因此，本文從氨空混合的觀點出發，通過計算流體動力學(CFD)軟件的數值模擬，探索安裝氨空混合器、優化母管的連箱尺寸、采用流場區域混合對單元SCR脫硝系統的氨消耗量的影響。某300MW單元采用上述技術改造后，單元氨消耗量減少約37.8%，每年節約液氨采購成本68.79萬元，經濟效果顯著。

選擇性催化還原SCR技術廣泛應用于燃煤機組煙氣脫硝處理，其原理是在催化劑的作用下，NOx與還原劑產生氧化還原反應，生成氮氣和水，達到脫NOx的作用。

過量噴入還原劑會增加NOx氨的逃脫量，在增加設備的安全危險性的同時，空氣預熱器(空氣預熱器)堵塞，吸塵器的膠袋掛灰等問題會增加運行成本，例如鼓風機的電流增加，液氨的購買費用增加等。實際生產中部分電廠的入爐煤質較差，含硫量過高，空預器堵塞已成為普遍現象和亟待解決的難題。所以優化還原劑噴入過程，在保證排放標準的前提下盡可能減少還原劑噴入量，具有巨大的經濟意義和應用前景。過去，對噴射量優化的研究大多從自動控制開始。本文結合實際問題，從噴霧混合系統和流場優化兩方面優化噴霧量。

1理論氨消耗量計算

理論氨消耗量是根據脫硝系統設計界限條件計算的氨消耗量，也是本文氨消耗量優化的最終理想目標。本文以液氨為還原劑，液氨蒸發成氣體狀態后，通過供氨管道注入稀釋管道，與稀釋管道混合后送入母管箱，通過噴射氨管道從噴嘴進入煙道。

根據反應式(1)，NOx和NH3的理論當量比(氨氮摩爾比)為1，因此可以根據理論排煙量和進出口的NOx質量濃度計算理論液氨消耗量:

但受反應速度、排煙混合等因素的影響，實際運行中氨氮摩爾比略高于理論值1:

式為實際氨氮摩爾比，通常取1.05。

2添加氨空混合器對氨消耗量的影響

考慮到安全性，要求純氨進入稀釋管道后稀釋到5%以下。另外，為了保證各支管的噴氨調節性能一致，希望各支管的氨量盡量一致。有些單元的設計是將氨管直接插入稀釋管內，稀釋管內沒有氨空混合器。

實際上，僅靠管內氣流本身的混合和部分的擴散就無法實現氨和空氣的均勻混合，需要混合設備。對此，本文通過數值模擬的方法，對西安熱工研究院有限公司生產的氨空混合器前后稀釋風管內氨組分的分布特性進行比較。該CFD模型的計算范圍為自注入口上游1m至氨空混合器下游9m之間的配管。

為了分析氨的分布情況，管道每隔0.5m設置1處監視面，共18處。CFD模型計算采用壓力基解決器、Standard-K-Pard、壓力-速度耦合、SIMPLE算法、質量入口邊界條件，選擇組件運輸模型模擬NH3等組件混合。該模型網格數為3.2萬，最大扭曲度小于0.85。計算結果與網格數分別為6.5萬和9.2萬的模型計算結果一致。

模擬計算如圖1所示，添加氨空混合器及其混合距離對氨質濃度分布的影響。圖1顯示，安裝氨空混合器時，隨著混合距離的增加，配管內氨分布的均勻性逐漸提高，未安裝氨空混合器的配管離注入口9m處的氨質濃度相對基準偏差達到58.5%，安裝氨空混合器的配管離注入口5m處的氨質濃度相對基準偏差達到4.0%

圖1配置氨空混合器及其混合距離對氨質濃度分布的影響

圖2比較了是否配置氨空混合器的2種配置，距注入口5m處氨質濃度分布云圖。

圖2距離注入口5m處氨體積分布云圖

從圖2可以看出，加入混合器后，整個斷面內的氨質濃度分布均勻，未加入的氨空混合器斷面內的氨質濃度主要集中在接近注入口一側的區域，這意味著遠端側支管內的氨質濃度必然過低。

如果噴射氨格柵前NOx的質量濃度沿聯箱內氨空混合氣流方向呈近端低遠端高分布，則遠端側噴射氨支管內氨質量濃度過低，即使噴射氨支管的手動閥全開，該區域的NOx脫離量也有限。為了保證出口NOx的質量濃度符合標準，只能增加噴射量。從節約氨消耗量和實現氨質濃度分布的均勻角度來看，需要安裝氨空混合器。氨和空氣通過氨空混合器進入聯箱，通過幾組并聯的噴射氨格柵支管進入SCR反應器。

3聯箱直徑對噴射支管流量的影響

整個噴射系統應考慮局部阻力系數和管道沿途阻力系數的影響，其中前者的影響大于后者。通常，由于噴射氨格柵外各支管的尺寸和配置形式一致，各支管的沿阻力系數接近。氨空混合氣體從箱體進入各支管是大流通域突然變成小流通域，局部阻力系數與支管截面積和箱體截面積的比例成正比。

以300MW機組為例，建立了從母管連箱到噴嘴之間的CFD模型。每個連接器上引出10個噴射氨支管，每個支管中部設置1個流量監測面。模型網格數分別為11萬、14萬和17萬時計算結果一致，通過網格無關性驗證。模擬計算得到3種不同直徑的聯箱對噴氨格柵支管流速的影響，結果如圖3所示。其中，a箱直徑為406mm，b箱直徑為273mm，c箱直徑為219mm。

圖3聯箱尺寸對噴氨格柵支管流量的影響

從圖3可以看出，聯箱的直徑越大，氨空混合系統的全壓差越小，各支管出口的流速和壓力分布越均勻，噴氨格柵適應負載不同的NOx分布的能力也越強。聯箱直徑小時，近端支管氨流量低時，該支管對應煙道內該區域NOx質量濃度過高，調小其馀噴氨支管蝶閥開度后，氨流量不能滿足時，只能增大總噴氨量。但是，包裝直徑也不能太大。否則，經濟性會下降，因此需要綜合現場實際配置空間，選擇合適的包裝直徑。

4流場分區混合對氨消耗量的影響

超低排放標準執行后，許多燃煤單元存在氨過剩、空預器堵塞、除塵布袋糊袋等現象，其原因是SCR脫硝系統入口NOx分布偏差過大，脫硝系統流場設計的均勻性差通常的SCR脫硝系統需要每年至少進行一次手動噴霧調整，但只適用于一種情況，情況變化后各支管的噴霧量與實際入口NOx質量濃度不一致，噴霧量過剩或噴霧量不足。對此，采用流場分區混合技術，控制氨噴射量優化混合過程，最大限度地降低氨的逃離量，提高SCR脫硝系統的脫硝效率。

4.1分區混合技術原理

首先在入口煙道內設置大范圍混合器，減少入口NOx質量濃度分布偏差，然后根據煙道尺寸的截面，將噴射氨格柵及其后續煙道分為2~4個分區，在各分區內設置分區混合器強烈混合煙道。相鄰分區的混合器朝相反的方向設置，分區內的煙氣可以獨立旋轉，分區間沒有煙氣。在分區混合器的作用下，煙氣旋轉流線如圖4所示。由圖4可見，進入脫硝催化劑前，盡管各煙氣分區之間NOx質量濃度存在偏差，但是每個分區內NOx質量濃度分布均勻。

圖4分區混合器作用下煙氣旋轉流線示意

此外，還應在催化劑后各煙氣分區出口加裝巡測煙氣連續排放檢測系統（CEMS），根據分區出口的NOx質量濃度調整各分區的噴氨量，以實現各分區內氨氮摩爾比均勻且接近理論值，NOx在高效脫除的同時所用氨量最低。

4.2分區混合技術應用案例

以某300MW單元超低排放改造為例。改裝后該機組SCR脫硝系統存在催化劑磨損嚴重、煙氣流速分布不均、氨耗大、空預器堵塞等問題。根據底部測試，SCR脫硝系統入口NOx的質量濃度平均值為405毫克/立方米，最大偏差為140毫克/立方米。

為了便于區分混合優化前后NOx質量濃度分布，引入評價指標S，即首層催化劑入口NOx濃度(體積分數或質量濃度，與氨濃度相同)的差距。該值定義為SCR脫硝系統理論出口NOx排放質量濃度，可直接反應NOx排除的完善程度和還原劑是否過剩。為了滿足深度減排標準，出口NOx的質量濃度必須在30mg/m3以下。s折算值(NOx排放質量濃度)遠大于30mg/m3時，氨量不足，NOx脫離不完善的s小于0時，氨過度噴射。

圖5在原始結構滿負荷的情況下，第一層催化劑的前截面s分布云圖，表1是該截面s的折算值。從圖5和表1可以看出，當S折算平均值為30毫克/立方米時，S脫硝的最大值為113.3毫克/立方米，最小值為-120.0毫克/立方米，此時模擬的氨空混合氣流量為0.79公斤/立方米(氨體積分數為5%，相同)。

圖5原始結構滿負荷初級催化劑入口s分布云圖

表1原始結構滿負荷初級催化劑入口s折算值

對該300MW單元脫硝系統進行CFD數值建模和分區混合優化設計，模型范圍從省煤器出口到空預器入口之間的煙道。除噴射氨格柵、混合器采用非結構格柵外，其馀區域采用結構格柵，加密處理重要部位。該模型的網格數量為709萬。表2為區域優化后，在滿負荷下首次催化劑入口s折算值，該情況下s分布云圖如圖6所示。結果顯示，S折算平均值為30mg/m3時，S脫硝最大值為41.7mg/m3，最小值為–0.3mg/m3。區分混合優化后，NOx分布均勻性比原結構提高效果顯著，氨空混合氣流量下降到0.56kg/s，理論上區分混合優化后可節約32.9%的液氨消耗量。

5改造效果

1)本文從安裝氨空混合器、優化聯箱母管尺寸、區域混合優化等氨空混合技術開始，通過提高噴射均勻性，有效避免局部NOx脫離效率過低、氨脫離量增大的情況，降低單元的氨消耗量。對某300MW機組進行分區優化改造后，在滿足深度減排標準的同時，氨耗比改造前明顯下降，單機平均氨耗從66.75kg/h下降到41.5kg/h，可節省37.8%，每年單機可節省液氨209t，節省液氨采購費68.97萬元。

2)安裝氨空混合器，保證一定的混合距離，保證氨和稀釋風的均勻混合，避免氨組分混合不均引起的還原劑噴霧。

3)優化聯箱母管尺寸，兼顧經濟性，同時提高各噴射氨管流量的均勻性，避免氨空混合氣流不均勻引起的還原劑噴射。

4)NOx采用區域混合優化技術，在各區域實現氨氮摩爾比均勻分布，接近理論值，保證NOx在高效脫離的同時使用的氨量最低，避免入口NOx分布偏差過大引起的還原劑噴霧。