蜂窩催化劑中涉及的動力學(xué)模型［14-15］：

式中，RNO為煙氣中NO 反應(yīng)速率，CNH3、CNO分別為煙氣中NH3和NO 的濃度，kNO為脫硝反應(yīng)速率常數(shù)。

在求解模型過程中，假設(shè)反應(yīng)中NO 和NH3的消耗速率相同，即符合式（3）；根據(jù)式（2）并代入初始數(shù)據(jù)，積分求解得到催化劑上游截面NH3濃度與出口NOx濃度對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式（5）。其中，化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)采用文獻(xiàn)［10］中得到的數(shù)據(jù)。

1.6 優(yōu)化矩陣方程及評價指標(biāo)

由1.4節(jié)中噴氨影響系數(shù)定義的矩陣方程為

本文進(jìn)行了分區(qū)、噴嘴兩種優(yōu)化，因此式（6）中：①若進(jìn)行5個分區(qū)優(yōu)化，則ai，j(i=1，2，…，5；j=1，2，…，18)表示為噴氨格柵第i個分區(qū)噴氨對催化劑上游18個區(qū)域中的第j個區(qū)域的影響系數(shù)；②若按42個噴嘴進(jìn)行優(yōu)化，則ai，j(i=1，2，…，42；j=1，2，…，18)表示為噴氨格柵第i個噴嘴對催化劑上游18個區(qū)域中的第j個區(qū)域的影響系數(shù)；兩種情況下，Yj都表示催化劑上游18 個區(qū)域中第j個區(qū)域的氨濃度需求量；Xi表示待求的噴氨格柵處對應(yīng)分區(qū)/噴嘴的噴氨量。

由1.5節(jié)中得到的基于標(biāo)準(zhǔn)SCR 反應(yīng)動力學(xué)模型的催化劑上游截面NH3濃度與出口NOx濃度數(shù)學(xué)關(guān)系式（5），確定首層催化劑入口NH3濃度分布，同時結(jié)合式（6），可以得到依據(jù)出口NOx濃度分布特性定量求解噴氨格柵對應(yīng)噴氨量的優(yōu)化方法。為評價優(yōu)化效果的好壞，采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)：

式中，為數(shù)據(jù)的平均值，xi為各測點的數(shù)據(jù)，n為截面的測點數(shù)。工程上通常要求脫硝催化劑上游截面速度分布相對偏差小于15%，氨氮比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%，入口溫度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于±10 K，出口截面NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15%［17-18］。

2 數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果

2.1 模型驗證

在SCR系統(tǒng)脫硝性能試驗過程中，入口測量截面與出口測量截面采取網(wǎng)格化取樣，得到實際煙氣的速度場、溫度場以及濃度場的分布情況，將試驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比來驗證CFD模型的準(zhǔn)確性和合理性，實測值與模擬值主要參數(shù)的對比見表3。

表3 實測值與模擬值的對比Table 3 Comparison of measured results and simulated results

由表3 可知，通過Fluent 模擬得到的速度場、NOx濃度場和溫度場的截面均值與實際試驗結(jié)果的相對誤差均小于5%，說明本文設(shè)置的模擬邊界條件和煙道內(nèi)部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)較符合實際情況；同時，催化劑上游氨氮比以及脫硝率模擬值與實測值的相對誤差也均小于5%，說明SCR 脫硝反應(yīng)動力學(xué)模型能夠較好地反映當(dāng)前催化劑的活性特性，保證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。

2.2 均勻噴氨結(jié)果與分析

經(jīng)Fluent模型合理性檢驗之后，對均勻噴氨方式下脫硝反應(yīng)器的溫度場、速度場和濃度場模擬結(jié)果進(jìn)行分析，圖3（a）和3（b）所示分別為催化劑上游截面的速度和溫度分布云圖。

圖3 催化劑上游截面的速度和溫度分布云圖Fig.3 Velocity and temperature distribution diagram of the upstream section of catalyst

通過導(dǎo)流板、靜態(tài)混合器以及整流格柵等內(nèi)部導(dǎo)流裝置的整流作用，催化劑上游截面的流場分布均勻性好，在該截面處速度平均值為3.0 m/s，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.57%，達(dá)到了工程上要求速度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差低于15%的標(biāo)準(zhǔn)；催化劑上游截面溫度平均值為641.78 K，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.22%，截面最高溫度和最低溫度分別為644.35 K和638.64 K，入口溫度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差滿足小于±10 K的標(biāo)準(zhǔn)。在基于標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)動力學(xué)模型求解首層催化劑入口NH3濃度分布過程中，由于催化反應(yīng)器內(nèi)溫度場和速度場相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，故在求解過程中將18個分區(qū)的脫硝反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間看作是一致的，只考慮不同分區(qū)NH3濃度分布與出口NOx濃度之間的對應(yīng)變化關(guān)系。

圖4 為均勻噴氨策略下SCR 系統(tǒng)的NOx質(zhì)量濃度分布云圖。鍋爐省煤器出口的NOx質(zhì)量濃度分布是不均勻的，模型煙氣入口截面采用非均勻入口邊界條件，從圖4 中可以看出，SCR 反應(yīng)器近鍋爐側(cè)的NOx質(zhì)量濃度偏大，煙氣進(jìn)入催化劑層后與NH3發(fā)生脫硝反應(yīng)，NOx質(zhì)量濃度不斷降低，但由于在均勻噴氨策略下各分區(qū)的噴氨量與NOx質(zhì)量濃度當(dāng)量比不相匹配，導(dǎo)致催化劑出口處的NOx質(zhì)量濃度分布嚴(yán)重不均。催化劑出入口截面NOx質(zhì)量濃度分布云圖如圖5所示，對比發(fā)現(xiàn)，催化劑上游截面左上區(qū)域NOx質(zhì)量濃度偏高，而右下區(qū)域質(zhì)量濃度偏低，整個截面NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.16%。當(dāng)采用均勻噴氨方式時，在催化反應(yīng)器內(nèi)氨氮濃度當(dāng)量比不相匹配，反應(yīng)器右側(cè)區(qū)域噴氨過量，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)出口NOx質(zhì)量濃度偏低，存在氨逃逸的風(fēng)險；同時，左側(cè)部分區(qū)域出口NOx質(zhì)量濃度偏高，超過了50 mg/Nm3的工程要求。出口測量截面的NOx質(zhì)量濃度分布均勻性差，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)40.14%，說明反應(yīng)器內(nèi)各分區(qū)不合理的氨氮混合當(dāng)量比將導(dǎo)致出口NOx質(zhì)量濃度分布嚴(yán)重不均勻。

圖4 均勻噴氨策略下SCR 系統(tǒng)z 軸中截面NOx質(zhì)量濃度分布云圖Fig.4 NOx mass concentration distribution cloud diagram in the z-axis section of SCR system under uniform ammonia spray strategy

圖5 催化劑出入口截面NOx質(zhì)量濃度分布云圖Fig.5 Cloud diagram of NOx mass concentration distribution in cross section of catalyst inlet and outlet

2.3 分區(qū)噴氨優(yōu)化結(jié)果

在基于均勻噴氨模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，保持出口截面NOx質(zhì)量濃度均值一定（低于50 mg/Nm3工程標(biāo)準(zhǔn)），假設(shè)每個分區(qū)的出口NOx質(zhì)量濃度目標(biāo)值為截面平均值41.7 mg/Nm3（0.000 445 8 mol/m3），以實現(xiàn)出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最小化；根據(jù)脫硝反應(yīng)速率常數(shù)、反應(yīng)停留時間、進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度以及出口NOx目標(biāo)值，單變量求解式（5）以確定入口18個分區(qū)的氨濃度分布目標(biāo)值；然后根據(jù)噴氨格柵分區(qū)氨流動影響系數(shù)和催化劑上游18個分區(qū)氨濃度分布目標(biāo)值，利用Matlab 計算噴氨優(yōu)化矩陣方程（6），分別得出噴氨格柵每個分區(qū)的噴氨量；最后將優(yōu)化后的分區(qū)噴氨量代入Fluent中進(jìn)行模擬計算。根據(jù)優(yōu)化方法的流程求解的噴氨格柵5個分區(qū)（分區(qū)1-5）優(yōu)化時的最佳噴氨量依次為0.045 2、0.042 8、0.048 8、0.044 4、0.050 0 kg/s。

出口截面分區(qū)規(guī)則為x軸方向等分為3 個區(qū)域和z軸方向等分為6 個區(qū)域，共18 個分區(qū)，左下角區(qū)域序號為1-1，沿著x軸和z軸正方向序號依次增加。與出口測量截面NOx質(zhì)量濃度分布云圖6 對應(yīng)的18 個不同分區(qū)出口NOx質(zhì)量濃度統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖7所示，圖8為SCR系統(tǒng)z軸中截面NOx質(zhì)量濃度分布云圖。

圖6 SCR系統(tǒng)出口測量截面NOx質(zhì)量濃度分布云圖Fig.6 NOx mass concentration distribution cloud diagram of exit measurement section of SCR system

圖7 SCR系統(tǒng)出口18個分區(qū)NOx質(zhì)量濃度統(tǒng)計圖Fig.7 Statistical chart of NOx mass concentration in 18 zones at the outlet of SCR system

圖8 SCR系統(tǒng)z軸中截面NOx質(zhì)量濃度分布云圖Fig.8 NOx mass concentration distribution cloud diagram in the z-axis section of SCR system

經(jīng)過5 個分區(qū)噴氨優(yōu)化后，出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性均有所提高。從NOx質(zhì)量濃度截面分布特性云圖圖6（b）和圖7 中5 個分區(qū)噴氨情況下出口18個分區(qū)NOx質(zhì)量濃度統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，對比均勻噴氨時，出口測量截面右側(cè)低NOx質(zhì)量濃度區(qū)域3-3、4-3 和左上方高NOx質(zhì)量濃度區(qū)域6-1、6-2、6-3 面積都在減小，出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由均勻噴氨策略下的40.1%下降到33.0%，優(yōu)化效果提高了17.7%；但同時可以發(fā)現(xiàn)出口左側(cè)區(qū)域分區(qū)2-1、3-1 和4-1 的NOx質(zhì)量濃度均高于50 mg/Nm3，且低NOx質(zhì)量濃度區(qū)域面積減小程度不夠明顯。對比圖8（a）和8（b）可知，經(jīng)優(yōu)化后催化反應(yīng)器內(nèi)氨氮濃度當(dāng)量比匹配程度仍較低，出現(xiàn)明顯的NOx濃度分層現(xiàn)象，說明分區(qū)噴氨方法的針對性和精確度不夠，仍可進(jìn)一步提高優(yōu)化效果，故接下來采用42個噴嘴優(yōu)化的方法。

2.4 各噴嘴噴氨優(yōu)化結(jié)果

各噴嘴優(yōu)化噴氨量的計算方法與2.3節(jié)分區(qū)噴氨量計算方法一致，表4為噴氨格柵各噴嘴優(yōu)化噴氨量，代入Fluent中得到的模擬優(yōu)化結(jié)果如圖6（c）、圖8（c）所示。表5為不同優(yōu)化方法的模擬結(jié)果。

表4 42個噴嘴的優(yōu)化噴氨量Table 4 Optimization of ammonia injection for 42 nozzles kg/s

表5 不同優(yōu)化方法的模擬結(jié)果Table 5 Simulation results of each optimization method

當(dāng)經(jīng)過42個噴嘴噴氨優(yōu)化后，出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性進(jìn)一步提高，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降低至6.8%，與5個分區(qū)噴氨優(yōu)化方法相比，優(yōu)化效果進(jìn)一步提高了79.4%，同時出口氨逃逸率相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由均勻噴氨條件下的7.6%下降至2.5%，整體上出口氨逃逸率穩(wěn)定在3 μL/L，但消除了局部氨逃逸率過高的區(qū)域，從而避免了發(fā)生SCR出口局部氨逃逸率“超標(biāo)”的現(xiàn)象。綜合對比不同噴氨方法下出口測量截面NOx質(zhì)量濃度分布云圖（圖6）和18個分區(qū)NOx質(zhì)量濃度統(tǒng)計數(shù)據(jù)（圖7），可以看出：經(jīng)42個噴嘴噴氨優(yōu)化后，出口18個分區(qū)NOx質(zhì)量濃度趨向于截面平均值40 mg/Nm3，不存在NOx質(zhì)量濃度偏低、噴氨過量、氨逃逸“超標(biāo)”排放的風(fēng)險，也不存在超過排放標(biāo)準(zhǔn)50 mg/Nm3的區(qū)域。如圖8（c）所示，在催化反應(yīng)器內(nèi)沒有出現(xiàn)NOx質(zhì)量濃度分層現(xiàn)象，說明催化反應(yīng)器內(nèi)氨氮濃度當(dāng)量比匹配度高，這既實現(xiàn)了NOx壓線排放滿足環(huán)保要求，又避免了出現(xiàn)脫硝效率過高和過低區(qū)域。筆者所在課題組之前的研究［10］是以實現(xiàn)催化劑入口氨氮比最均勻為目標(biāo)，優(yōu)化計算各噴嘴噴氨量，使SCR 出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降至13.7%，優(yōu)化后SCR 出口NOx質(zhì)量濃度并未能達(dá)到最優(yōu)分布的要求，仍會存在出口截面局部NOx質(zhì)量濃度偏高的區(qū)域；而本文以出口NOx質(zhì)量濃度分布最均勻為目標(biāo)，提出基于標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)動力學(xué)模型的優(yōu)化方法，直接建立SCR出口分區(qū)NOx濃度與噴氨格柵入口分區(qū)噴氨量的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以將SCR 出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)一步降低至6.8%。該方法直接優(yōu)化SCR 出口NOx質(zhì)量濃度分布，更具有針對性，優(yōu)化效果更明顯。

上述通過模擬得到的使SCR 出口NOx質(zhì)量濃度分布最均勻的優(yōu)化噴氨方法，不僅可以進(jìn)行噴氨格柵分區(qū)噴氨量控制，還能更精細(xì)化地應(yīng)用到噴氨格柵中每個噴嘴的控制調(diào)閥，結(jié)合現(xiàn)場的調(diào)試經(jīng)驗，對模擬得到的優(yōu)化噴氨量進(jìn)行閥門開度的等比例轉(zhuǎn)換，指導(dǎo)噴氨控制閥調(diào)整，可為現(xiàn)場噴氨優(yōu)化工作提供理論參考。

3 結(jié)論

（1）利用Fluent 模擬將流場可視化，分析氨流動特性并定義噴氨格柵分區(qū)/噴嘴的流動影響系數(shù)，結(jié)合基于SCR 反應(yīng)動力學(xué)模型建立的出口NOx濃度分布與入口NH3濃度的數(shù)學(xué)關(guān)系，直接求解優(yōu)化矩陣方程，可定量計算噴氨格柵不同分區(qū)或不同噴嘴的噴氨流量。該優(yōu)化方法能夠降低噴氨調(diào)整的盲目性，為現(xiàn)場噴氨優(yōu)化工作提供理論參考，同時能適應(yīng)不同負(fù)荷工況條件，具有一定的適用性。

（2）采用均勻噴氨方式時，不同分區(qū)氨氮濃度混合匹配度不高，導(dǎo)致出口NOx質(zhì)量濃度分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)40.1%，采用本文提出的方法調(diào)整不同噴嘴噴氨量后，出口不同分區(qū)最終NOx質(zhì)量濃度趨于均值40 mg/Nm3，分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降低至6.8%，均勻性提高了83.1%，既能實現(xiàn)NOx壓線排放滿足環(huán)保要求，又可避免出現(xiàn)脫硝效率過高和過低的區(qū)域。

（3）絕大多數(shù)SCR 系統(tǒng)噴氨優(yōu)化模擬研究是以催化劑上游氨氮比最均勻為優(yōu)化目標(biāo)，而本文提出的基于標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)動力學(xué)模型的噴氨優(yōu)化新方法是以出口測量截面NOx質(zhì)量濃度分布最均勻為優(yōu)化目標(biāo)，該方法更符合現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整的實際情況，優(yōu)化效果更加明顯。