某600 MW機(jī)組SCR脫硝裝置噴氨管道磨損數(shù)值模擬分析

王 興 ，蔡新春 ，白 濤

（1.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇南京 210023；2.山西國(guó)際能源（格盟國(guó)際）集團(tuán)有限公司，山西太原 030002；3.山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院，山西太原 030013）

0 引言

選擇性催化還原法SCR（selective catalytic reduction）脫硝裝置由于其技術(shù)成熟、脫硝效率高等優(yōu)點(diǎn)，在大型燃煤電廠煙氣脫硝工程中廣泛應(yīng)用。隨著大量脫硝工程的投運(yùn)，不少機(jī)組脫硝裝置由于流場(chǎng)設(shè)計(jì)不合理，出現(xiàn)了不同程度的磨損問(wèn)題，制約著機(jī)組的安全、可靠運(yùn)行。

脫硝催化劑是影響燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素，不少學(xué)者對(duì)催化劑磨損問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究。夏力偉等[1]對(duì)某600 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)上層催化劑在橫梁兩側(cè)區(qū)域磨損嚴(yán)重問(wèn)題進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，催化劑嚴(yán)重磨損與其上方流場(chǎng)有直接關(guān)系，煙氣在撞擊橫梁后形成兩股不同方向的氣流，其中一股氣流受渦流影響，氣流方向發(fā)生偏斜，造成橫梁兩側(cè)下方催化劑發(fā)生嚴(yán)重磨損。安敬學(xué)等[2]、王放放等[3]對(duì)脫硝系統(tǒng)SCR催化劑出現(xiàn)嚴(yán)重磨損進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬計(jì)算的磨損位置與實(shí)際吻合，并且得出催化劑磨損的主要原因是由飛灰顆粒場(chǎng)的不均勻分布所導(dǎo)致。仲亞飛等[4]對(duì)SCR脫硝裝置噴氨噴嘴和催化劑層嚴(yán)重磨損問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合冷態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：SCR脫硝裝置入口煙道存在的上下或者左右傾斜，整流格柵和轉(zhuǎn)向彎頭處存在高度差，造成煙氣經(jīng)過(guò)整流格柵后進(jìn)入催化劑層速度不均勻，是造成噴氨噴嘴和催化劑磨損的主要原因。學(xué)者們針對(duì)脫硝催化劑磨損開(kāi)展了較多的研究，但對(duì)脫硝系統(tǒng)噴氨管道的磨損卻少有研究，而部分案例[5]表明，噴氨管道磨損或者堵塞后，將嚴(yán)重影響脫硝裝置噴氨系統(tǒng)的分配功能，影響噴氨的均勻性，甚至影響機(jī)組NOx達(dá)標(biāo)排放。本文結(jié)合某600 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝噴氨管道嚴(yán)重磨損情況，對(duì)造成噴氨管道及煙道支撐嚴(yán)重磨損原因進(jìn)行分析，并給出優(yōu)化建議。

1 SCR脫硝裝置設(shè)備概述

1.1 設(shè)備概要

本文研究對(duì)象為某600 MW亞臨界燃煤機(jī)組，鍋爐為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司設(shè)計(jì)、制造的自然循環(huán)、單汽包鍋爐，單爐膛π型布置，一次中間再熱，單爐膛平衡通風(fēng)，全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)，輕型金屬屋蓋，運(yùn)轉(zhuǎn)層（13.7 m）以下緊身封閉，固態(tài)連續(xù)排渣。2013年脫硝設(shè)施建成投運(yùn)，脫硝工藝采用高塵布置的選擇性催化還原方法，還原劑采用液氨，催化劑層數(shù)按照“2+1”布置，初裝2層預(yù)留1層，設(shè)計(jì)脫硝效率大于85%。2016年實(shí)施了煙氣超低排放改造，在備用層新增了1層催化劑。

1.2 噴氨管道及煙道支撐磨損情況

本文研究對(duì)象2017年5月停機(jī)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)SCR脫硝裝置垂直煙道內(nèi)煙道支撐和噴氨管道局部發(fā)生了嚴(yán)重的磨損。SCR脫硝裝置布置有A、B 2個(gè)反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)器各有6根噴氨支管。檢查中發(fā)現(xiàn)A側(cè)反應(yīng)器有4根噴氨支管發(fā)生磨穿現(xiàn)象，B側(cè)反應(yīng)器有3根噴氨支管發(fā)生磨穿現(xiàn)象，占噴氨支管總數(shù)的58.3%，而其余未磨穿的噴氨管道磨損也較為嚴(yán)重，管壁減薄明顯。噴氨管道磨穿后，煙氣中的飛灰進(jìn)入噴氨管道，使噴氨管道發(fā)生板結(jié)堵塞，失去氨氣分配功能，導(dǎo)致渦流混合方式失效，氨氣噴射和混合的均勻性無(wú)從談起，脫硝裝置脫硝性能大幅下降，甚至影響機(jī)組NOx達(dá)標(biāo)排放。

檢修過(guò)程中對(duì)圓盤靜態(tài)混合器后煙道和煙道支撐進(jìn)行了重點(diǎn)檢查。檢查發(fā)現(xiàn)煙道壁面的磨損基本處于正常范圍，而圓盤靜態(tài)混合器后部分煙道支撐發(fā)生了嚴(yán)重的磨損。本工程煙道支撐基管采用d 65 mm×3.5 mm圓管，迎流面焊接角鋼做防磨處理?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，磨損嚴(yán)重的區(qū)域不但防磨角鋼磨損殆盡，基管的磨損量也超過(guò)了一半以上，即將斷裂失效。由于部分支撐即將斷裂，若不及時(shí)修復(fù)加強(qiáng)，運(yùn)行中極有可能發(fā)生煙道支撐失效的情況，造成煙道嚴(yán)重變形，影響機(jī)組運(yùn)行的安全性。

2 數(shù)值模擬研究方法

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

本文對(duì)噴氨管道磨損的研究基于ANSYS fluent數(shù)值模擬計(jì)算軟件。為了真實(shí)模擬復(fù)雜煙氣條件下噴氨管道的磨損特性，三維建模范圍包括全部SCR脫硝裝置，建模范圍從脫硝裝置的進(jìn)口到出口位置，內(nèi)部結(jié)構(gòu)件包括煙道內(nèi)的導(dǎo)流板、圓盤渦流混合器、噴氨管道、整流格柵、三層催化劑等。為了降低建模復(fù)雜程度，本文未對(duì)煙道支撐進(jìn)行建模，忽略其對(duì)煙氣流場(chǎng)和飛灰濃度場(chǎng)的影響。

飛灰對(duì)噴氨管道磨損的定性和定量分析，采用fluen軟件中的DPM沖蝕磨損模型，模擬計(jì)算中煙氣流場(chǎng)的計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε，煙氣入口設(shè)為速度入口邊界，假設(shè)入口流速均勻分布。飛灰顆粒粒徑分布按照rosin-rammler規(guī)律分布，沿脫硝裝置進(jìn)口均勻分布，速度與煙氣流速相同。脫硝裝置出口設(shè)為壓力出口，按照實(shí)際運(yùn)行值設(shè)定，SCR反應(yīng)器出口設(shè)為煙塵逃逸，煙塵與煙道壁面及導(dǎo)流板之間的碰撞設(shè)為彈性碰撞。

2.2 磨損機(jī)理分析

飛灰顆粒對(duì)金屬材料的撞擊可分為垂直方向（法線方向）分力和切向方向（切線方向）分力，垂直方向撞擊稱為撞擊磨損，可在金屬表面產(chǎn)生微小的塑性變形或者微小裂紋等；切向撞擊則是飛灰顆粒對(duì)材料表面產(chǎn)生微小的切削作用，造成摩擦損失。實(shí)際工程中，飛灰對(duì)材料的磨損是上述兩種作用的綜合效果。飛灰對(duì)材料的磨損受多種因素影響，如煙氣中飛灰的濃度、飛灰的硬度、磨損時(shí)間、煙氣流速、飛灰對(duì)材料撞擊頻率等。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，飛灰對(duì)材料的磨損可用式（1）進(jìn)行計(jì)算。

其中，T為管壁表面的磨損量，g/m3；C為系數(shù)，與灰粒的磨損性能、金屬材料的抗磨性能、受熱面的布置結(jié)構(gòu)等參數(shù)有關(guān)；η為灰粒撞擊金屬受熱面的撞擊率；μ為煙氣中灰粒的質(zhì)量濃度，g/m3；ω為灰粒速度，可近視認(rèn)為等于煙氣流速，m/s；τ為作用時(shí)間，h。

本文基于數(shù)值模擬主要研究了飛灰對(duì)噴氨管道磨損嚴(yán)重區(qū)域的預(yù)測(cè)分析，對(duì)于實(shí)際工程而言，設(shè)備和系統(tǒng)的布置、煙氣參數(shù)等條件已確定，本文重點(diǎn)研究不同飛灰顆粒粒徑和不同飛灰濃度對(duì)噴氨管道磨損的定量分析。

2.3 模擬工況

本文對(duì)模擬計(jì)算進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，未對(duì)煙道內(nèi)部支撐、催化劑進(jìn)口處鋼梁進(jìn)行建模，對(duì)煙氣流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。邊界條件的設(shè)置根據(jù)機(jī)組實(shí)際工況煙氣參數(shù)設(shè)定，SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口煙氣流速為6.33 m/s，煙氣溫度為653 K，飛灰顆粒噴射方式選擇面噴射方式，速度與煙氣流速相同。

由文獻(xiàn)[6]可知，燃煤機(jī)組飛灰粒徑一般分布在0～500 μm 之間，本文平均粒徑分別設(shè)置為 100 μm、200 μm和400 μm，各工況具體條件如表1所示。

表1 模擬工況

3 結(jié)果與分析

3.1 三維流場(chǎng)分析

根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)及飛灰流動(dòng)進(jìn)行了耦合數(shù)值模擬分析計(jì)算。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，脫硝裝置進(jìn)口處煙氣流速和飛灰在均勻設(shè)置的情況下，飛灰顆粒在進(jìn)入水平煙道后由于重力和煙氣轉(zhuǎn)向慣性分離的作用，在煙道的下部和彎頭的外側(cè)出現(xiàn)了飛灰富集現(xiàn)象，沿著上升煙道進(jìn)入煙道內(nèi)側(cè)。另外，飛灰顆粒在經(jīng)過(guò)下轉(zhuǎn)角導(dǎo)流板后，在上升煙道中受圓盤靜態(tài)混合器的阻擋作用，流動(dòng)方向再次發(fā)生分離，分別向煙道的兩側(cè)分散偏離，造成上升煙道內(nèi)側(cè)再次出現(xiàn)飛灰富集現(xiàn)象，而噴氨管道在上升煙道內(nèi)側(cè)進(jìn)入煙道，預(yù)測(cè)上述位置噴氨管道和煙道支撐會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損。

3.2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際磨損對(duì)比分析

借助數(shù)值計(jì)算軟件中磨損（Erosion）分析功能模塊，完成對(duì)噴氨管道壁面的沖蝕分析。由模擬結(jié)果可知，噴氨管道磨損速率較大的區(qū)域與實(shí)際工程中噴氨管道磨穿區(qū)域基本吻合，說(shuō)明通過(guò)數(shù)值模擬分析能夠很好地預(yù)測(cè)實(shí)際工程中的磨損問(wèn)題。

針對(duì)單根噴氨管道，磨損嚴(yán)重區(qū)域與煙氣垂直沖刷區(qū)域并不重合，管道嚴(yán)重磨損區(qū)域主要分布在管道中心線兩側(cè)30°～50°位置區(qū)域，并且管道嚴(yán)重磨損區(qū)域主要集中在距離煙道壁面200 mm之內(nèi)的區(qū)域。

為了進(jìn)一步定量分析飛灰質(zhì)量濃度和煙氣流速對(duì)磨損的影響，本文分別選擇了煙道中心位置和噴氨管道中心位置下方300 mm標(biāo)高位置，對(duì)上述位置飛灰質(zhì)量濃度和煙氣流速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。受圓盤混合器結(jié)構(gòu)和安裝傾角的影響，在圓盤混合器之后位置，煙氣中飛灰質(zhì)量濃度相對(duì)較低，而在靠近上升煙道的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)飛灰質(zhì)量濃度直線上升的分布趨勢(shì)，飛灰質(zhì)量濃度的最大值達(dá)到平均值的35倍以上，說(shuō)明圓盤渦流混合器對(duì)飛灰流動(dòng)和分布起到了明顯的分離和富集作用[7]。

另外，對(duì)上述位置煙氣流速進(jìn)行定量分析可知，受圓盤渦流混合器阻擋，在圓盤混合器之后出現(xiàn)煙氣的低流速區(qū)，有很大的區(qū)域煙氣流速出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明在圓盤渦流混合器之后出現(xiàn)了明顯的渦流現(xiàn)象。而在圓盤混合器兩側(cè)煙氣流速出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的峰值，特別是靠近噴氨管道進(jìn)入煙道的這一側(cè)，煙氣流速的最大值接近19 m/s。煙氣流速的不均勻分布會(huì)造成煙道內(nèi)構(gòu)件局部嚴(yán)重磨損。

3.3 飛灰質(zhì)量濃度對(duì)磨損的影響分析

為了分析煙氣飛灰質(zhì)量濃度和飛灰粒徑對(duì)磨損速率的影響規(guī)律，本文分別對(duì)不同工況下噴氨管道的磨損速率進(jìn)行了定量分析，文中噴氨管道平均磨損速率和最大磨損速率的計(jì)算基于軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算，主要分析結(jié)果如下所示。

文獻(xiàn)[8]顯示，飛灰對(duì)材料的沖蝕磨損速率與飛灰質(zhì)量濃度的一次方成正比。本文分別按照鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)、校核煤質(zhì)和實(shí)際煤質(zhì)特性，核算進(jìn)口截面煙氣飛灰質(zhì)量流量，計(jì)算結(jié)果分別為11 kg/s、14 kg/s和18 kg/s。不同飛灰質(zhì)量流量下，對(duì)噴氨管道磨損的定量計(jì)算結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)煤質(zhì)條件下，噴氨管道的平均磨損速率為3.17×10-11kg/（m2·s），最大磨損速率為1.51×10-7kg/（m2·s）。通過(guò)定量分析可知，噴氨管道的磨損，無(wú)論是平均磨損速率還是最大磨損速率都呈現(xiàn)出飛灰質(zhì)量濃度越大磨損速率越大的分布趨勢(shì)。

本文以設(shè)計(jì)煤質(zhì)條件為基準(zhǔn)工況，工況2和工況3中煙氣飛灰質(zhì)量濃度分別為工況1的1.27倍和1.64倍，分析飛灰質(zhì)量濃度增加后對(duì)磨損速率增加倍數(shù)影響，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 磨損速率增加關(guān)系圖

由圖1計(jì)算結(jié)果可知，工況2中煙氣飛灰質(zhì)量濃度是工況1的1.27倍，工況2中噴氨管道的平均磨損速率和最大磨損速率分別增長(zhǎng)到工況1的1.30倍和1.36倍，基本呈正比增長(zhǎng)。工況3中煙氣飛灰質(zhì)量濃度是工況1的1.64倍，而工況3中噴氨管道的平均磨損速率和最大磨損速率分別增長(zhǎng)到工況1的2.53倍和2.13倍，并未呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)正比例關(guān)系。在以上飛灰質(zhì)量濃度對(duì)磨損速率的影響關(guān)系中，部分工況并未體現(xiàn)出嚴(yán)格的正比例關(guān)系。這是因?yàn)閷?duì)于實(shí)際工程而言，煙氣中飛灰質(zhì)量濃度除了受燃煤灰分含量影響外，也會(huì)因煙氣流向轉(zhuǎn)變、慣性分離等作用，造成局部飛灰質(zhì)量濃度分布不均[9-10]的情況。

3.4 飛灰粒徑對(duì)磨損的影響分析

金屬材料的磨損量與飛灰粒徑的大小有關(guān)。當(dāng)飛灰粒徑很小時(shí)，材料所受的沖蝕磨損較小，隨著飛灰粒徑的增加，灰粒質(zhì)量增加，撞擊的動(dòng)量也隨之增加，磨損速率隨之增加。但當(dāng)飛灰顆粒直徑達(dá)到某一臨界值后，磨損速率的增加幾乎不變或者變化較小。

選定脫硝裝置進(jìn)口飛灰質(zhì)量流量為18 kg/s的情況下，飛灰平均粒徑分別設(shè)定為100 μm、200 μm和400 μm，分別考察飛灰粒徑對(duì)磨損速率的影響。飛灰粒徑對(duì)磨損速率的定量分析如圖2所示。

圖2 飛灰平均粒徑對(duì)磨損速率的影響

模擬結(jié)果表明，當(dāng)飛灰質(zhì)量濃度一定時(shí)，飛灰平均粒徑對(duì)金屬管道磨損速率的影響呈先上升、后下降的分布趨勢(shì)。當(dāng)飛灰質(zhì)量流量為18 kg/s、飛灰平均粒徑為200 μm時(shí)，磨損速率達(dá)到峰值。對(duì)于這一現(xiàn)象，分析認(rèn)為，在相同顆粒濃度下，顆粒直徑越大，單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量就越少，雖然大顆粒沖擊管壁造成的磨損能力強(qiáng)，但由于沖擊管道的顆粒數(shù)量降低，材料的磨損量變化就不再增加，甚至發(fā)生因撞擊頻率降低磨損速率下降的現(xiàn)象。

3.5 噴氨管道壽命預(yù)測(cè)分析

上文對(duì)不同工況下噴氨管道的磨損速率進(jìn)行了定量分析，借助磨損速率的定量計(jì)算，可對(duì)噴氨管道的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和估算。

本文對(duì)噴氨管道磨損失效時(shí)間的分析，以機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，磨損速率選取工況3的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)工況3的模擬結(jié)果可知，噴氨管道的平均磨損速率為8.02×10-11kg/（m2·s），最大磨損速率為3.22×10-7kg/（m2·s），最大磨損速率是平均磨損速率的4 019倍。但決定管材失效的是最大磨損速率而不是平均磨損速率，因此本文對(duì)噴氨管道有效壽命的估算以最大磨損速率為計(jì)算基準(zhǔn)。本工程噴氨管道規(guī)格為d 219 mm×6 mm，經(jīng)核算管道最小磨穿時(shí)間為40 313 h，約為4.6年。本工程脫硝裝置建成投運(yùn)時(shí)間為2013年，2017年5月脫硝噴氨系統(tǒng)改造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)噴氨管道發(fā)生磨穿現(xiàn)象，噴氨管道從投運(yùn)到發(fā)生磨穿，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間不足4年，與本文的預(yù)測(cè)分析基本相吻合。

4 結(jié)論

a）本文對(duì)600 MW機(jī)組SCR脫硝裝置噴氨管道磨損進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果表明，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的嚴(yán)重磨損區(qū)域和實(shí)際工程嚴(yán)重磨損區(qū)域吻合較好，計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬可用于分析和預(yù)測(cè)復(fù)雜煙氣環(huán)境下煙道內(nèi)構(gòu)件的磨損問(wèn)題，對(duì)預(yù)防管道磨損的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造具有重要的指導(dǎo)作用，如針對(duì)嚴(yán)重磨損區(qū)域可適當(dāng)加強(qiáng)防磨措施，提高其使用壽命。

b)研究表明，噴氨管道的最大磨損速率高達(dá)3.22×10-7kg/（m2·s），是平均磨損速率的4 019倍，計(jì)算結(jié)論可用于分析預(yù)測(cè)金屬材料管件等的有效使用壽命。