摘要：以某(mou)電站(zhan)鍋爐脫(tuo)硝系統為例，對(dui)催(cui)化劑(ji)磨損、脫(tuo)硝效率低等問題進(jin)行分析研究，通過(guo)數值模(mo)擬計算的方法，確(que)定煙道(dao)內流場(chang)及灰場(chang)分布(bu)，對(dui)上(shang)述(shu)問題影響較(jiao)大，最后提出對(dui)三角筋及導(dao)流板進(jin)行改造，極大地改善了氣流和(he)灰場(chang)的分布(bu)，減輕(qing)了催(cui)化劑(ji)的磨損，確(que)保脫(tuo)硝系統安(an)全、可靠、經(jing)濟(ji)運行。

隨(sui)著電力(li)生產的(de)高速發展，能(neng)源消耗劇增，隨(sui)之而(er)來的(de)環境污染也(ye)日趨嚴重，能(neng)源問題和(he)環境問題已成為(wei)(wei)(wei)社會與(yu)經濟發展的(de)重要(yao)問題之一。在(zai)此(ci)大背景(jing)下，電力(li)行(xing)業已經開始全面推(tui)行(xing)燃煤機(ji)組(zu)超低排放改造(zao)，要(yao)求NOx排放濃度嚴格控制在(zai)50mg/Nm3以下，為(wei)(wei)(wei)此(ci)對SCR系統提出更為(wei)(wei)(wei)嚴苛(ke)的(de)要(yao)求。為(wei)(wei)(wei)了應(ying)對上(shang)述環保壓力(li)，需要(yao)在(zai)原有(you)備用層(ceng)位置加裝一層(ceng)催(cui)(cui)化劑，這種三層(ceng)催(cui)(cui)化劑運行(xing)方式會在(zai)煙(yan)氣流場(chang)、催(cui)(cui)化劑磨(mo)損、脫硝效率低等方面帶來新的(de)問題。

隨著(zhu)計(ji)算流(liu)體動力學CFD技術(shu)的(de)(de)不(bu)斷(duan)進(jin)步，國(guo)內(nei)外很多廠(chang)家都在(zai)脫(tuo)硝(xiao)反應(ying)器(qi)設(she)計(ji)中涉及流(liu)體流(liu)動、熱交換、化學反應(ying)等(deng)現象應(ying)用(yong)CFD技術(shu)進(jin)行(xing)數(shu)(shu)值模(mo)擬(ni)(ni)。數(shu)(shu)值模(mo)擬(ni)(ni)不(bu)僅(jin)可以(yi)得到和冷態試驗同一標準的(de)(de)流(liu)動特性(xing)，還可精(jing)確(que)地對煙氣的(de)(de)溫度分(fen)布(bu)、NOx分(fen)布(bu)、NH3/NOx分(fen)布(bu)以(yi)及飛灰濃度分(fen)布(bu)進(jin)行(xing)預測。針對脫(tuo)硝(xiao)系統(tong)催化劑局部(bu)磨(mo)損嚴重的(de)(de)問題，利(li)用(yong)數(shu)(shu)值模(mo)擬(ni)(ni)計(ji)算的(de)(de)方(fang)式(shi)尋求(qiu)最優改(gai)造(zao)策略，避(bi)免局部(bu)催化劑磨(mo)穿失(shi)效(xiao)導致脫(tuo)硝(xiao)效(xiao)率下(xia)降(jiang)、氨逃逸上升等(deng)問題，從整體上提高脫(tuo)硝(xiao)系統(tong)的(de)(de)性(xing)能。

1鍋爐概況

某公(gong)司(si)#1機組鍋(guo)(guo)爐(lu)為(wei)上海(hai)鍋(guo)(guo)爐(lu)廠有限(xian)公(gong)司(si)制造(zao)的超(chao)臨界參數(shu)變壓運行直流(liu)爐(lu)，其型號為(wei)DG1160.5/17.4-Ⅱ13，一次中間再熱、四(si)角(jiao)切(qie)圓(yuan)燃燒、單爐(lu)膛、固態(tai)排渣、全鋼構架、全懸吊結(jie)(jie)構、平衡通(tong)風、露天(tian)布置(zhi)、Π型鍋(guo)(guo)爐(lu)。鍋(guo)(guo)爐(lu)煙(yan)氣脫硝(xiao)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)采(cai)用“高含塵布置(zhi)方式”的選擇性(xing)催化還原法，在設計煤種(zhong)、鍋(guo)(guo)爐(lu)最(zui)大工(gong)況、處理100%煙(yan)氣量條件下，脫硝(xiao)效(xiao)率不小于(yu)85%，脫硝(xiao)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)出口NOx濃度不高于(yu)50mg/Nm3（6%氧含量，干(gan)煙(yan)氣），布置(zhi)3層催化劑。脫硝(xiao)系(xi)統結(jie)(jie)構設計見(jian)圖1所示。

圖1SCR系統結構(gou)示意圖

煙(yan)(yan)氣(qi)從省煤器出口進(jin)(jin)入(ru)漸擴段煙(yan)(yan)道(dao)(dao)，經下轉角煙(yan)(yan)道(dao)(dao)進(jin)(jin)入(ru)垂直的上(shang)升煙(yan)(yan)道(dao)(dao)，在(zai)其中(zhong)和還原劑(ji)氨混合，經上(shang)轉角段煙(yan)(yan)道(dao)(dao)、整流(liu)格柵和鋼(gang)梁進(jin)(jin)入(ru)催化劑(ji)層(ceng)。

2數(shu)學模型和(he)計算方法

2.1數學模(mo)型(xing)

由于(yu)整個脫(tuo)硝系統不涉及換(huan)熱，故作為(wei)絕(jue)熱過(guo)程(cheng)來進(jin)行(xing)模(mo)擬，煙氣的(de)溫度不變(bian)，從而相關的(de)物(wu)理參數也(ye)取常數。脫(tuo)硝入(ru)口設(she)置(zhi)為(wei)速(su)度入(ru)口邊界(jie)，假設(she)入(ru)口處流(liu)速(su)分布均勻，脫(tuo)硝出口設(she)置(zhi)為(wei)壓力(li)出口邊界(jie)，按照(zhao)常規(gui)運行(xing)值(zhi)進(jin)行(xing)設(she)定。采用(yong)修(xiu)正(zheng)k??模(mo)型(xing)模(mo)擬氣體(ti)湍流(liu)流(liu)動，采用(yong)物(wu)質(zhi)(zhi)輸運模(mo)型(xing)模(mo)擬多種物(wu)質(zhi)(zhi)的(de)混合(he)，采用(yong)拉格朗日-顆粒(li)隨機軌道(dao)模(mo)型(xing)模(mo)擬飛灰(hui)顆粒(li)的(de)運行(xing)，相關的(de)具體(ti)值(zhi)見表1所示。

表1數(shu)值模(mo)擬主(zhu)要參(can)數(shu)設(she)定

2.2計算方法

k方程

3SCR煙道內(nei)主要界面流場(chang)和灰場(chang)分布及改造方案

為了弄(nong)清煙(yan)氣和飛灰(hui)在SCR煙(yan)道(dao)(dao)內(nei)的(de)流動特性，通(tong)過(guo)數值模擬的(de)計算(suan)方(fang)法模擬出SCR煙(yan)道(dao)(dao)內(nei)主要截面流場和灰(hui)場分(fen)布，如圖(tu)2所示。

由圖(tu)2可知，煙(yan)(yan)(yan)(yan)氣(qi)速度(du)大的(de)位置(zhi)(zhi)主要集中(zhong)在(zai)兩組(zu)橫(heng)梁(liang)的(de)梁(liang)前(qian)，飛灰(hui)濃(nong)度(du)大的(de)位置(zhi)(zhi)主要集中(zhong)在(zai)前(qian)墻(qiang)和第(di)(di)一組(zu)鋼梁(liang)之間。因(yin)此，第(di)(di)一組(zu)鋼梁(liang)前(qian)至SCR反應器(qi)前(qian)墻(qiang)位置(zhi)(zhi)煙(yan)(yan)(yan)(yan)氣(qi)流速和飛灰(hui)濃(nong)度(du)均處于較高水平，造(zao)成這一位置(zhi)(zhi)催(cui)化劑磨損強度(du)較大，因(yin)此，本次模(mo)擬改造(zao)方(fang)案是(shi)通過優化催(cui)化劑入口的(de)流場和灰(hui)場，達到減弱(ruo)催(cui)化劑局部(bu)磨損較重的(de)現象。催(cui)化劑入口飛灰(hui)濃(nong)度(du)分(fen)布(bu)是(shi)由SCR整體(ti)煙(yan)(yan)(yan)(yan)道(dao)設計決(jue)定。其中(zhong)由于飛灰(hui)的(de)慣性(xing)遠高于煙(yan)(yan)(yan)(yan)氣(qi)，容(rong)易在(zai)轉角(jiao)煙(yan)(yan)(yan)(yan)道(dao)分(fen)離(li)出主流煙(yan)(yan)(yan)(yan)氣(qi)，上(shang)升煙(yan)(yan)(yan)(yan)道(dao)的(de)上(shang)下轉角(jiao)導流板是(shi)灰(hui)場的(de)重要影(ying)響因(yin)素。具體(ti)見圖(tu)3所示。

圖2原(yuan)始(shi)SCR結構(gou)內流場和灰場分布

圖3催化(hua)劑上方流場分(fen)布

橫梁(liang)結(jie)(jie)構分橫縱(zong)兩(liang)種布置，與氣(qi)流方(fang)向垂直的(de)是(shi)橫梁(liang)結(jie)(jie)構，與氣(qi)流方(fang)向平(ping)行的(de)是(shi)縱(zong)梁(liang)結(jie)(jie)構。橫梁(liang)結(jie)(jie)構主要由“工(gong)”字型鋼和(he)防積灰三(san)角(jiao)（三(san)角(jiao)筋）組成(cheng)。其中，“工(gong)”字型鋼主要起承重(zhong)作(zuo)(zuo)用；防積灰三(san)角(jiao)的(de)主要作(zuo)(zuo)用就是(shi)防止飛灰顆粒因慣性及離心力作(zuo)(zuo)用跟隨氣(qi)流積聚在(zai)后(hou)墻側，對靠后(hou)墻側的(de)催化劑造成(cheng)嚴重(zhong)磨損(sun)。

綜上(shang)所述，隨即提出兩條措施進(jin)行整(zheng)改(gai)：一是對整(zheng)流格柵進(jin)行改(gai)造，具體為將防(fang)積灰三(san)(san)角即三(san)(san)角筋切除；二是對上(shang)升煙道上(shang)下轉角煙道的導流板(ban)進(jin)行改(gai)造。

4數(shu)值模擬結果及分析

橫梁結構中(zhong)設計三(san)角筋，其目(mu)的是控制飛(fei)灰顆粒(li)向后墻(qiang)聚集，防止嚴重磨損后墻(qiang)的催(cui)化劑，但卻(que)對煙道內的流(liu)場造成了破壞。圖4是切除三(san)角筋后流(liu)場和灰場的分布(bu)。

導(dao)(dao)流(liu)板(ban)(ban)的(de)(de)數目(mu)對脫(tuo)硝(xiao)(xiao)反應器(qi)入口(kou)的(de)(de)煙(yan)氣速(su)度(du)有直接(jie)影響(xiang)，當導(dao)(dao)流(liu)板(ban)(ban)較(jiao)多時(shi)(shi)，煙(yan)氣速(su)度(du)較(jiao)小，煙(yan)氣與(yu)催化劑(ji)接(jie)觸(chu)時(shi)(shi)間(jian)增(zeng)加，提高了脫(tuo)硝(xiao)(xiao)效(xiao)率(lv)；但是導(dao)(dao)流(liu)板(ban)(ban)過(guo)(guo)多時(shi)(shi)，煙(yan)氣與(yu)催化劑(ji)接(jie)觸(chu)時(shi)(shi)間(jian)過(guo)(guo)長，可能會(hui)(hui)發(fa)生氮氧化物的(de)(de)氧化反應，另外煙(yan)道的(de)(de)阻力會(hui)(hui)上升，風機單耗(hao)也會(hui)(hui)升高；當導(dao)(dao)流(liu)板(ban)(ban)較(jiao)少時(shi)(shi)，不能很好的(de)(de)發(fa)揮導(dao)(dao)流(liu)作用(yong)，煙(yan)氣速(su)度(du)較(jiao)大，煙(yan)氣與(yu)催化劑(ji)接(jie)觸(chu)時(shi)(shi)間(jian)短，脫(tuo)硝(xiao)(xiao)效(xiao)率(lv)低。原脫(tuo)硝(xiao)(xiao)系統在煙(yan)道上下轉角分別(bie)設計了2塊(kuai)(kuai)導(dao)(dao)流(liu)板(ban)(ban)，改(gai)造時(shi)(shi)分別(bie)采(cai)用(yong)4塊(kuai)(kuai)導(dao)(dao)流(liu)板(ban)(ban)進(jin)行模擬。效(xiao)果見圖(tu)5所示。

圖(tu)4改造三角(jiao)筋(jin)后的(de)流場和灰場分布

圖5改造上(shang)下轉角導流板后的流場和(he)灰場分布(bu)

由圖(tu)可知，通(tong)過(guo)改造上下轉角導流板(ban)，改造后SCR整體沿程(cheng)煙(yan)道(dao)的流場(chang)(chang)和灰場(chang)(chang)均得(de)到改善，特別是催化(hua)劑前飛灰分布均勻性顯著提高。

圖6是上下轉(zhuan)角導流(liu)板改(gai)造前、后截面3上（位(wei)置見圖4）飛灰濃(nong)度及平均(jun)粒徑沿著Y方向（煙道深度方向）的(de)分(fen)布。

圖6截面3上(shang)飛灰顆(ke)粒數(shu)目及(ji)平均(jun)粒徑分布

由(you)圖6可知，經過改造(zao)，第一組鋼(gang)梁(liang)前(qian)至(zhi)SCR反(fan)應器前(qian)墻位置的(de)飛(fei)灰(hui)顆粒(li)數目及粒(li)徑的(de)高峰區被(bei)抹平(ping)，證明該位置的(de)高濃(nong)度飛(fei)灰(hui)區被(bei)有(you)效的(de)消(xiao)除。

催(cui)(cui)化劑的磨(mo)損(sun)(sun)取決(jue)(jue)于上(shang)方飛(fei)灰(hui)顆粒(li)撞擊催(cui)(cui)化劑的作用力(li)，而作用力(li)受催(cui)(cui)化劑上(shang)方飛(fei)灰(hui)攜帶(dai)動(dong)量決(jue)(jue)定。而區域(yu)內飛(fei)灰(hui)的速度和(he)質量分布決(jue)(jue)定了(le)該區域(yu)飛(fei)灰(hui)攜帶(dai)的動(dong)量。因此，本項目將飛(fei)灰(hui)攜帶(dai)動(dong)量的均勻性作為衡量催(cui)(cui)化劑磨(mo)損(sun)(sun)分布的依據，圖(tu)7為改造(zao)上(shang)下轉角導流板前(qian)、后(hou)催(cui)(cui)化劑上(shang)方飛(fei)灰(hui)顆粒(li)動(dong)量分布。

圖7改造上下(xia)轉(zhuan)角(jiao)導(dao)流(liu)板前、后催化劑上方飛(fei)灰顆粒動量分布(bu)

由圖7可知，在將飛(fei)灰(hui)濃度場調勻后，催化(hua)劑上方飛(fei)灰(hui)動量(liang)峰(feng)值效應得(de)到明顯減弱，若結合流(liu)場的鋼梁改造，有能力將所有區域動量(liang)降至10mg·m/s以下。

5結論及展望

(1)催化劑上(shang)方三角(jiao)筋和工字鋼結構在(zai)緊(jin)挨催化劑的SCR反應器煙道，它是(shi)催化劑入口流場影響的重要因素。

(2)催化劑入口(kou)飛灰(hui)濃(nong)度分布(bu)是(shi)(shi)由SCR整(zheng)體煙道設計(ji)決定，其中，上(shang)升煙道上(shang)下轉角(jiao)導(dao)流板是(shi)(shi)灰(hui)場(chang)的重(zhong)要影(ying)響(xiang)因素。

(3)通過(guo)數(shu)值模擬計算的方(fang)法，對(dui)脫硝系統內(nei)局部(bu)進行(xing)改(gai)造，可(ke)以模擬改(gai)造后(hou)煙道內(nei)流場、灰場的分布，對(dui)于(yu)解決催化劑磨損、脫硝效(xiao)率低等問題極具參考價值。