陳鴻偉, 徐 勁, 李 麗, 王遠鑫, 羅 敏

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003；2.華北電力大學環(huán)境科學與工程學院，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, 王遠鑫1, 羅 敏1

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003；2.華北電力大學環(huán)境科學與工程學院，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題，基于Flunet14.0數(shù)值模擬軟件，在SCR反應器內(nèi)部增設導流裝置，對多種工況下的流場分布情況及顆粒軌跡進行模擬對比。結果表明：SCR系統(tǒng)中布置導流裝置可以有效改善流場分布均勻性，相對速度偏差由空塔時的58.42%降低為15.64%；顆粒軌跡與流場分布高度一致。通過改善流場分布可以有效緩解催化劑層局部磨損、堆灰的問題。

SCR催化劑；流場優(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時段內(nèi)煤炭仍將在國內(nèi)動力能源消耗中占很大份額。煤在燃燒反應過程中釋放出SOx、NOx和煙塵等有害物質(zhì)，帶來酸雨、霧霾、光化學煙霧和其他環(huán)境問題。深入完善大氣污染防治行動計劃，實施區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，推動燃煤電廠超低排放改造，促進重點區(qū)域煤炭消費量零增長。通過不斷努力，SOx已得到較好控制，而NOx迅猛增長，對NOx的控制已迫在眉睫。

SCR是當前應用最普遍、技術最可靠的一種煙氣脫硝手段。該法的主要優(yōu)點是：由于使用了催化劑，對還原溫度要求較低；NOx脫除率高，可達90%以上；工藝設備緊湊，運行可靠；反應物N2可直接排入大氣，幾乎沒有二次污染。但SCR煙氣脫硝技術在實際工程應用中還存在一些問題，其核心是脫硝催化劑[1]，在實際運行中磨損嚴重并產(chǎn)生了大量堆灰，對設備的脫硝效率產(chǎn)生了一定影響，同時大大降低了催化劑的工作壽命。同時流場的不均勻性還將導致催化劑層局部氨氣過量，未用于還原反應的氨與煙氣中SO3反應生成化合物NH4HSO4和(NH4)2SO4，造成催化劑層孔隙堵塞。毛劍宏等[2]通過數(shù)值模擬和冷態(tài)實驗證明合理設計煙道轉(zhuǎn)彎處的導流部件可以有效改善脫硝系統(tǒng)的速度分布，使速度場得到優(yōu)化。凌忠錢等[3]對某300 MW鍋爐SCR系統(tǒng)導流板采用多種調(diào)節(jié)方案進行優(yōu)化，模擬計算到符合設計要求的方案。楊超等[4]對裝有渦流混合器的脫硝設備進行了模擬，表明渦流混合器在減少噴嘴數(shù)量的同時可以有效提高氨氣與煙氣混合均勻程度。危日光等[5]對脫硝系統(tǒng)后空預器搪瓷蓄熱元件進行研究，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，同時給出了內(nèi)部流體的流場和溫度場分布。上述學者對SCR脫硝反應器流場分別進行了多方面的優(yōu)化，但優(yōu)化后對SCR反應器內(nèi)顆粒相的研究還不太完善。現(xiàn)以四川某投產(chǎn)運行電廠600 MW機組SCR脫硝系統(tǒng)為模擬對象。通過對SCR脫硝系統(tǒng)中的導流板、整流格柵、渦流混合器進行綜合設計改造，優(yōu)化流場分布。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催化劑層的磨損作用，闡明流場對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 研究對象

試驗對象為四川某投產(chǎn)運行電廠600 MW機組SCR脫硝系統(tǒng)，每臺機組配備兩臺SCR反應器,采用高塵區(qū)布置。選取省煤器出口到空預器入口前整個系統(tǒng)作為模擬對象，由于兩臺反應器布置結構對稱，選其左側結構進行模擬研究,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實體裝置按照1∶1尺寸構建,如圖1所示。根據(jù)系統(tǒng)實際情況，在建立模型和Fluent計算中做出如下簡化：來流煙氣假設為不可壓縮牛頓流體；煙氣進口速度大小均勻并且垂直于進口斷面；煙氣不同組分之間不發(fā)生化學反應；流體物性參數(shù)為常數(shù)。使用Gambit對SCR系統(tǒng)進行三維模型建立和網(wǎng)格劃分，對渦流混合和導流板段煙道進行局部網(wǎng)格加密，在劃分過程中對網(wǎng)格逐步細化得到近似無關解，計算網(wǎng)格數(shù)為500萬。

圖1 SCR模型

2 數(shù)學模型與邊界條件

2.1 通用控制方程

控制方程模型：

(1)

式中:φ是通用變量；Γ是擴散系數(shù)；S是源項。

2.2 湍流模型

標準雙方程模型：

(2)

(3)

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

2.3 速度偏差評價方法

煙氣速度分布均勻性評價標準通用的是RMS標準(相對標準偏差)[12]，公式為：

(4)

(5)

該方法主要優(yōu)點是對速度分布的均勻程度反應非常靈敏。通過對相對標準偏差的大小進行比較，就能夠?qū)Ρ炔煌鲌龅木鶆蛐浴v值與速度分布均勻程度呈反相關。缺點是只能針對平均速度得到一個衡量標準。

2.4 邊界條件

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

表1 煙氣各組分的體積分數(shù)

表2 邊界條件

3 流場優(yōu)化及結果分析

3.1 空塔布置

Fluent14.0模擬計算后，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

來流煙氣通過下方轉(zhuǎn)向彎通道進入豎直煙道以及煙氣從豎直煙道經(jīng)上方轉(zhuǎn)向彎通道進入水平煙道時，由圖2速度分布云圖得出：彎通道外側為低速區(qū)，內(nèi)側為高速區(qū)。煙氣產(chǎn)生這種不均勻現(xiàn)象的原因是：來流煙氣通過煙道轉(zhuǎn)彎處時，其流線會隨壁面形狀產(chǎn)生彎曲，因為自身慣性力的影響，流體將對外壁面產(chǎn)生更大的壓力，而使轉(zhuǎn)彎處外側煙氣壓強上升，依據(jù)伯努利方程可知，壓力大，壓強大，外側流速相應降低。與此相對應的是彎管內(nèi)側出現(xiàn)壓強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，受到豎直煙道末端直角彎的影響導致水平煙道上方流速較高，下方流速較低。煙氣向下進入SCR反應塔時，由于自身的慣性，大部分被離心力帶到脫硝塔左側，而在其內(nèi)形成了較大的低速回流區(qū)。從整個研究模型來說，上游的流體流動均勻性對下游流體流動均勻性會造成直接的干預。因此，若優(yōu)化系統(tǒng)速度分布，則需順次改善每一個煙道轉(zhuǎn)彎處對來流煙氣的作用[13]。

3.2 優(yōu)化設計

在豎直煙道下方轉(zhuǎn)向彎通道內(nèi)安裝7塊等間距導流板，導流板形式為半徑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)格的導流板。對SCR催化劑上方進行優(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的導流結構。對SCR反應塔進口三角區(qū)域進行優(yōu)化：在水平煙道與SCR反應本體連接的彎道處等間距布置4塊導流板，板面和水平方向呈45°。

AIG在SCR脫硝系統(tǒng)中起著關鍵的作用，氨氣在煙道中混合的均勻程度，對系統(tǒng)脫硝效率和氨的逃逸率兩大指標有著直接的影響。噴入的氨氣在上升煙道中與來流煙氣均勻混合是SCR脫硝反應良好進行的首要條件。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計、裝配以及運行維護的難度。因此，探索如何設置較少噴射口并滿足運行要求成為現(xiàn)在的新興研究方向。渦流混合技術與傳統(tǒng)AIG噴氨格柵相比有以下優(yōu)勢：(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)控制簡便，調(diào)試時間短；(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、煙氣混合裝置對系統(tǒng)進行優(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個圓盤構成。導流優(yōu)化方案如表3所示。

表3 優(yōu)化方案

圖3 SCR系統(tǒng)側視速度分布圖

模擬結果如下，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。

可見導流裝置對均勻流場具有明顯的作用。通過在豎直煙道下方轉(zhuǎn)向彎通道、上方轉(zhuǎn)向彎通道、SCR三角區(qū)域安裝導流板，催化劑上方設置整流格柵可以大大提高煙道流場分布均勻性。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 篩分實驗及顆粒軌跡模擬

4.1 篩分實驗

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行篩分。篩分的灰樣共分為了8個粒徑區(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。對應的粒徑大小依次為> 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。為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，重復試驗5組灰樣，各組灰樣在不同粒徑區(qū)間分布的質(zhì)量百分數(shù)結果如表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%，可把反應裝置內(nèi)部飛灰近似看做是這三個區(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，模擬結果如下，圖5a為空塔時，在SCR系統(tǒng)中的顆粒軌跡停留時間結果圖示，圖5b為優(yōu)化方案b中的顆粒軌跡停留時間結果圖，圖5c為優(yōu)化方案c中的顆粒軌跡停留時間結果圖。

圖5中流線表示顆粒在系統(tǒng)中的運動軌跡。流線的顏色代表顆粒在當前軌跡的瞬時停留時間，與左側柱狀條幅對比，流線局部色彩越接近條幅上方，則顆粒相在此停留時間也越長久，相應此處速度較??；同理，流線色調(diào)越接近條幅下方則顆粒停留時間越短，此處相應的速度越大。圖5(a)表明：SCR脫硝系統(tǒng)空塔布置的情況下，顆粒通過豎直煙道時明顯偏向煙道左側，進一步流經(jīng)水平煙道進入脫硝塔內(nèi)部后，顆粒軌跡由于慣性作用大部分從脫硝塔左側道左側到達系統(tǒng)出口，脫硝塔右側形成一個很大的空渦區(qū)域，說明有較少的顆粒經(jīng)過，而且此處顆粒有回流現(xiàn)象發(fā)生?？账贾脮r，左側大量高速的顆粒對其流經(jīng)的催化劑層造成強烈沖蝕，從而使催化劑局部磨損嚴重，縮短其使用壽命。圖5(b)表明：采用優(yōu)化方案b后，由于彎道導流板和整流格柵的作用，顆粒軌跡在整個系統(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脫硝塔中除去右側近壁處沒有顆粒流經(jīng)，其他區(qū)域顆粒軌跡分布比較均勻，顆粒對左側催化劑局部沖蝕嚴重的情況得以改善。圖5(c)表明：布置渦流混合器后，塔內(nèi)顆粒軌跡分布進一步得到優(yōu)化，但此時顆粒通過催化劑層時的速度略有增加，這是因為在豎直煙道段布置渦流混合器后，局部流通面積減小，在來流煙氣量一定的情況下，流體速度增大。以上分析說明顆粒在SCR系統(tǒng)中運動軌跡和速度大小與系統(tǒng)速度分布具一致性，通過優(yōu)化SCR脫硝系統(tǒng)的流場可以使顆粒在系統(tǒng)中的分布同時得以優(yōu)化。

圖5 顆粒在SCR系統(tǒng)中停留時間

5 結論

顆粒在通過催化劑層時分布不均是造成催化劑局部磨損嚴重、出現(xiàn)灰堆的主要原因，而顆粒在脫硝系統(tǒng)中的流動軌跡與系統(tǒng)流場分布具有高度的一致性。改善催化劑局部磨損、堆灰現(xiàn)象可以通過優(yōu)化系統(tǒng)流場來實現(xiàn)。

在SCR系統(tǒng)內(nèi)部安裝導流裝置可以顯著改善流場分布的均勻性。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。安裝渦流混合器后催化劑入口速度場進一步得到優(yōu)化，相對速度偏差降低為13.96%。但渦流混合器會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，博士生導師，研究方向為污染物控制及其仿真，E-mail：hdchw66@126.com。

X703

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.011