電站鍋爐SCR系統改造前后數值模擬分析

摘要：以某電站鍋爐脫硝系統為例，對催化劑磨損、脫硝效率低等問題進行分析研究，通過數值模擬計算的方法，確定煙道內流場及灰場分布，對上述問題影響較大，最后提出對三角筋及導流板進行改造，極大地改善了氣流和灰場的分布，減輕了催化劑的磨損，確保脫硝系統安全、可靠、經濟運行。

隨著電力生產的高速發展，能源消耗劇增，隨之而來的環境污染也日趨嚴重，能源問題和環境問題已成為社會與經濟發展的重要問題之一。在此大背景下，電力行業已經開始全面推行燃煤機組超低排放改造，要求NOx排放濃度嚴格控制在50mg/Nm3以下，為此對SCR系統提出更為嚴苛的要求。為了應對上述環保壓力，需要在原有備用層位置加裝一層催化劑，這種三層催化劑運行方式會在煙氣流場、催化劑磨損、脫硝效率低等方面帶來新的問題。

隨著計算流體動力學CFD技術的不斷進步，國內外很多廠家都在脫硝反應器設計中涉及流體流動、熱交換、化學反應等現象應用CFD技術進行數值模擬。數值模擬不僅可以得到和冷態試驗同一標準的流動特性，還可精確地對煙氣的溫度分布、NOx分布、NH3/NOx分布以及飛灰濃度分布進行預測。針對脫硝系統催化劑局部磨損嚴重的問題，利用數值模擬計算的方式尋求最優改造策略，避免局部催化劑磨穿失效導致脫硝效率下降、氨逃逸上升等問題，從整體上提高脫硝系統的性能。

1鍋爐概況

某公司#1機組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司制造的超臨界參數變壓運行直流爐，其型號為DG1160.5/17.4-Ⅱ13，一次中間再熱、四角切圓燃燒、單爐膛、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、平衡通風、露天布置、Π型鍋爐。鍋爐煙氣脫硝裝置采用“高含塵布置方式”的選擇性催化還原法，在設計煤種、鍋爐最大工況、處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于85%，脫硝裝置出口NOx濃度不高于50mg/Nm3（6%氧含量，干煙氣），布置3層催化劑。脫硝系統結構設計見圖1所示。

圖1SCR系統結構示意圖

煙氣從省煤器出口進入漸擴段煙道，經下轉角煙道進入垂直的上升煙道，在其中和還原劑氨混合，經上轉角段煙道、整流格柵和鋼梁進入催化劑層。

2數學模型和計算方法

2.1數學模型

由于整個脫硝系統不涉及換熱，故作為絕熱過程來進行模擬，煙氣的溫度不變，從而相關的物理參數也取常數。脫硝入口設置為速度入口邊界，假設入口處流速分布均勻，脫硝出口設置為壓力出口邊界，按照常規運行值進行設定。采用修正k??模型模擬氣體湍流流動，采用物質輸運模型模擬多種物質的混合，采用拉格朗日-顆粒隨機軌道模型模擬飛灰顆粒的運行，相關的具體值見表1所示。

表1數值模擬主要參數設定

2.2計算方法

k方程

3SCR煙道內主要界面流場和灰場分布及改造方案

為了弄清煙氣和飛灰在SCR煙道內的流動特性，通過數值模擬的計算方法模擬出SCR煙道內主要截面流場和灰場分布，如圖2所示。

由圖2可知，煙氣速度大的位置主要集中在兩組橫梁的梁前，飛灰濃度大的位置主要集中在前墻和第一組鋼梁之間。因此，第一組鋼梁前至SCR反應器前墻位置煙氣流速和飛灰濃度均處于較高水平，造成這一位置催化劑磨損強度較大，因此，本次模擬改造方案是通過優化催化劑入口的流場和灰場，達到減弱催化劑局部磨損較重的現象。催化劑入口飛灰濃度分布是由SCR整體煙道設計決定。其中由于飛灰的慣性遠高于煙氣，容易在轉角煙道分離出主流煙氣，上升煙道的上下轉角導流板是灰場的重要影響因素。具體見圖3所示。

圖2原始SCR結構內流場和灰場分布

圖3催化劑上方流場分布

橫梁結構分橫縱兩種布置，與氣流方向垂直的是橫梁結構，與氣流方向平行的是縱梁結構。橫梁結構主要由“工”字型鋼和防積灰三角（三角筋）組成。其中，“工”字型鋼主要起承重作用；防積灰三角的主要作用就是防止飛灰顆粒因慣性及離心力作用跟隨氣流積聚在后墻側，對靠后墻側的催化劑造成嚴重磨損。

綜上所述，隨即提出兩條措施進行整改：一是對整流格柵進行改造，具體為將防積灰三角即三角筋切除；二是對上升煙道上下轉角煙道的導流板進行改造。

4數值模擬結果及分析

橫梁結構中設計三角筋，其目的是控制飛灰顆粒向后墻聚集，防止嚴重磨損后墻的催化劑，但卻對煙道內的流場造成了破壞。圖4是切除三角筋后流場和灰場的分布。

導流板的數目對脫硝反應器入口的煙氣速度有直接影響，當導流板較多時，煙氣速度較小，煙氣與催化劑接觸時間增加，提高了脫硝效率；但是導流板過多時，煙氣與催化劑接觸時間過長，可能會發生氮氧化物的氧化反應，另外煙道的阻力會上升，風機單耗也會升高；當導流板較少時，不能很好的發揮導流作用，煙氣速度較大，煙氣與催化劑接觸時間短，脫硝效率低。原脫硝系統在煙道上下轉角分別設計了2塊導流板，改造時分別采用4塊導流板進行模擬。效果見圖5所示。

圖4改造三角筋后的流場和灰場分布

圖5改造上下轉角導流板后的流場和灰場分布

由圖可知，通過改造上下轉角導流板，改造后SCR整體沿程煙道的流場和灰場均得到改善，特別是催化劑前飛灰分布均勻性顯著提高。

圖6是上下轉角導流板改造前、后截面3上（位置見圖4）飛灰濃度及平均粒徑沿著Y方向（煙道深度方向）的分布。

圖6截面3上飛灰顆粒數目及平均粒徑分布

由圖6可知，經過改造，第一組鋼梁前至SCR反應器前墻位置的飛灰顆粒數目及粒徑的高峰區被抹平，證明該位置的高濃度飛灰區被有效的消除。

催化劑的磨損取決于上方飛灰顆粒撞擊催化劑的作用力，而作用力受催化劑上方飛灰攜帶動量決定。而區域內飛灰的速度和質量分布決定了該區域飛灰攜帶的動量。因此，本項目將飛灰攜帶動量的均勻性作為衡量催化劑磨損分布的依據，圖7為改造上下轉角導流板前、后催化劑上方飛灰顆粒動量分布。

圖7改造上下轉角導流板前、后催化劑上方飛灰顆粒動量分布

由圖7可知，在將飛灰濃度場調勻后，催化劑上方飛灰動量峰值效應得到明顯減弱，若結合流場的鋼梁改造，有能力將所有區域動量降至10mg·m/s以下。

5結論及展望

(1)催化劑上方三角筋和工字鋼結構在緊挨催化劑的SCR反應器煙道，它是催化劑入口流場影響的重要因素。

(2)催化劑入口飛灰濃度分布是由SCR整體煙道設計決定，其中，上升煙道上下轉角導流板是灰場的重要影響因素。

(3)通過數值模擬計算的方法，對脫硝系統內局部進行改造，可以模擬改造后煙道內流場、灰場的分布，對于解決催化劑磨損、脫硝效率低等問題極具參考價值。