SCR 脫硝裝置內部積灰與磨損數值模擬

李樂樂 何喜立 韋紅旗 王羽

1 陽城國際發(fā)電有限責任公司

2 內蒙古岱海發(fā)電有限責任公司

3 東南大學能源與環(huán)境學院

隨著“節(jié)能減排綠色環(huán)保”發(fā)展政策的提出，國家對火力發(fā)電機組排放物要求越來越嚴格，2014 年發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020）》中明確提出了對機組煙氣出口NOx濃度＜50 mg/Nm3的環(huán)保新要求[1]。選擇催化還原（SCR）煙氣脫硝技術使目前世界上最成熟、脫硝效率最高的脫硝技術之一，已經被廣泛應用在火電站中[2]。

目前，投運的很多機組中，由于設計不合理，SCR脫硝系統存在著積灰、磨損、氨逃逸過大等現象，嚴重影響脫硝系統的效率和機組的安全運行。因此，確保脫硝裝置處于良好的運行狀態(tài)，不僅可以保證脫硝系統的高效運行，而且對機組的安全也具有重大的意義[3-5]。

1 脫硝裝置磨損與積灰原因分析

某電廠采用選擇性催化還原煙氣脫硝系統，SCR反應器布置在省煤器與空預器之間的高含塵區(qū)域，采用氨氣作為脫硝還原劑。催化劑采用平板式催化劑，按“2+1”模式布置。在設計煤種、鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）、處理全部煙氣量工況下，脫硝效率不得低于85%。此次檢修期間廠方發(fā)現首層催化劑靠后墻側的吹灰器積灰較多、后墻貼壁處催化劑磨損嚴重。

造成催化劑磨損的主要因素為飛灰硬度、飛灰濃度、煙氣流場、催化劑厚度、催化劑結構等[6]。造成SCR脫硝系統積灰的主要因素有飛灰量、煙氣流場、SCR結構等[7-8]。在飛灰物理性質和SCR 脫硝裝置結構一定的情況下，煙氣流場是影響脫硝裝置磨損或積灰的重要因素。煙氣流速過大容易造成磨損，煙氣流速過低容易積灰[9-10]。因此，合理的設計SCR 脫硝裝置的內部流場，使煙氣在其內流動更加均勻變得尤為重要。

2 冷態(tài)試驗

2.1 試驗方案

根據鍋爐爐內冷態(tài)自?；?，當氣流的雷諾數大于臨界雷諾數時，氣流運動狀態(tài)就會進入自?；瘏^(qū)，冷態(tài)的流動狀態(tài)能夠達到模擬鍋爐熱態(tài)運行的要求[11]。因此，通過調整冷態(tài)通風情況下的風量，使SCR脫硝裝置內流動狀態(tài)進入自模化區(qū)域，利用風速儀測得相應截面的流速，再通過數據轉換便可獲得熱態(tài)下SCR 脫硝裝置內的流動狀態(tài)。

由于實際運行過程中催化劑上層截面速度分布不均勻，因此在試驗時，通過網格法將催化劑上層截面劃分成若干網格，每塊網格尺寸為1 m×1 m，用測得的網格中心位置處數據代替整個網格數據。測試截面測點具體布置如圖1 所示。

圖1 測點位置示意圖

冷態(tài)測試截面選取在首層催化劑上方0.3 m 處，利用風速儀測量催化劑上層流速時，為了防止試驗誤差，對每個采樣點測試三次，算出均值作為該點測試數值。SCR 脫硝裝置的具體結構以及測試截面布置如圖2 所示：

圖2 脫硝裝置結構圖及冷態(tài)測試截面

2.2 試驗結果與初步分析

由于試驗是在冷態(tài)條件下進行的，風量只滿足冷態(tài)自?；枰娘L量，與實際熱態(tài)運行時的煙氣量還存在差距。因此為了能夠了解實際熱態(tài)運行條件下SCR 裝置內部的流場狀況，需要將冷態(tài)數據轉換為熱態(tài)數據。

實際熱態(tài)運行時，SCR 裝置進口煙氣量為1309471 kg/h，煙氣溫度為370 ℃，流通截面積為11.2 m×8.2 m，計算出實際熱態(tài)運行時催化劑上層截面煙氣平均流速約為3.6 m/s。而冷態(tài)試驗測試時煙氣的平均流速為2.05 m/s。利用比例關系將冷態(tài)試驗測試結果轉化為實際熱態(tài)運行結果，如圖3 所示。

圖3 冷態(tài)試驗結果轉換為熱態(tài)后流場分布

從圖3 可以看出，測試截面流場分布不均勻。整個截面前側大部分區(qū)域接近平均流速，但后墻貼壁處流速較高，達到6 m/s。而與后墻貼壁高速區(qū)毗連處存在一個低于平均流速的低速區(qū)域，流速約為3.25 m/s。整個截面的速度分布不均勻系數達到了19%，超出了國家規(guī)定的15%。

根據測試結果初步分析認為，后墻貼壁處煙氣流速過大，沖刷催化劑，導致了該處催化劑的嚴重磨損。而與后墻貼壁高速區(qū)毗連的低速區(qū)域是該處吹灰器積灰的主要原因。為了從根本上了解催化劑上層截面流場不均的原因以及對脫硝設備的影響，本文將通過數值模擬方法對SCR 裝置做進一步研究，并根據模擬結果制定合理的改造方案。

3 數值模擬

3.1 模型建立

CFD 模型是根據現場施工圖紙按1:1 的比例進行建模。在建模時，為了方便計算，忽略了一些對煙氣流場影響較小的支撐結構。網格劃分采用結構網格，對近壁面網格作加密處理，第一層網格厚度為10 mm，法向增長率為1.15，以適應邊界層處速度劇烈變化。進行網格無關性驗證后，最終網格數量為575萬。網格模型圖如圖4 所示。

圖4 原結構網格模型

計算模型采用湍流realizable k-e 模型，壁面處采用標準壁面函數處理，邊界上的湍流尺寸通過當量直徑和湍流強度指定，且在數值模擬時做出如下假設：

1）將煙氣視為不可壓縮牛頓流體。

2）入口設為速度入口邊界，且認為入口速度分布均勻。

3）出口設為壓力出口邊界，壓力為實際運行情況下SCR 裝置出口壓力。

4）催化劑層作多孔介質處理，阻力系數按設計工況設定，單層催化劑阻力設為150 Pa。

3.2 模型驗證

根據設置的網格和邊界條件模擬得到模擬結果。圖5 為SCR 脫硝裝置中心截面內的速度矢量圖；圖6為首層催化劑上方0.3m 處數值模擬速度分布云圖。

從圖6（模擬結果）和圖3（測試結果）的對比可以看出：

1）冷態(tài)試驗數據與模擬結果的流場分布趨勢比較吻合，兩者在后墻貼壁處都存在一個速度較大的區(qū)域，在后墻貼壁處高速區(qū)毗連位置存在一個速度略低的區(qū)域。

2）冷態(tài)試驗結果中，后墻貼壁處的流速要低于模擬結果。這是因為試驗時，近壁面處流速不方便測量，以距壁面0.5 m 處測量數據代替整個貼壁區(qū)域流速。

由于現場測試的誤差，實際運行狀況的變化以及煙道內支撐結構的影響，會使得數值模擬結果與試驗結果存在一定的偏差。因此，對于這樣的結果，可以認為該數值模擬是有效的，可以準確的反映SCR 脫硝裝置的內部流場狀況。

圖5 脫硝裝置內流場分布示意圖

圖6 數值模擬催化劑上方速度云圖

3.3 結果分析

3.3.1 后墻高速區(qū)及催化劑磨損分析

圖7 為反應器中心截面流速分布云圖。分析該圖，可以發(fā)現：當煙氣氣流從豎井煙道的轉向彎頭進入脫硝反應器本體時，煙氣會向脫硝反應器本體后墻側流動。又由于整流格柵與頂棚之間高度差過大，進入到后墻側的煙氣流體過多。這樣就會導致后墻貼壁處的少數整流格柵通過的較多的煙氣量，最終導致后墻貼壁處的流速過大。帶灰的煙氣氣流長期以這樣的流速通過催化劑層，就會導致該處催化劑的嚴重磨損。

圖7 反應器中心界面流速分布云圖

3.3.2 毗連低速區(qū)及吹灰器積灰分析

圖8 為反應器中心截面流場示意圖。分析該圖可以發(fā)現：由于進入后墻的煙氣氣流較大，氣流與氣流，氣流與后墻之間的相互擠壓，使得后墻側少數整流格柵通道出口的煙氣基本豎直向下運動。而剩余的區(qū)域，當煙氣氣流通過高度較小的整流格柵時，撞擊到整流格柵的側壁面，使其出口煙氣氣流具有向前墻的分速度。這就會導致兩者之間區(qū)域煙氣減少形成該低速區(qū)域。當煙氣到達催化劑層時，由于受到阻力作用，流速較大區(qū)域的煙氣就會攜帶催化劑層的積灰向該處流動，導致了該處吹灰器積灰。

圖8 反應器中心截面流場示意圖

4 優(yōu)化方案

結合上文理論分析，現場實驗結果以及數值模擬分析，可以得出以下結論：后墻側貼壁處催化劑磨損及靠后墻側吹灰器積灰是由頂棚與整流格柵之間高度差過大引起的。因此，減小頂棚與整流格柵之間的高度差是解決問題的關鍵。但是通過更改頂棚結構來直接減小頂棚與整流格柵之間的高度差施工量巨大，改造成本高。因此，本文通過在頂棚上方增加一組擋板間接達到減小頂棚與整流格柵高度差目的。改造后頂棚結構如圖9 所示。

優(yōu)化模型數值模擬采用工況與參數設置與原模型數值模擬保持一致。圖10 為優(yōu)化后反應器本體速度云圖，從圖中可以看出：優(yōu)化后，在頂棚擋板后方區(qū)域形成了一個流動死區(qū)（紅圈標示區(qū)域），間接減小了整流格柵與頂棚之間的高度差，進入后墻煙氣減少，后墻貼壁處高速區(qū)消除。此外，優(yōu)化前進入后墻側的煙氣部分被頂棚擋板攔截并向下流入了優(yōu)化前的毗連低速區(qū)，消除了該低速區(qū)。

圖9 改造后新增頂棚擋板示意圖

圖10 優(yōu)化后反應器本體速度云圖

為了驗證優(yōu)化后模型對催化劑上方流場影響，取催化劑上層0.3 m 處流場分布圖，如圖11 所示。從圖11 可以看出，優(yōu)化后催化劑上層0.3 m 速度分布相比于優(yōu)化前有明顯改善，煙氣速度分布比較均勻，整個截面的不均勻系數下降到了0.07，達到了技術要求。后墻貼壁處的高速區(qū)以及毗連低速區(qū)也都消失，這將大大減少催化劑的磨損與吹灰器的積灰。

圖11 優(yōu)化后催化劑上方0.3 m 處速度云圖

5 結語

本文以SCR 脫硝裝置為研究對象，通過理論、實驗數據和數值模擬分析相結合的手段分析了引起SCR 脫硝裝置催化劑層磨損及吹灰器積灰的原因，結果表明：

1）后墻側整流格柵與頂棚之間高度差過大是導致該問題的主要原因。

2）直接改動頂棚結構來降低頂棚與整流格柵之間的高度差施工量大，改造成本高?？梢酝ㄟ^增加合適的頂棚擋板可以達到同樣的效果，同時大大節(jié)約改造成本。