李樂(lè)樂(lè) 何喜立 韋紅旗 王羽

1 陽(yáng)城國(guó)際發(fā)電有限責(zé)任公司

2 內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司

3 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

隨著“節(jié)能減排綠色環(huán)?！卑l(fā)展政策的提出，國(guó)家對(duì)火力發(fā)電機(jī)組排放物要求越來(lái)越嚴(yán)格，2014 年發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020）》中明確提出了對(duì)機(jī)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(shù)使目前世界上最成熟、脫硝效率最高的脫硝技術(shù)之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在火電站中[2]。

目前，投運(yùn)的很多機(jī)組中，由于設(shè)計(jì)不合理，SCR脫硝系統(tǒng)存在著積灰、磨損、氨逃逸過(guò)大等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響脫硝系統(tǒng)的效率和機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，確保脫硝裝置處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，不僅可以保證脫硝系統(tǒng)的高效運(yùn)行，而且對(duì)機(jī)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(chǎng)采用選擇性催化還原煙氣脫硝系統(tǒng)，SCR反應(yīng)器布置在省煤器與空預(yù)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(shè)計(jì)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(chǎng)方發(fā)現(xiàn)首層催化劑靠后墻側(cè)的吹灰器積灰較多、后墻貼壁處催化劑磨損嚴(yán)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(chǎng)、催化劑厚度、催化劑結(jié)構(gòu)等[6]。造成SCR脫硝系統(tǒng)積灰的主要因素有飛灰量、煙氣流場(chǎng)、SCR結(jié)構(gòu)等[7-8]。在飛灰物理性質(zhì)和SCR 脫硝裝置結(jié)構(gòu)一定的情況下，煙氣流場(chǎng)是影響脫硝裝置磨損或積灰的重要因素。煙氣流速過(guò)大容易造成磨損，煙氣流速過(guò)低容易積灰[9-10]。因此，合理的設(shè)計(jì)SCR 脫硝裝置的內(nèi)部流場(chǎng)，使煙氣在其內(nèi)流動(dòng)更加均勻變得尤為重要。

2 冷態(tài)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)鍋爐爐內(nèi)冷態(tài)自模化原理，當(dāng)氣流的雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時(shí)，氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)進(jìn)入自?；瘏^(qū)，冷態(tài)的流動(dòng)狀態(tài)能夠達(dá)到模擬鍋爐熱態(tài)運(yùn)行的要求[11]。因此，通過(guò)調(diào)整冷態(tài)通風(fēng)情況下的風(fēng)量，使SCR脫硝裝置內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自?；瘏^(qū)域，利用風(fēng)速儀測(cè)得相應(yīng)截面的流速，再通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換便可獲得熱態(tài)下SCR 脫硝裝置內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。

由于實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中催化劑上層截面速度分布不均勻，因此在試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)網(wǎng)格法將催化劑上層截面劃分成若干網(wǎng)格，每塊網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m，用測(cè)得的網(wǎng)格中心位置處數(shù)據(jù)代替整個(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)。測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)具體布置如圖1 所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

冷態(tài)測(cè)試截面選取在首層催化劑上方0.3 m 處，利用風(fēng)速儀測(cè)量催化劑上層流速時(shí)，為了防止試驗(yàn)誤差，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)試三次，算出均值作為該點(diǎn)測(cè)試數(shù)值。SCR 脫硝裝置的具體結(jié)構(gòu)以及測(cè)試截面布置如圖2 所示：

圖2 脫硝裝置結(jié)構(gòu)圖及冷態(tài)測(cè)試截面

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與初步分析

由于試驗(yàn)是在冷態(tài)條件下進(jìn)行的，風(fēng)量只滿(mǎn)足冷態(tài)自?；枰娘L(fēng)量，與實(shí)際熱態(tài)運(yùn)行時(shí)的煙氣量還存在差距。因此為了能夠了解實(shí)際熱態(tài)運(yùn)行條件下SCR 裝置內(nèi)部的流場(chǎng)狀況，需要將冷態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為熱態(tài)數(shù)據(jù)。

實(shí)際熱態(tài)運(yùn)行時(shí)，SCR 裝置進(jìn)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(jì)算出實(shí)際熱態(tài)運(yùn)行時(shí)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(yàn)測(cè)試時(shí)煙氣的平均流速為2.05 m/s。利用比例關(guān)系將冷態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)化為實(shí)際熱態(tài)運(yùn)行結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換為熱態(tài)后流場(chǎng)分布

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

根據(jù)測(cè)試結(jié)果初步分析認(rèn)為，后墻貼壁處煙氣流速過(guò)大，沖刷催化劑，導(dǎo)致了該處催化劑的嚴(yán)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(chǎng)不均的原因以及對(duì)脫硝設(shè)備的影響，本文將通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)SCR 裝置做進(jìn)一步研究，并根據(jù)模擬結(jié)果制定合理的改造方案。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

CFD 模型是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工圖紙按1:1 的比例進(jìn)行建模。在建模時(shí)，為了方便計(jì)算，忽略了一些對(duì)煙氣流場(chǎng)影響較小的支撐結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)近壁面網(wǎng)格作加密處理，第一層網(wǎng)格厚度為10 mm，法向增長(zhǎng)率為1.15，以適應(yīng)邊界層處速度劇烈變化。進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后，最終網(wǎng)格數(shù)量為575萬(wàn)。網(wǎng)格模型圖如圖4 所示。

圖4 原結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

計(jì)算模型采用湍流realizable k-e 模型，壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，邊界上的湍流尺寸通過(guò)當(dāng)量直徑和湍流強(qiáng)度指定，且在數(shù)值模擬時(shí)做出如下假設(shè)：

1）將煙氣視為不可壓縮牛頓流體。

2）入口設(shè)為速度入口邊界，且認(rèn)為入口速度分布均勻。

3）出口設(shè)為壓力出口邊界，壓力為實(shí)際運(yùn)行情況下SCR 裝置出口壓力。

4）催化劑層作多孔介質(zhì)處理，阻力系數(shù)按設(shè)計(jì)工況設(shè)定，單層催化劑阻力設(shè)為150 Pa。

3.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格和邊界條件模擬得到模擬結(jié)果。圖5 為SCR 脫硝裝置中心截面內(nèi)的速度矢量圖；圖6為首層催化劑上方0.3m 處數(shù)值模擬速度分布云圖。

從圖6（模擬結(jié)果）和圖3（測(cè)試結(jié)果）的對(duì)比可以看出：

1）冷態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的流場(chǎng)分布趨勢(shì)比較吻合，兩者在后墻貼壁處都存在一個(gè)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(gè)速度略低的區(qū)域。

2）冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果中，后墻貼壁處的流速要低于模擬結(jié)果。這是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)，近壁面處流速不方便測(cè)量，以距壁面0.5 m 處測(cè)量數(shù)據(jù)代替整個(gè)貼壁區(qū)域流速。

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的誤差，實(shí)際運(yùn)行狀況的變化以及煙道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)使得數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差。因此，對(duì)于這樣的結(jié)果，可以認(rèn)為該數(shù)值模擬是有效的，可以準(zhǔn)確的反映SCR 脫硝裝置的內(nèi)部流場(chǎng)狀況。

圖5 脫硝裝置內(nèi)流場(chǎng)分布示意圖

圖6 數(shù)值模擬催化劑上方速度云圖

3.3 結(jié)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(yīng)器中心截面流速分布云圖。分析該圖，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)煙氣氣流從豎井煙道的轉(zhuǎn)向彎頭進(jìn)入脫硝反應(yīng)器本體時(shí)，煙氣會(huì)向脫硝反應(yīng)器本體后墻側(cè)流動(dòng)。又由于整流格柵與頂棚之間高度差過(guò)大，進(jìn)入到后墻側(cè)的煙氣流體過(guò)多。這樣就會(huì)導(dǎo)致后墻貼壁處的少數(shù)整流格柵通過(guò)的較多的煙氣量，最終導(dǎo)致后墻貼壁處的流速過(guò)大。帶灰的煙氣氣流長(zhǎng)期以這樣的流速通過(guò)催化劑層，就會(huì)導(dǎo)致該處催化劑的嚴(yán)重磨損。

圖7 反應(yīng)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(yīng)器中心截面流場(chǎng)示意圖。分析該圖可以發(fā)現(xiàn)：由于進(jìn)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(cè)少數(shù)整流格柵通道出口的煙氣基本豎直向下運(yùn)動(dòng)。而剩余的區(qū)域，當(dāng)煙氣氣流通過(guò)高度較小的整流格柵時(shí)，撞擊到整流格柵的側(cè)壁面，使其出口煙氣氣流具有向前墻的分速度。這就會(huì)導(dǎo)致兩者之間區(qū)域煙氣減少形成該低速區(qū)域。當(dāng)煙氣到達(dá)催化劑層時(shí)，由于受到阻力作用，流速較大區(qū)域的煙氣就會(huì)攜帶催化劑層的積灰向該處流動(dòng)，導(dǎo)致了該處吹灰器積灰。

圖8 反應(yīng)器中心截面流場(chǎng)示意圖

4 優(yōu)化方案

結(jié)合上文理論分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)值模擬分析，可以得出以下結(jié)論：后墻側(cè)貼壁處催化劑磨損及靠后墻側(cè)吹灰器積灰是由頂棚與整流格柵之間高度差過(guò)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(wèn)題的關(guān)鍵。但是通過(guò)更改頂棚結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)在頂棚上方增加一組擋板間接達(dá)到減小頂棚與整流格柵高度差目的。改造后頂棚結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

優(yōu)化模型數(shù)值模擬采用工況與參數(shù)設(shè)置與原模型數(shù)值模擬保持一致。圖10 為優(yōu)化后反應(yīng)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(gè)流動(dòng)死區(qū)（紅圈標(biāo)示區(qū)域），間接減小了整流格柵與頂棚之間的高度差，進(jìn)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(jìn)入后墻側(cè)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(yīng)器本體速度云圖

為了驗(yàn)證優(yōu)化后模型對(duì)催化劑上方流場(chǎng)影響，取催化劑上層0.3 m 處流場(chǎng)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(gè)截面的不均勻系數(shù)下降到了0.07，達(dá)到了技術(shù)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(jié)語(yǔ)

本文以SCR 脫硝裝置為研究對(duì)象，通過(guò)理論、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析相結(jié)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(jié)果表明：

1）后墻側(cè)整流格柵與頂棚之間高度差過(guò)大是導(dǎo)致該問(wèn)題的主要原因。

2）直接改動(dòng)頂棚結(jié)構(gòu)來(lái)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^(guò)增加合適的頂棚擋板可以達(dá)到同樣的效果，同時(shí)大大節(jié)約改造成本。