SCR脫硝催化劑磨損及堆灰治理

陳鴻偉, 徐 勁, 李 麗, 王遠(yuǎn)鑫, 羅 敏

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003；2.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003)

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SCR脫硝催化劑磨損及堆灰治理

陳鴻偉1, 徐 勁1, 李 麗2, 王遠(yuǎn)鑫1, 羅 敏1

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003；2.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定071003)

為解決四川某電廠催化劑層局部磨損和堆灰的問(wèn)題，基于Flunet14.0數(shù)值模擬軟件，在SCR反應(yīng)器內(nèi)部增設(shè)導(dǎo)流裝置，對(duì)多種工況下的流場(chǎng)分布情況及顆粒軌跡進(jìn)行模擬對(duì)比。結(jié)果表明：SCR系統(tǒng)中布置導(dǎo)流裝置可以有效改善流場(chǎng)分布均勻性，相對(duì)速度偏差由空塔時(shí)的58.42%降低為15.64%；顆粒軌跡與流場(chǎng)分布高度一致。通過(guò)改善流場(chǎng)分布可以有效緩解催化劑層局部磨損、堆灰的問(wèn)題。

SCR催化劑；流場(chǎng)優(yōu)化；磨損；堆灰； 顆粒軌跡

0 引言

富煤、貧油、少氣的能源布局特征決定了以后很長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)煤炭仍將在國(guó)內(nèi)動(dòng)力能源消耗中占很大份額。煤在燃燒反應(yīng)過(guò)程中釋放出SOx、NOx和煙塵等有害物質(zhì)，帶來(lái)酸雨、霧霾、光化學(xué)煙霧和其他環(huán)境問(wèn)題。深入完善大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃，實(shí)施區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，推動(dòng)燃煤電廠超低排放改造，促進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域煤炭消費(fèi)量零增長(zhǎng)。通過(guò)不斷努力，SOx已得到較好控制，而NOx迅猛增長(zhǎng)，對(duì)NOx的控制已迫在眉睫。

SCR是當(dāng)前應(yīng)用最普遍、技術(shù)最可靠的一種煙氣脫硝手段。該法的主要優(yōu)點(diǎn)是：由于使用了催化劑，對(duì)還原溫度要求較低；NOx脫除率高，可達(dá)90%以上；工藝設(shè)備緊湊，運(yùn)行可靠；反應(yīng)物N2可直接排入大氣，幾乎沒(méi)有二次污染。但SCR煙氣脫硝技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題，其核心是脫硝催化劑[1]，在實(shí)際運(yùn)行中磨損嚴(yán)重并產(chǎn)生了大量堆灰，對(duì)設(shè)備的脫硝效率產(chǎn)生了一定影響，同時(shí)大大降低了催化劑的工作壽命。同時(shí)流場(chǎng)的不均勻性還將導(dǎo)致催化劑層局部氨氣過(guò)量，未用于還原反應(yīng)的氨與煙氣中SO3反應(yīng)生成化合物NH4HSO4和(NH4)2SO4，造成催化劑層孔隙堵塞。毛劍宏等[2]通過(guò)數(shù)值模擬和冷態(tài)實(shí)驗(yàn)證明合理設(shè)計(jì)煙道轉(zhuǎn)彎處的導(dǎo)流部件可以有效改善脫硝系統(tǒng)的速度分布，使速度場(chǎng)得到優(yōu)化。凌忠錢等[3]對(duì)某300 MW鍋爐SCR系統(tǒng)導(dǎo)流板采用多種調(diào)節(jié)方案進(jìn)行優(yōu)化，模擬計(jì)算到符合設(shè)計(jì)要求的方案。楊超等[4]對(duì)裝有渦流混合器的脫硝設(shè)備進(jìn)行了模擬，表明渦流混合器在減少噴嘴數(shù)量的同時(shí)可以有效提高氨氣與煙氣混合均勻程度。危日光等[5]對(duì)脫硝系統(tǒng)后空預(yù)器搪瓷蓄熱元件進(jìn)行研究，得到了3種搪瓷蓄熱元件的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律，同時(shí)給出了內(nèi)部流體的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。上述學(xué)者對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)分別進(jìn)行了多方面的優(yōu)化，但優(yōu)化后對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)顆粒相的研究還不太完善。現(xiàn)以四川某投產(chǎn)運(yùn)行電廠600 MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)為模擬對(duì)象。通過(guò)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)中的導(dǎo)流板、整流格柵、渦流混合器進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)改造，優(yōu)化流場(chǎng)分布。在優(yōu)化方案中射入不同粒徑的顆粒模擬煙氣中顆粒物對(duì)催化劑層的磨損作用，闡明流場(chǎng)對(duì)催化劑層磨損和堆灰的影響。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1 研究對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為四川某投產(chǎn)運(yùn)行電廠600 MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配備兩臺(tái)SCR反應(yīng)器,采用高塵區(qū)布置。選取省煤器出口到空預(yù)器入口前整個(gè)系統(tǒng)作為模擬對(duì)象，由于兩臺(tái)反應(yīng)器布置結(jié)構(gòu)對(duì)稱，選其左側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬研究,以100%工況為模擬工況。

1.2 三維幾何模型

三維幾何模型與SCR實(shí)體裝置按照1∶1尺寸構(gòu)建,如圖1所示。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，在建立模型和Fluent計(jì)算中做出如下簡(jiǎn)化：來(lái)流煙氣假設(shè)為不可壓縮牛頓流體；煙氣進(jìn)口速度大小均勻并且垂直于進(jìn)口斷面；煙氣不同組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；流體物性參數(shù)為常數(shù)。使用Gambit對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)行三維模型建立和網(wǎng)格劃分，對(duì)渦流混合和導(dǎo)流板段煙道進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，在劃分過(guò)程中對(duì)網(wǎng)格逐步細(xì)化得到近似無(wú)關(guān)解，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為500萬(wàn)。

圖1 SCR模型

2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

2.1 通用控制方程

控制方程模型：

(1)

式中:φ是通用變量；Γ是擴(kuò)散系數(shù)；S是源項(xiàng)。

2.2 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型：

(2)

(3)

式中：Gk是平均速度梯度生成的湍動(dòng)能k項(xiàng)；Gb是因浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能k項(xiàng)；YM表示湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)散作用；C1ε、C2ε、C3ε是一般的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；SK和SZ為源相[6-11]。

2.3 速度偏差評(píng)價(jià)方法

煙氣速度分布均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)通用的是RMS標(biāo)準(zhǔn)(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差)[12]，公式為：

(4)

(5)

該方法主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)速度分布的均勻程度反應(yīng)非常靈敏。通過(guò)對(duì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小進(jìn)行比較，就能夠?qū)Ρ炔煌鲌?chǎng)的均勻性。Cv值與速度分布均勻程度呈反相關(guān)。缺點(diǎn)是只能針對(duì)平均速度得到一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 邊界條件

該模擬計(jì)算以探究600MW燃煤鍋爐在最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下煙氣的流動(dòng)為主要目標(biāo)。BMCR工況下，煙道進(jìn)口煙氣速度為12m/s，氨噴射速度為12m/s，設(shè)置煙道進(jìn)口為速度進(jìn)口(velocity-inlet)邊界條件，出口為自由出口(outflow)邊界條件，固體壁面和導(dǎo)流板設(shè)置為無(wú)滑移壁面(wall)邊界條件，煙氣成分和計(jì)算邊界條件如表1、2所示。

表1 煙氣各組分的體積分?jǐn)?shù)

表2 邊界條件

3 流場(chǎng)優(yōu)化及結(jié)果分析

3.1 空塔布置

Fluent14.0模擬計(jì)算后，截取z=0截面顯示其速度云圖和壓力云圖，如圖2所示。

圖2 z=0截面分布圖

來(lái)流煙氣通過(guò)下方轉(zhuǎn)向彎通道進(jìn)入豎直煙道以及煙氣從豎直煙道經(jīng)上方轉(zhuǎn)向彎通道進(jìn)入水平煙道時(shí)，由圖2速度分布云圖得出：彎通道外側(cè)為低速區(qū)，內(nèi)側(cè)為高速區(qū)。煙氣產(chǎn)生這種不均勻現(xiàn)象的原因是：來(lái)流煙氣通過(guò)煙道轉(zhuǎn)彎處時(shí)，其流線會(huì)隨壁面形狀產(chǎn)生彎曲，因?yàn)樽陨響T性力的影響，流體將對(duì)外壁面產(chǎn)生更大的壓力，而使轉(zhuǎn)彎處外側(cè)煙氣壓強(qiáng)上升，依據(jù)伯努利方程可知，壓力大，壓強(qiáng)大，外側(cè)流速相應(yīng)降低。與此相對(duì)應(yīng)的是彎管內(nèi)側(cè)出現(xiàn)壓強(qiáng)先降低再升高以及速度先快后慢的現(xiàn)象。煙氣流經(jīng)水平煙道時(shí)，受到豎直煙道末端直角彎的影響導(dǎo)致水平煙道上方流速較高，下方流速較低。煙氣向下進(jìn)入SCR反應(yīng)塔時(shí)，由于自身的慣性，大部分被離心力帶到脫硝塔左側(cè)，而在其內(nèi)形成了較大的低速回流區(qū)。從整個(gè)研究模型來(lái)說(shuō)，上游的流體流動(dòng)均勻性對(duì)下游流體流動(dòng)均勻性會(huì)造成直接的干預(yù)。因此，若優(yōu)化系統(tǒng)速度分布，則需順次改善每一個(gè)煙道轉(zhuǎn)彎處對(duì)來(lái)流煙氣的作用[13]。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在豎直煙道下方轉(zhuǎn)向彎通道內(nèi)安裝7塊等間距導(dǎo)流板，導(dǎo)流板形式為半徑0.5 m，跨度π/2的圓弧，末端向垂直和水平方向各延伸0.2 m，板厚度0.01 m；在其上部轉(zhuǎn)彎處等間距安裝6塊同規(guī)格的導(dǎo)流板。對(duì)SCR催化劑上方進(jìn)行優(yōu)化：在催化劑上方3.45 m處等間隔布置9塊高度為0.5 m、寬度為0.05 m的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。對(duì)SCR反應(yīng)塔進(jìn)口三角區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化：在水平煙道與SCR反應(yīng)本體連接的彎道處等間距布置4塊導(dǎo)流板，板面和水平方向呈45°。

AIG在SCR脫硝系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，氨氣在煙道中混合的均勻程度，對(duì)系統(tǒng)脫硝效率和氨的逃逸率兩大指標(biāo)有著直接的影響。噴入的氨氣在上升煙道中與來(lái)流煙氣均勻混合是SCR脫硝反應(yīng)良好進(jìn)行的首要條件。氨氣噴射孔的密集程度是控制混合均勻性的關(guān)鍵因素，噴射口越密集越有助于煙氣與氨氣形成均勻的流體，但布置數(shù)量巨大的噴嘴必定增加設(shè)計(jì)、裝配以及運(yùn)行維護(hù)的難度。因此，探索如何設(shè)置較少噴射口并滿足運(yùn)行要求成為現(xiàn)在的新興研究方向。渦流混合技術(shù)與傳統(tǒng)AIG噴氨格柵相比有以下優(yōu)勢(shì)：(1)減少注射孔；(2)降低噴嘴因煙氣中顆粒而形成的堵塞概率；(3)控制簡(jiǎn)便，調(diào)試時(shí)間短；(4)壓力損失低，節(jié)約裝置用電[14]。脫硝系統(tǒng)采用渦流混合器作為氨氣、煙氣混合裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，布置于SCR噴氨煙道內(nèi)距頂部壁面10.55 m處，渦流混合器由R=1 800 mm，彼此間距為900 mm的5個(gè)圓盤構(gòu)成。導(dǎo)流優(yōu)化方案如表3所示。

表3 優(yōu)化方案

圖3 SCR系統(tǒng)側(cè)視速度分布圖

模擬結(jié)果如下，圖3(a)為方案a速度分布圖，圖3(b)為方案b速度分布圖，圖3(c)為方案c速度分布圖；圖4(a)為方案a催化劑入口速度分布圖，4(b)為方案b催化劑入口速度分布，圖4(c)為方案c催化劑入口速度分布。

可見導(dǎo)流裝置對(duì)均勻流場(chǎng)具有明顯的作用。通過(guò)在豎直煙道下方轉(zhuǎn)向彎通道、上方轉(zhuǎn)向彎通道、SCR三角區(qū)域安裝導(dǎo)流板，催化劑上方設(shè)置整流格柵可以大大提高煙道流場(chǎng)分布均勻性。催化劑入口速度偏差由空塔模型的58.42%降為方案b時(shí)的15.64%。渦流混合器在降低噴嘴數(shù)量的情況下，不僅可以提高氨氣和煙氣混合均勻程度[15]，還可以進(jìn)一步改善催化劑入口速度分布均勻性，方案c催化劑入口速度分布偏差為13.96%。

4 篩分實(shí)驗(yàn)及顆粒軌跡模擬

4.1 篩分實(shí)驗(yàn)

在四川某電廠停爐期間，于第一層催化劑堆灰處取灰樣若干千克進(jìn)行篩分。篩分的灰樣共分為了8個(gè)粒徑區(qū)間，分別是< 3目、3～6目、6～16目、16～60目、60～100目、100～200目、200～500目、> 500目。對(duì)應(yīng)的粒徑大小依次為> 6.7 mm、3.35～6.7 mm、1～3.35 mm、0.25～1 mm、150～250 μm、75～150 μm、25～75 μm、< 25 μm。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，重復(fù)試驗(yàn)5組灰樣，各組灰樣在不同粒徑區(qū)間分布的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)結(jié)果如表4所示。

4.2 顆粒軌跡模擬

由表4可知占比最大的顆粒粒徑區(qū)間為75～150 μm，為40.44%，其次150～250 μm的顆粒粒占29.80%，再次為25～75 μm的顆粒。三者占總灰量的86.13%，可把反應(yīng)裝置內(nèi)部飛灰近似看做是這三個(gè)區(qū)間顆粒的混合物。將顆粒按各自比質(zhì)量百分比射入SCR系統(tǒng)中，模擬結(jié)果如下，圖5a為空塔時(shí)，在SCR系統(tǒng)中的顆粒軌跡停留時(shí)間結(jié)果圖示，圖5b為優(yōu)化方案b中的顆粒軌跡停留時(shí)間結(jié)果圖，圖5c為優(yōu)化方案c中的顆粒軌跡停留時(shí)間結(jié)果圖。

圖5中流線表示顆粒在系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。流線的顏色代表顆粒在當(dāng)前軌跡的瞬時(shí)停留時(shí)間，與左側(cè)柱狀條幅對(duì)比，流線局部色彩越接近條幅上方，則顆粒相在此停留時(shí)間也越長(zhǎng)久，相應(yīng)此處速度較??；同理，流線色調(diào)越接近條幅下方則顆粒停留時(shí)間越短，此處相應(yīng)的速度越大。圖5(a)表明：SCR脫硝系統(tǒng)空塔布置的情況下，顆粒通過(guò)豎直煙道時(shí)明顯偏向煙道左側(cè)，進(jìn)一步流經(jīng)水平煙道進(jìn)入脫硝塔內(nèi)部后，顆粒軌跡由于慣性作用大部分從脫硝塔左側(cè)道左側(cè)到達(dá)系統(tǒng)出口，脫硝塔右側(cè)形成一個(gè)很大的空渦區(qū)域，說(shuō)明有較少的顆粒經(jīng)過(guò)，而且此處顆粒有回流現(xiàn)象發(fā)生。空塔布置時(shí)，左側(cè)大量高速的顆粒對(duì)其流經(jīng)的催化劑層造成強(qiáng)烈沖蝕，從而使催化劑局部磨損嚴(yán)重，縮短其使用壽命。圖5(b)表明：采用優(yōu)化方案b后，由于彎道導(dǎo)流板和整流格柵的作用，顆粒軌跡在整個(gè)系統(tǒng)中分布比較均勻，豎直煙道顆粒軌跡偏左的現(xiàn)象已經(jīng)消除，SCR脫硝塔中除去右側(cè)近壁處沒(méi)有顆粒流經(jīng)，其他區(qū)域顆粒軌跡分布比較均勻，顆粒對(duì)左側(cè)催化劑局部沖蝕嚴(yán)重的情況得以改善。圖5(c)表明：布置渦流混合器后，塔內(nèi)顆粒軌跡分布進(jìn)一步得到優(yōu)化，但此時(shí)顆粒通過(guò)催化劑層時(shí)的速度略有增加，這是因?yàn)樵谪Q直煙道段布置渦流混合器后，局部流通面積減小，在來(lái)流煙氣量一定的情況下，流體速度增大。以上分析說(shuō)明顆粒在SCR系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)軌跡和速度大小與系統(tǒng)速度分布具一致性，通過(guò)優(yōu)化SCR脫硝系統(tǒng)的流場(chǎng)可以使顆粒在系統(tǒng)中的分布同時(shí)得以優(yōu)化。

圖5 顆粒在SCR系統(tǒng)中停留時(shí)間

5 結(jié)論

顆粒在通過(guò)催化劑層時(shí)分布不均是造成催化劑局部磨損嚴(yán)重、出現(xiàn)灰堆的主要原因，而顆粒在脫硝系統(tǒng)中的流動(dòng)軌跡與系統(tǒng)流場(chǎng)分布具有高度的一致性。改善催化劑局部磨損、堆灰現(xiàn)象可以通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)流場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在SCR系統(tǒng)內(nèi)部安裝導(dǎo)流裝置可以顯著改善流場(chǎng)分布的均勻性。與空塔模型相比，在豎直煙道上、下轉(zhuǎn)彎處、SCR入口三角區(qū)域及催化劑上方布置導(dǎo)流裝置后，催化劑入口速度偏差由58.42%降低為15.64%。

渦流混合器與傳統(tǒng)AIG噴氨裝置相比，具有減少注射孔數(shù)量、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。安裝渦流混合器后催化劑入口速度場(chǎng)進(jìn)一步得到優(yōu)化，相對(duì)速度偏差降低為13.96%。但渦流混合器會(huì)造成局部流通截面積減小，下游煙氣流速增大的現(xiàn)象。

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Solusion Measure for Abrasion and Ash Piling on Denitration Catalys

CHEN Hongwei1，XU Jing1，LI Li2， WANG Yuanxin1, LUO Min1

(1.School of Power Engineering and Mechanical Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071003，China；2.School of Environmental Science and Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to solve the problem of the abrasion and ash piling on the catalyst of a power plant in SiChuan province, based on the Flunet14.0 numerical simulation software, a guiding devices is added in SCR reactor.The simulation results of distribution uniformity of the flow field and particles’ tracks under different work conditions are compared.The results show that the guiding devices can effectively improve distribution uniformity of the flow field, and the particles’ tracks are same with the distribution regularity of flow field.With the improvement of uniformity in the flow field, we can expect a better solution of the problem.

SCR catalyst； flow field optimizing； abrasion； ash piling；particle track

2016-07-05。

陳鴻偉(1965-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲廴疚锟刂萍捌浞抡?，E-mail：hdchw66@126.com。

X703

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.011