660MW機組SCR催化劑磨損分析及優化

趙大周，何 勝，鄭文廣，張 鑫，司風琪

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.東南大學能源與環境學院，江蘇南京210096）

660MW機組SCR催化劑磨損分析及優化

趙大周1，何 勝1，鄭文廣1，張 鑫1，司風琪2

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.東南大學能源與環境學院，江蘇南京210096）

建立了某660MW燃煤機組三維SCR反應器模型，通過模型研究了飛灰在反應器內的分布規律。模擬發現：飛灰易富集于反應器內前墻位置并造成前墻位置催化劑磨損，這與催化劑抽檢實現相吻合。提出了上轉角煙道導流板的優化設計，可提高首層催化劑入口飛灰分布的均勻性。

SCR；飛灰；催化劑

0 引言

NOx是主要大氣污染物之一，對環境造成嚴重的危害。選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）煙氣脫硝技術因其脫硝效率高、技術成熟，在燃煤電站中得到廣泛應用[1]。對于SCR法而言，催化劑是其核心[2]，而現役機組SCR投運一段時間后，催化劑磨損的問題日益突出。催化劑的磨損會降低其機械壽命，影響脫硝性能，因此對催化劑磨損問題的研究意義重大。

本文通過數值模擬的方法對某電廠SCR上層催化劑磨損的原因進行模擬分析，合理的解釋了現場催化劑磨損現象，并給出了優化措施。

1 機組概況

該廠SCR采用高塵布置方式，單爐雙SCR結構體，在反應器入口垂直煙道下方設有脫硝灰斗，不設反應器旁路。脫硝裝置主要分為三個部分：尿素溶液制備區、SCR反應區以及進出口煙道區。

SCR投運約兩年后，應器出口NOx排放量增大，脫硝效率降低。為分析其原因，在該廠機組停運檢修期間，對SCR首層催化劑80個單元模塊進行檢測，抽檢結果如圖1所示。

圖1 催化劑磨損分布圖

由此次抽檢結果可看出：催化劑磨損較為嚴重的區域集中在第1~4排，即靠近前墻位置。磨損最嚴重的地方催化劑單元幾乎磨光。為深入了解催化劑磨損的原因，本文通過數值模擬的方法進行研究分析。

2 模型的建立

2.1 幾何模型

CFD幾何模型根據電廠提供的SCR系統施工圖等比例建立，模型如圖3所示。采用Gambit軟件對模型進行網格劃分，規則直煙道采用規則六面體網格，幾何形狀復雜或帶有內置結構的煙道采用非規則四面體網格，整個模型的網格數量約700萬。

圖2 催化劑磨損圖

2.2 數學模型

湍流模型選擇標準k-ε模型，兩層催化劑以多孔介質模型替代，速度與壓力的耦合采用Simple算法。飛灰在反應器內的運動采用離散項模型（Discrete Phase Model，DPM），飛灰受力僅考慮自身重力及拽力。

圖3 反應器示意圖

圖4 模型網格劃分

3 邊界條件與模型的簡化

3.1 邊界條件

煙氣入口速度為充分發展的湍流，反應器出口為壓力出口條件。動量方程、能量方程均采用二階迎風格式以提高計算精度，以BMCR工況為算例，反應器入口邊界條件見表1。

表1 反應器入口邊界條件

3.2 模型的簡化與假設

本文模型在模擬計算時做了以下簡化與假設：

（1）忽略反應器內對脫硝反應影響不大的支撐桿、支撐梁等內部構件。

（2）認為SCR反應器入口速度分布均勻。

（3）忽略化學反應對流動產生的影響。

（4）假設飛灰顆粒與反應器壁面及導流板碰撞后發生反彈。

4 模擬結果及討論

4.1 原始模型飛灰分布規律

模型中飛灰濃度的分布如圖5所示。由圖5可看出，反應器內的飛灰主要集中于前墻位置。這有兩方面的原因：一方面，含塵煙氣在經過上轉角時，粒徑較大的飛灰顆粒受離心力的作用與煙氣發生分離富集于前墻位置；另一方面，由于上轉角導流板水平段的阻擋作用也使得飛灰易沉積在前墻位置。

圖5 飛灰濃度分布圖

圖6 上轉角導流板對飛灰運動的影響

圖7 導流板優化

富集于前墻位置的飛灰對催化劑造成沖刷撞擊，從而導致該區域的催化劑磨損嚴重，這一點與催化劑抽檢實驗相吻合，也說明了數值模擬的可靠性。

圖8 反應器各截面NH3分布圖

4.2 優化模型飛灰分布規律

煙道內導流板起到整流的作用，但其同樣會對飛灰顆粒的運動造成影響[3~6]，由上述分析可知上轉角煙道處導流板不合理的布置是導致飛灰富集于前墻的原因之一。為此本文改變上轉角煙道處導流板的形狀結構以改善飛灰局部富集的現象，優化設計如圖7所示。

優化改善導流板形狀結構以后的模擬結果如圖8所示。由圖可看出首層催化劑入口飛灰濃度分布的均勻性明顯得到提高。

5 結語

本文建立了某電站SCR三維數值模型，研究了上層催化劑磨損的原因，模擬發現：由于上轉角煙道處導流板的不合理布置使得飛灰富集于反應器前墻位置，高濃度的飛灰顆粒對前墻位置的催化劑造成磨損，數值模擬結果與催化劑抽檢實驗相吻合。通過對上轉角煙道處導流板改造可提高進入催化劑層飛灰濃度的均勻性，防止催化劑局部磨損嚴重。

[1]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

[2]張強.燃煤電站SCR煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3]朱天宇，李德波，方慶艷，等.燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝系統流場優化的數值模擬[J].動力工程學報，2015，35（246）：481~488.

[4]YY Xu，Y Zhang，FN Liu，et al.CFD analysis on the catalyst layer breakage failure of an SCR De-NOx system for a 350MW coal-fired power plant[J]. Computers&Chemical Engineering，2014，69（3）：119~127.

[5]鄧靜杰，韋紅旗，仲亞飛.670MW機組SCR脫硝催化劑磨損的研究分析[J].電站系統工程，2015，31（4）：58~63.

[6]盛波，韋紅旗，朱亞迪.脫硝系統內橫梁結構對催化磨損的影響[J]. 2015，35（6）：489~495.

Wear Analysis and Optimization of 660MW Unit SCR Catalyst

ZHAO Da-zhou1，HE Sheng1，ZHENG Wen-guang1，ZHANG Xin1，SI Feng-qi2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China）

A three-dimensional SCR reactor model of 660MW coal fired unit was established.The distribution of fly ash within the reactor was studied by the model.The results show that：the fly ash was enrichment at the front wall and then erosion the catalyst，this is consistent with the catalyst sampling.A optimization design method of the guide plate at upper corner was proposed，the distribution of fly ash uniformity at the entrance of first layer catalyst can be improved.

SCR；fly ash；catalyst

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.011

X701

B

2095-3429（2015）06-0038-03

2015-10-10

修回日期：2015-12-11

趙大周（1990-），男，山東棗莊人，碩士，研究方向：燃煤電廠大氣污染物的控制。