張　玲，劉海婷

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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混合物速度對(duì)催化劑磨損影響的數(shù)值研究

張玲，劉海婷

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

以某燃煤電廠600 MW機(jī)組的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，使用Fluent軟件對(duì)煙氣速度為3.7 m/s，氨氣/空氣混合物的速度分別為0.8 m/s和0.5 m/s時(shí),進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，綜合對(duì)比混合物速度u、v、w對(duì)催化劑層造成的磨損。其中，速度u、w均對(duì)催化劑造成橫向沖刷，而速度v對(duì)催化劑層造成縱向沖刷。當(dāng)氨/空氣混合物速度為0.8 m/s時(shí)，無論哪個(gè)方向的速度均對(duì)催化劑層造成較為嚴(yán)重的沖刷，使其磨損加重。所以，認(rèn)為混合物速度為0.5 m/s時(shí)最好。

選擇性催化還原；催化劑；速度；磨損

火電廠是氮氧化物排放的主要原因之一。氮氧化物的排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，并且會(huì)形成酸雨，在強(qiáng)烈的紫外線的作用下生成光化學(xué)煙霧[1]。在減少氮氧化物排放的眾多方法中，選擇性催化還原法(SCR)有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，脫硝效率高，沒有副產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，在各國得到了廣泛的應(yīng)用。

催化劑是選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)的重要部分，目前，SCR催化劑主要有三種，分別是蜂窩式、波紋板式和板式。其中，蜂窩式的應(yīng)用最為廣泛[2]。蜂窩式催化劑的活性對(duì)SCR系統(tǒng)的脫硝效率影響很大，而影響其活性的因素很多，造成催化劑失活主要是因?yàn)闊焿m顆粒對(duì)其的磨損。

在系統(tǒng)的長期運(yùn)行中，催化劑的催化效率由于各類的物理化學(xué)原因(中毒、堵塞、熱燒結(jié)、磨損、沾污等)而降低，甚至是失效，對(duì)脫硝效果有非常大的影響。磨損程度的不同對(duì)催化劑的影響也存在差異，輕度磨損不但能夠促進(jìn)其表面更新，還能使其保持較好的活性，而重度磨損會(huì)導(dǎo)致催化劑表面活性成分的快速流失，從而減少了活性成分的壽命，同時(shí)促使催化劑變薄，容易斷裂，讓下游的設(shè)備受到損害[3]。催化劑磨損與其入口上方的流場分布有關(guān)，為此本文采用了數(shù)值模擬的方法對(duì)SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中不同的混合物速度對(duì)催化劑的磨損情況進(jìn)行了研究。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為磨損研究的有效方法，國內(nèi)外的很多學(xué)者通過試驗(yàn)和模擬的方法針對(duì)氣固兩相流中顆粒對(duì)壁面的碰撞與磨損進(jìn)行了研究。如閆潔等[4]人對(duì)擾流中顆粒與柱體的碰撞和磨損做了數(shù)值模擬；柳成文等[5]人對(duì)90°彎管內(nèi)的氣固兩相流以及顆粒對(duì)壁面的磨損做了數(shù)值研究；張義等[6]人通過數(shù)值模擬的方法對(duì)管道內(nèi)的氣固兩相流的沖刷磨損特性進(jìn)行了研究；何文深等[7]人通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)催化劑的磨損行為進(jìn)行了研究；肖雨亭等[8，9]人通過模擬和試驗(yàn)的方法對(duì)蜂窩式催化劑磨損性能進(jìn)行了研究；徐秀林等[10]做了蜂窩狀脫硝催化劑磨損數(shù)值模擬研究，取得了一定進(jìn)展。但是，對(duì)氨/空氣混合物速度與催化劑磨損的關(guān)系進(jìn)行模擬研究的很少，故本文對(duì)此進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1　SCR系統(tǒng)幾何模型

三維模型是參考某電廠600 MW火電機(jī)組SCR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，依據(jù)設(shè)計(jì)尺寸從省煤器出口至空氣預(yù)熱器進(jìn)口按 1∶1比例進(jìn)行建模，圖1為三維模型的示意圖，圖2為噴氨格柵示意圖，SCR裝置尺寸如表1所示。

圖1　SCR系統(tǒng)幾何模型

圖2　噴氨格柵幾何模型

2　數(shù)學(xué)模型

SCR系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)和反應(yīng)過程均遵守質(zhì)量、動(dòng)量以及能量守恒，由于其內(nèi)部流動(dòng)為湍流流動(dòng)，為方便求解，對(duì)以上方程進(jìn)行了雷諾平均，從而得到平均流控制方程，包含連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及能量方程，分別如公式(1)、公式(2)、公式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

按照系統(tǒng)內(nèi)煙氣的流動(dòng)情況，采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型來模擬系統(tǒng)內(nèi)部煙氣的湍流流動(dòng)，使用有限差分法中的控制容積法對(duì)控制微分方程進(jìn)行離散，而對(duì)流項(xiàng)的離散，則使用了二階迎風(fēng)格式，流場的計(jì)算采用典型的Simple算法。對(duì)于催化劑床層的阻力采用多孔介質(zhì)模型來進(jìn)行模擬計(jì)算，采用組分?jǐn)U散模型對(duì)氨氣和空氣的混合，以及氨/空氣混合物與煙氣的混合進(jìn)行模擬。

影響催化劑磨損的主要因素有磨損時(shí)間、煙氣流速、煙氣中的飛灰硬度、飛灰濃度等[12]。在特定的催化劑與煙氣條件下，催化劑磨損量[13]

(4)

式中：υ為煙氣流速；t為氣流沖刷時(shí)間；C為灰粒負(fù)荷；D為平均粒徑。

由此可知，系統(tǒng)在一樣的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，飛灰對(duì)磨損的影響和飛灰硬度、飛灰的粒徑、飛灰含量以及煙氣流速等有關(guān)。其中，υ對(duì)E的影響最大與其成正比。飛灰參數(shù)一定時(shí)，催化劑孔內(nèi)速度較高，或者由于分布不均勻而引起接近催化劑壁面的局部υ過高，會(huì)使催化劑磨損嚴(yán)重。速度過低又會(huì)發(fā)生堵灰的情況，是以優(yōu)化時(shí)要綜合考量催化劑的堵灰和磨損問題，確定混合物速度的最佳值。

利用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(CV值)大小的比較，判斷注場的均勻性程度，并進(jìn)行量化分析。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的定義式如下：

(5)

(6)

CV值越大，表示均勻性越差，而CV值越小，則表示均勻性越好。若催化劑進(jìn)口截面速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不足15%時(shí)，則判斷該流場的均勻性程度合格。

3　邊界條件

系統(tǒng)進(jìn)口和氨氣進(jìn)口的邊界條件都設(shè)置為速度入口，用湍流強(qiáng)度和水利直徑來定義湍流參數(shù)；系統(tǒng)出口的邊界條件設(shè)置為自由流出；催化劑床層的邊界條件設(shè)置為多孔介質(zhì)邊界條件；導(dǎo)流板和系統(tǒng)壁面的邊界條件設(shè)置為無滑移壁面邊界條件。

系統(tǒng)進(jìn)口實(shí)際煙氣量為4 536 702 m3/h，標(biāo)態(tài)煙氣量為1 917 057 Nm3/h，煙氣密度為0.6 kg/m3；進(jìn)口煙溫度為340 ℃；進(jìn)口NOx濃度為350 mg/Nm3(90%NO+10%NO2)，稀釋風(fēng)機(jī)流量為3 200×2 m3/h，氨氣流量為65×2 m3/h，溫度為45 ℃。

在大型電站鍋爐中，SCR煙氣脫硝過程十分復(fù)雜。因?yàn)闂l件有限，所以在建立模型前有必要對(duì)實(shí)際情況作一些假設(shè)：

(1)系統(tǒng)的出入口溫差比較小，所以認(rèn)為該系統(tǒng)是絕熱的；

(2)系統(tǒng)的漏風(fēng)比較小，是以忽略其漏風(fēng)情況；

(3)上游煙道中，系統(tǒng)中煙氣的各種成分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

(4)系統(tǒng)中的流動(dòng)是定常流動(dòng)[14-15]。

4　網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

SCR模型網(wǎng)格的劃分使用ICEM CFD軟件來劃分，該網(wǎng)格為混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)噴氨格柵、導(dǎo)流板和整流格柵等區(qū)域進(jìn)行加密。網(wǎng)格數(shù)量約為1300萬，網(wǎng)格如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量分別為700萬、1300萬、1900萬時(shí)，將計(jì)算得到的催化劑進(jìn)口上方截面的速度曲線做比較，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果如圖4所示。按照假定要求，本文選擇1300萬作為后續(xù)數(shù)值模擬計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖4 網(wǎng)格無關(guān)性對(duì)比

5　計(jì)算結(jié)果分析

5.1蜂窩式催化劑的磨損機(jī)理

管道內(nèi)與催化劑通孔內(nèi)的混合物速度分布遵守流體動(dòng)力學(xué)原理，因?yàn)榇嬖跍鬟吔鐚?，所以接近催化劑?nèi)壁面與管道壁面的速度較低，攜帶煙塵顆粒動(dòng)量較小，催化劑接近管道壁面的部分磨損較小。管道與通孔中部的雷諾系數(shù)大，混合物速度高，攜帶煙塵顆粒的動(dòng)量大，對(duì)催化劑中部造成的磨損較大，而被磨損的催化劑的斷面為弧形。此外，磨損后催化劑的內(nèi)壁變薄，而且變得越發(fā)光滑，“馬格努斯效應(yīng)”是形成這種現(xiàn)象的原因，如見圖5、圖6所示。

圖5 馬格努斯效應(yīng)示意圖圖6 煙塵顆粒對(duì)催化劑壁面的磨損示意圖

通過圖5、圖6可知，煙氣攜帶煙塵顆粒向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，顆粒本身也在旋轉(zhuǎn)。因?yàn)榇嬖跍鬟吔鐚?，煙氣速度較小的區(qū)域?yàn)榻咏呋瘎┍诿娴膮^(qū)域，煙氣速度較大的區(qū)域?yàn)橥字胁?，所以煙塵顆粒飛行得速度矢量與其本身的回旋角度矢量不能夠重合。由伯努力原理可知，速度的差異會(huì)造成壓強(qiáng)差異。因此，與其運(yùn)行方向相垂直的方向形成一個(gè)橫向力。由于此橫向力的作用，顆粒將偏離原本運(yùn)動(dòng)的軌跡，撞擊到催化劑壁面，造成催化劑的磨損。

5.2混合物速度大小對(duì)催化劑層的磨損分析

混合物速度對(duì)催化劑的磨損強(qiáng)度影響較大，在相同的飛灰濃度與試驗(yàn)時(shí)間下，由于混合物速度變大，催化劑磨損強(qiáng)度快速增大，抗磨損性能下降。由催化劑的磨損機(jī)理可知，若是同樣的飛灰濃度，混合物速度越高，攜帶的磨損劑動(dòng)量越大，磨損就越嚴(yán)重。在脫硝系統(tǒng)中，若是催化劑運(yùn)行的實(shí)際情況偏離了設(shè)計(jì)要求，比如煙氣量增大，則令催化劑磨損增大，降低了其抗磨損的能力，使催化劑的使用期限減少，增加系統(tǒng)運(yùn)行的成本。

圖7 x向速度u的對(duì)比圖8 y向速度v的對(duì)比

混合物速度的方向和大小會(huì)對(duì)催化劑造成不同程度的磨損，所以對(duì)催化劑入口處上方的混合物在水平與垂直方向上的分速度分別進(jìn)行分析研究。氨/空氣混合物速度若是太小，其與煙氣混合后的速度過小，會(huì)造成積灰、堵塞等情況；而混合物速度太大，則會(huì)在混合后使其與煙氣的混合物速度變大，加劇磨損情況。本文中煙氣速度為3.7 m/s，通過計(jì)算對(duì)比，選取合適的氨/空氣混合物速度分別為0.8 m/s和0.5 m/s時(shí)，分析其對(duì)催化劑層造成的磨損情況，選擇最佳的氨/空氣混合物速度。

縱坐標(biāo)為混合物x方向的分速度u，曲線為混合物總體平均速度曲線，如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)氨氣/空氣的混合物速度為0.5m/s時(shí)，速度u整體分布有正有負(fù)(正向?yàn)閤軸正方向，負(fù)向?yàn)閤軸反方向)，而當(dāng)氨氣/空氣的混合物速度為0.8m/s時(shí)，u的整體分布均為負(fù)數(shù)。速度過大會(huì)造成嚴(yán)重的橫向沖刷，而速度過小則會(huì)造成積灰堵塞的現(xiàn)象。兩條曲線都是開始時(shí)先有下降趨勢，當(dāng)x=19m時(shí)，V=0.5的曲線開始上升，而V=0.8的曲線繼續(xù)下降。當(dāng)x=21m時(shí)，V=0.8的曲線下降到最低點(diǎn)，即速度u達(dá)到反向最大值24m/s；而當(dāng)x=22m時(shí)，V=0.5的去向上升到最高點(diǎn)，即速度u達(dá)到正向最大值11m/s，比V=0.8的最大值小。由于混合物主要對(duì)催化劑進(jìn)行橫向沖刷，所以將催化劑磨損為掏空結(jié)構(gòu)，而V=0.5時(shí)，其速度分布比V=0.8更均勻，且速度值小，其中攜帶的煙塵顆粒的動(dòng)能小，所以其對(duì)催化劑層造成的磨損較輕，該速度最優(yōu)。

縱坐標(biāo)為混合物y方向的分速度v，曲線為混合物總體平均速度曲線，如圖8所示。由圖8可知，y向速度v分布不均勻，兩條曲線均呈下降趨勢，前面速度較大，而后面速度較小，且為負(fù)數(shù)(正向?yàn)閥軸正方向，負(fù)數(shù)為y軸反方向)。V=0.8的曲線最大值較高，由于其速度較高，導(dǎo)致攜帶的煙塵顆粒的動(dòng)能較大，所以對(duì)催化劑造成的磨損就越嚴(yán)重。觀察兩條曲線的整體走勢，能夠發(fā)現(xiàn)V=0.5的曲線相對(duì)于V=0.8的曲線更平緩一些，且波動(dòng)幅度相對(duì)較小，所以對(duì)催化劑層造成的磨損較小一些。由于速度的前后分布不均勻，將會(huì)造成前半部相對(duì)較為嚴(yán)重的磨損。由于是y向的速度，所以對(duì)催化劑層縱向造成嚴(yán)重的沖刷，使催化劑磨損成針狀結(jié)構(gòu)，大大影響其使用壽命。當(dāng)V=0.5m/s時(shí)，對(duì)催化劑層造成的縱向磨損較輕，所以該速度最優(yōu)。

圖9　Z向速度w的對(duì)比

縱坐標(biāo)為混合物z方向的分速度w，曲線為混合物總體平均速度曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，曲線V=0.5開始一段較為平滑，在x=20m后開始下降，當(dāng)x=22.5m時(shí)到達(dá)最低點(diǎn)，然后曲線開始緩慢上升，在x=25m處曲線開始平緩的上升。而V=0.8的曲線一開始就急速下降，在x=20m處達(dá)到最小值，然后開始上升，到x=25m處開始變得平緩，但是在x=26m處又開始下降，下降趨勢較為緩慢。將兩條曲線對(duì)比，能夠看出V=0.5的曲線相對(duì)變化范圍較小，且變化幅度較小，由于其速度較小，所以其所攜帶的粉塵顆粒的動(dòng)量就小，對(duì)催化劑層的撞擊力就小，其所造成的磨損也相對(duì)較小。同時(shí)，z方向也會(huì)對(duì)催化劑造成橫向沖刷，使催化劑磨損形成掏空結(jié)構(gòu)。當(dāng)V=0.5m/s時(shí)，橫向的磨損比V=0.8m/s時(shí)所造成的小，即V=0.5m/s時(shí)速度最好。

6　結(jié)　　論

通過對(duì)煙氣速度為3.7 m/s，氨氣/空氣混合物的速度分別為0.8 m/s和0.5 m/s時(shí)，其對(duì)催化劑層造成的磨損情況進(jìn)行分析得到結(jié)果如下：

(1)y方向的分速度越大，對(duì)催化劑造成嚴(yán)重縱向的沖刷，使其磨損形成針狀結(jié)構(gòu);

(2)x和z方向的分速度越大，對(duì)催化劑造成嚴(yán)重的橫向沖刷，使其磨損形成掏空結(jié)構(gòu);

(3) 綜合對(duì)比混合物速度u、v、w對(duì)催化劑層造成的磨損，當(dāng)氨/空氣混合物速度為0.8 m/s時(shí)，無論哪個(gè)方向的速度均對(duì)催化劑層造成較為嚴(yán)重的沖刷，使其磨損加重，所以認(rèn)為混合物速度為0.5 m/s時(shí)最好。

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Numerical Study Catalyst Mixture Velocity Impact on the Wear and Tear

ZHANG Ling，LIU Hai-ting

(Energy Resource and Power Engineering College,Northeast Dianli University，Jilin JIlin 132012)

Proceeds to SCR flue gas of a coal-fired power plant 600MW unit of denitration system as the research object，using Fluent software flue gas velocity of 3.7m/s，the speed of ammonia/air mixture was 0.8m/s and 0.5m/s numerical calculation，a comprehensive comparison mixture velocity u，v，w wear caused by the catalyst layer，wherein the velocity u，w are caused by lateral erosion of the catalyst，and the catalyst layer velocity v caused by erosive.When the ammonia/air mixture velocity of 0.8m/s，regardless of which direction the speed of the catalyst layer are causing serious erosion to wear heavier，so that the mixture velocity of 0.5m/s at best.

Selective catalytic reduction；Catalyst；Speed；Wear

2016-04-12

張玲(1970-)，女，山東省萊陽市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授，博士，主要研究方向：流體機(jī)械內(nèi)流的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究.

1005-2992(2016)04-0061-06

X701

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