660MW机组SCR催化剂磨损分析及优化

赵大周，何 胜，郑文广，张 鑫，司风琪

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.东南大学能源与环境学院，江苏南京210096）

660MW机组SCR催化剂磨损分析及优化

赵大周1，何 胜1，郑文广1，张 鑫1，司风琪2

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.东南大学能源与环境学院，江苏南京210096）

建立了某660MW燃煤机组三维SCR反应器模型，通过模型研究了飞灰在反应器内的分布规律。模拟发现：飞灰易富集于反应器内前墙位置并造成前墙位置催化剂磨损，这与催化剂抽检实现相吻合。提出了上转角烟道导流板的优化设计，可提高首层催化剂入口飞灰分布的均匀性。

SCR；飞灰；催化剂

0 引言

NOx是主要大气污染物之一，对环境造成严重的危害。选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）烟气脱硝技术因其脱硝效率高、技术成熟，在燃煤电站中得到广泛应用[1]。对于SCR法而言，催化剂是其核心[2]，而现役机组SCR投运一段时间后，催化剂磨损的问题日益突出。催化剂的磨损会降低其机械寿命，影响脱硝性能，因此对催化剂磨损问题的研究意义重大。

本文通过数值模拟的方法对某电厂SCR上层催化剂磨损的原因进行模拟分析，合理的解释了现场催化剂磨损现象，并给出了优化措施。

1 机组概况

该厂SCR采用高尘布置方式，单炉双SCR结构体，在反应器入口垂直烟道下方设有脱硝灰斗，不设反应器旁路。脱硝装置主要分为三个部分：尿素溶液制备区、SCR反应区以及进出口烟道区。

SCR投运约两年后，应器出口NOx排放量增大，脱硝效率降低。为分析其原因，在该厂机组停运检修期间，对SCR首层催化剂80个单元模块进行检测，抽检结果如图1所示。

图1 催化剂磨损分布图

由此次抽检结果可看出：催化剂磨损较为严重的区域集中在第1~4排，即靠近前墙位置。磨损最严重的地方催化剂单元几乎磨光。为深入了解催化剂磨损的原因，本文通过数值模拟的方法进行研究分析。

2 模型的建立

2.1 几何模型

CFD几何模型根据电厂提供的SCR系统施工图等比例建立，模型如图3所示。采用Gambit软件对模型进行网格划分，规则直烟道采用规则六面体网格，几何形状复杂或带有内置结构的烟道采用非规则四面体网格，整个模型的网格数量约700万。

图2 催化剂磨损图

2.2 数学模型

湍流模型选择标准k-ε模型，两层催化剂以多孔介质模型替代，速度与压力的耦合采用Simple算法。飞灰在反应器内的运动采用离散项模型（Discrete Phase Model，DPM），飞灰受力仅考虑自身重力及拽力。

图3 反应器示意图

图4 模型网格划分

3 边界条件与模型的简化

3.1 边界条件

烟气入口速度为充分发展的湍流，反应器出口为压力出口条件。动量方程、能量方程均采用二阶迎风格式以提高计算精度，以BMCR工况为算例，反应器入口边界条件见表1。

表1 反应器入口边界条件

3.2 模型的简化与假设

本文模型在模拟计算时做了以下简化与假设：

（1）忽略反应器内对脱硝反应影响不大的支撑杆、支撑梁等内部构件。

（2）认为SCR反应器入口速度分布均匀。

（3）忽略化学反应对流动产生的影响。

（4）假设飞灰颗粒与反应器壁面及导流板碰撞后发生反弹。

4 模拟结果及讨论

4.1 原始模型飞灰分布规律

模型中飞灰浓度的分布如图5所示。由图5可看出，反应器内的飞灰主要集中于前墙位置。这有两方面的原因：一方面，含尘烟气在经过上转角时，粒径较大的飞灰颗粒受离心力的作用与烟气发生分离富集于前墙位置；另一方面，由于上转角导流板水平段的阻挡作用也使得飞灰易沉积在前墙位置。

图5 飞灰浓度分布图

图6 上转角导流板对飞灰运动的影响

图7 导流板优化

富集于前墙位置的飞灰对催化剂造成冲刷撞击，从而导致该区域的催化剂磨损严重，这一点与催化剂抽检实验相吻合，也说明了数值模拟的可靠性。

图8 反应器各截面NH3分布图

4.2 优化模型飞灰分布规律

烟道内导流板起到整流的作用，但其同样会对飞灰颗粒的运动造成影响[3~6]，由上述分析可知上转角烟道处导流板不合理的布置是导致飞灰富集于前墙的原因之一。为此本文改变上转角烟道处导流板的形状结构以改善飞灰局部富集的现象，优化设计如图7所示。

优化改善导流板形状结构以后的模拟结果如图8所示。由图可看出首层催化剂入口飞灰浓度分布的均匀性明显得到提高。

5 结语

本文建立了某电站SCR三维数值模型，研究了上层催化剂磨损的原因，模拟发现：由于上转角烟道处导流板的不合理布置使得飞灰富集于反应器前墙位置，高浓度的飞灰颗粒对前墙位置的催化剂造成磨损，数值模拟结果与催化剂抽检实验相吻合。通过对上转角烟道处导流板改造可提高进入催化剂层飞灰浓度的均匀性，防止催化剂局部磨损严重。

[1]孙克勤，钟秦.火电厂烟气脱硝技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]张强.燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3]朱天宇，李德波，方庆艳，等.燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统流场优化的数值模拟[J].动力工程学报，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]邓静杰，韦红旗，仲亚飞.670MW机组SCR脱硝催化剂磨损的研究分析[J].电站系统工程，2015，31（4）：58~63.

[6]盛波，韦红旗，朱亚迪.脱硝系统内横梁结构对催化磨损的影响[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

赵大周（1990-），男，山东枣庄人，硕士，研究方向：燃煤电厂大气污染物的控制。