660MW機(jī)組SCR催化劑磨損分析及優(yōu)化

趙大周，何 勝，鄭文廣，張 鑫，司風(fēng)琪

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096）

660MW機(jī)組SCR催化劑磨損分析及優(yōu)化

趙大周1，何 勝1，鄭文廣1，張 鑫1，司風(fēng)琪2

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096）

建立了某660MW燃煤機(jī)組三維SCR反應(yīng)器模型，通過模型研究了飛灰在反應(yīng)器內(nèi)的分布規(guī)律。模擬發(fā)現(xiàn)：飛灰易富集于反應(yīng)器內(nèi)前墻位置并造成前墻位置催化劑磨損，這與催化劑抽檢實現(xiàn)相吻合。提出了上轉(zhuǎn)角煙道導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計，可提高首層催化劑入口飛灰分布的均勻性。

SCR；飛灰；催化劑

0 引言

NOx是主要大氣污染物之一，對環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）煙氣脫硝技術(shù)因其脫硝效率高、技術(shù)成熟，在燃煤電站中得到廣泛應(yīng)用[1]。對于SCR法而言，催化劑是其核心[2]，而現(xiàn)役機(jī)組SCR投運一段時間后，催化劑磨損的問題日益突出。催化劑的磨損會降低其機(jī)械壽命，影響脫硝性能，因此對催化劑磨損問題的研究意義重大。

本文通過數(shù)值模擬的方法對某電廠SCR上層催化劑磨損的原因進(jìn)行模擬分析，合理的解釋了現(xiàn)場催化劑磨損現(xiàn)象，并給出了優(yōu)化措施。

1 機(jī)組概況

該廠SCR采用高塵布置方式，單爐雙SCR結(jié)構(gòu)體，在反應(yīng)器入口垂直煙道下方設(shè)有脫硝灰斗，不設(shè)反應(yīng)器旁路。脫硝裝置主要分為三個部分：尿素溶液制備區(qū)、SCR反應(yīng)區(qū)以及進(jìn)出口煙道區(qū)。

SCR投運約兩年后，應(yīng)器出口NOx排放量增大，脫硝效率降低。為分析其原因，在該廠機(jī)組停運檢修期間，對SCR首層催化劑80個單元模塊進(jìn)行檢測，抽檢結(jié)果如圖1所示。

圖1 催化劑磨損分布圖

由此次抽檢結(jié)果可看出：催化劑磨損較為嚴(yán)重的區(qū)域集中在第1~4排，即靠近前墻位置。磨損最嚴(yán)重的地方催化劑單元幾乎磨光。為深入了解催化劑磨損的原因，本文通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究分析。

2 模型的建立

2.1 幾何模型

CFD幾何模型根據(jù)電廠提供的SCR系統(tǒng)施工圖等比例建立，模型如圖3所示。采用Gambit軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，規(guī)則直煙道采用規(guī)則六面體網(wǎng)格，幾何形狀復(fù)雜或帶有內(nèi)置結(jié)構(gòu)的煙道采用非規(guī)則四面體網(wǎng)格，整個模型的網(wǎng)格數(shù)量約700萬。

圖2 催化劑磨損圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，兩層催化劑以多孔介質(zhì)模型替代，速度與壓力的耦合采用Simple算法。飛灰在反應(yīng)器內(nèi)的運動采用離散項模型（Discrete Phase Model，DPM），飛灰受力僅考慮自身重力及拽力。

圖3 反應(yīng)器示意圖

圖4 模型網(wǎng)格劃分

3 邊界條件與模型的簡化

3.1 邊界條件

煙氣入口速度為充分發(fā)展的湍流，反應(yīng)器出口為壓力出口條件。動量方程、能量方程均采用二階迎風(fēng)格式以提高計算精度，以BMCR工況為算例，反應(yīng)器入口邊界條件見表1。

表1 反應(yīng)器入口邊界條件

3.2 模型的簡化與假設(shè)

本文模型在模擬計算時做了以下簡化與假設(shè)：

（1）忽略反應(yīng)器內(nèi)對脫硝反應(yīng)影響不大的支撐桿、支撐梁等內(nèi)部構(gòu)件。

（2）認(rèn)為SCR反應(yīng)器入口速度分布均勻。

（3）忽略化學(xué)反應(yīng)對流動產(chǎn)生的影響。

（4）假設(shè)飛灰顆粒與反應(yīng)器壁面及導(dǎo)流板碰撞后發(fā)生反彈。

4 模擬結(jié)果及討論

4.1 原始模型飛灰分布規(guī)律

模型中飛灰濃度的分布如圖5所示。由圖5可看出，反應(yīng)器內(nèi)的飛灰主要集中于前墻位置。這有兩方面的原因：一方面，含塵煙氣在經(jīng)過上轉(zhuǎn)角時，粒徑較大的飛灰顆粒受離心力的作用與煙氣發(fā)生分離富集于前墻位置；另一方面，由于上轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板水平段的阻擋作用也使得飛灰易沉積在前墻位置。

圖5 飛灰濃度分布圖

圖6 上轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板對飛灰運動的影響

圖7 導(dǎo)流板優(yōu)化

富集于前墻位置的飛灰對催化劑造成沖刷撞擊，從而導(dǎo)致該區(qū)域的催化劑磨損嚴(yán)重，這一點與催化劑抽檢實驗相吻合，也說明了數(shù)值模擬的可靠性。

圖8 反應(yīng)器各截面NH3分布圖

4.2 優(yōu)化模型飛灰分布規(guī)律

煙道內(nèi)導(dǎo)流板起到整流的作用，但其同樣會對飛灰顆粒的運動造成影響[3~6]，由上述分析可知上轉(zhuǎn)角煙道處導(dǎo)流板不合理的布置是導(dǎo)致飛灰富集于前墻的原因之一。為此本文改變上轉(zhuǎn)角煙道處導(dǎo)流板的形狀結(jié)構(gòu)以改善飛灰局部富集的現(xiàn)象，優(yōu)化設(shè)計如圖7所示。

優(yōu)化改善導(dǎo)流板形狀結(jié)構(gòu)以后的模擬結(jié)果如圖8所示。由圖可看出首層催化劑入口飛灰濃度分布的均勻性明顯得到提高。

5 結(jié)語

本文建立了某電站SCR三維數(shù)值模型，研究了上層催化劑磨損的原因，模擬發(fā)現(xiàn)：由于上轉(zhuǎn)角煙道處導(dǎo)流板的不合理布置使得飛灰富集于反應(yīng)器前墻位置，高濃度的飛灰顆粒對前墻位置的催化劑造成磨損，數(shù)值模擬結(jié)果與催化劑抽檢實驗相吻合。通過對上轉(zhuǎn)角煙道處導(dǎo)流板改造可提高進(jìn)入催化劑層飛灰濃度的均勻性，防止催化劑局部磨損嚴(yán)重。

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Wear Analysis and Optimization of 660MW Unit SCR Catalyst

ZHAO Da-zhou1，HE Sheng1，ZHENG Wen-guang1，ZHANG Xin1，SI Feng-qi2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China）

A three-dimensional SCR reactor model of 660MW coal fired unit was established.The distribution of fly ash within the reactor was studied by the model.The results show that：the fly ash was enrichment at the front wall and then erosion the catalyst，this is consistent with the catalyst sampling.A optimization design method of the guide plate at upper corner was proposed，the distribution of fly ash uniformity at the entrance of first layer catalyst can be improved.

SCR；fly ash；catalyst

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.011

X701

B

2095-3429（2015）06-0038-03

2015-10-10

修回日期：2015-12-11

趙大周（1990-），男，山東棗莊人，碩士，研究方向：燃煤電廠大氣污染物的控制。