因此，本文从氨空混合的观点出发，通过计算流体动力学(CFD)软件的数值模拟，探索安装氨空混合器、优化母管的连箱尺寸、采用流场区域混合对单元SCR脱硝系统的氨消耗量的影响。某300MW单元采用上述技术改造后，单元氨消耗量减少约37.8%，每年节约液氨采购成本68.79万元，经济效果显着。

选择性催化还原SCR技术广泛应用于燃煤机组烟气脱硝处理，其原理是在催化剂的作用下，NOx与还原剂产生氧化还原反应，生成氮气和水，达到脱NOx的作用。

过量喷入还原剂会增加NOx氨的逃脱量，在增加设备的安全危险性的同时，空气预热器(空气预热器)堵塞，吸尘器的胶袋挂灰等问题会增加运行成本，例如鼓风机的电流增加，液氨的购买费用增加等。实际生产中部分电厂的入炉煤质较差，含硫量过高，空预器堵塞已成为普遍现象和亟待解决的难题。所以优化还原剂喷入过程，在保证排放标准的前提下尽可能减少还原剂喷入量，具有巨大的经济意义和应用前景。过去，对喷射量优化的研究大多从自动控制开始。本文结合实际问题，从喷雾混合系统和流场优化两方面优化喷雾量。

1理论氨消耗量计算

理论氨消耗量是根据脱硝系统设计界限条件计算的氨消耗量，也是本文氨消耗量优化的最终理想目标。本文以液氨为还原剂，液氨蒸发成气体状态后，通过供氨管道注入稀释管道，与稀释管道混合后送入母管箱，通过喷射氨管道从喷嘴进入烟道。

根据反应式(1)，NOx和NH3的理论当量比(氨氮摩尔比)为1，因此可以根据理论排烟量和进出口的NOx质量浓度计算理论液氨消耗量:

但受反应速度、排烟混合等因素的影响，实际运行中氨氮摩尔比略高于理论值1:

式为实际氨氮摩尔比，通常取1.05。

2添加氨空混合器对氨消耗量的影响

考虑到安全性，要求纯氨进入稀释管道后稀释到5%以下。另外，为了保证各支管的喷氨调节性能一致，希望各支管的氨量尽量一致。有些单元的设计是将氨管直接插入稀释管内，稀释管内没有氨空混合器。

实际上，仅靠管内气流本身的混合和部分的扩散就无法实现氨和空气的均匀混合，需要混合设备。对此，本文通过数值模拟的方法，对西安热工研究院有限公司生产的氨空混合器前后稀释风管内氨组分的分布特性进行比较。该CFD模型的计算范围为自注入口上游1m至氨空混合器下游9m之间的配管。

为了分析氨的分布情况，管道每隔0.5m设置1处监视面，共18处。CFD模型计算采用压力基解决器、Standard-K-Pard、压力-速度耦合、SIMPLE算法、质量入口边界条件，选择组件运输模型模拟NH3等组件混合。该模型网格数为3.2万，最大扭曲度小于0.85。计算结果与网格数分别为6.5万和9.2万的模型计算结果一致。

模拟计算如图1所示，添加氨空混合器及其混合距离对氨质浓度分布的影响。图1显示，安装氨空混合器时，随着混合距离的增加，配管内氨分布的均匀性逐渐提高，未安装氨空混合器的配管离注入口9m处的氨质浓度相对基准偏差达到58.5%，安装氨空混合器的配管离注入口5m处的氨质浓度相对基准偏差达到4.0%

图1配置氨空混合器及其混合距离对氨质浓度分布的影响

图2比较了是否配置氨空混合器的2种配置，距注入口5m处氨质浓度分布云图。

图2距离注入口5m处氨体积分布云图

从图2可以看出，加入混合器后，整个断面内的氨质浓度分布均匀，未加入的氨空混合器断面内的氨质浓度主要集中在接近注入口一侧的区域，这意味着远端侧支管内的氨质浓度必然过低。

如果喷射氨格栅前NOx的质量浓度沿联箱内氨空混合气流方向呈近端低远端高分布，则远端侧喷射氨支管内氨质量浓度过低，即使喷射氨支管的手动阀全开，该区域的NOx脱离量也有限。为了保证出口NOx的质量浓度符合标准，只能增加喷射量。从节约氨消耗量和实现氨质浓度分布的均匀角度来看，需要安装氨空混合器。氨和空气通过氨空混合器进入联箱，通过几组并联的喷射氨格栅支管进入SCR反应器。

3联箱直径对喷射支管流量的影响

整个喷射系统应考虑局部阻力系数和管道沿途阻力系数的影响，其中前者的影响大于后者。通常，由于喷射氨格栅外各支管的尺寸和配置形式一致，各支管的沿阻力系数接近。氨空混合气体从箱体进入各支管是大流通域突然变成小流通域，局部阻力系数与支管截面积和箱体截面积的比例成正比。

以300MW机组为例，建立了从母管连箱到喷嘴之间的CFD模型。每个连接器上引出10个喷射氨支管，每个支管中部设置1个流量监测面。模型网格数分别为11万、14万和17万时计算结果一致，通过网格无关性验证。模拟计算得到3种不同直径的联箱对喷氨格栅支管流速的影响，结果如图3所示。其中，a箱直径为406mm，b箱直径为273mm，c箱直径为219mm。

图3联箱尺寸对喷氨格栅支管流量的影响

从图3可以看出，联箱的直径越大，氨空混合系统的全压差越小，各支管出口的流速和压力分布越均匀，喷氨格栅适应负载不同的NOx分布的能力也越强。联箱直径小时，近端支管氨流量低时，该支管对应烟道内该区域NOx质量浓度过高，调小其馀喷氨支管蝶阀开度后，氨流量不能满足时，只能增大总喷氨量。但是，包装直径也不能太大。否则，经济性会下降，因此需要综合现场实际配置空间，选择合适的包装直径。

4流场分区混合对氨消耗量的影响

超低排放标准执行后，许多燃煤单元存在氨过剩、空预器堵塞、除尘布袋糊袋等现象，其原因是SCR脱硝系统入口NOx分布偏差过大，脱硝系统流场设计的均匀性差通常的SCR脱硝系统需要每年至少进行一次手动喷雾调整，但只适用于一种情况，情况变化后各支管的喷雾量与实际入口NOx质量浓度不一致，喷雾量过剩或喷雾量不足。对此，采用流场分区混合技术，控制氨喷射量优化混合过程，最大限度地降低氨的逃离量，提高SCR脱硝系统的脱硝效率。

4.1分区混合技术原理

首先在入口烟道内设置大范围混合器，减少入口NOx质量浓度分布偏差，然后根据烟道尺寸的截面，将喷射氨格栅及其后续烟道分为2~4个分区，在各分区内设置分区混合器强烈混合烟道。相邻分区的混合器朝相反的方向设置，分区内的烟气可以独立旋转，分区间没有烟气。在分区混合器的作用下，烟气旋转流线如图4所示。由图4可见，进入脱硝催化剂前，尽管各烟气分区之间NOx质量浓度存在偏差，但是每个分区内NOx质量浓度分布均匀。

图4分区混合器作用下烟气旋转流线示意

此外，还应在催化剂后各烟气分区出口加装巡测烟气连续排放检测系统（CEMS），根据分区出口的NOx质量浓度调整各分区的喷氨量，以实现各分区内氨氮摩尔比均匀且接近理论值，NOx在高效脱除的同时所用氨量最低。

4.2分区混合技术应用案例

以某300MW单元超低排放改造为例。改装后该机组SCR脱硝系统存在催化剂磨损严重、烟气流速分布不均、氨耗大、空预器堵塞等问题。根据底部测试，SCR脱硝系统入口NOx的质量浓度平均值为405毫克/立方米，最大偏差为140毫克/立方米。

为了便于区分混合优化前后NOx质量浓度分布，引入评价指标S，即首层催化剂入口NOx浓度(体积分数或质量浓度，与氨浓度相同)的差距。该值定义为SCR脱硝系统理论出口NOx排放质量浓度，可直接反应NOx排除的完善程度和还原剂是否过剩。为了满足深度减排标准，出口NOx的质量浓度必须在30mg/m3以下。s折算值(NOx排放质量浓度)远大于30mg/m3时，氨量不足，NOx脱离不完善的s小于0时，氨过度喷射。

图5在原始结构满负荷的情况下，第一层催化剂的前截面s分布云图，表1是该截面s的折算值。从图5和表1可以看出，当S折算平均值为30毫克/立方米时，S脱硝的最大值为113.3毫克/立方米，最小值为-120.0毫克/立方米，此时模拟的氨空混合气流量为0.79公斤/立方米(氨体积分数为5%，相同)。

图5原始结构满负荷初级催化剂入口s分布云图

表1原始结构满负荷初级催化剂入口s折算值

对该300MW单元脱硝系统进行CFD数值建模和分区混合优化设计，模型范围从省煤器出口到空预器入口之间的烟道。除喷射氨格栅、混合器采用非结构格栅外，其馀区域采用结构格栅，加密处理重要部位。该模型的网格数量为709万。表2为区域优化后，在满负荷下首次催化剂入口s折算值，该情况下s分布云图如图6所示。结果显示，S折算平均值为30mg/m3时，S脱硝最大值为41.7mg/m3，最小值为–0.3mg/m3。区分混合优化后，NOx分布均匀性比原结构提高效果显着，氨空混合气流量下降到0.56kg/s，理论上区分混合优化后可节约32.9%的液氨消耗量。

5改造效果

1)本文从安装氨空混合器、优化联箱母管尺寸、区域混合优化等氨空混合技术开始，通过提高喷射均匀性，有效避免局部NOx脱离效率过低、氨脱离量增大的情况，降低单元的氨消耗量。对某300MW机组进行分区优化改造后，在满足深度减排标准的同时，氨耗比改造前明显下降，单机平均氨耗从66.75kg/h下降到41.5kg/h，可节省37.8%，每年单机可节省液氨209t，节省液氨采购费68.97万元。

2)安装氨空混合器，保证一定的混合距离，保证氨和稀释风的均匀混合，避免氨组分混合不均引起的还原剂喷雾。

3)优化联箱母管尺寸，兼顾经济性，同时提高各喷射氨管流量的均匀性，避免氨空混合气流不均匀引起的还原剂喷射。

4)NOx采用区域混合优化技术，在各区域实现氨氮摩尔比均匀分布，接近理论值，保证NOx在高效脱离的同时使用的氨量最低，避免入口NOx分布偏差过大引起的还原剂喷雾。