脱硝反应器内烟气与飞灰分布差异的数值模拟

北极星环保网讯:火电SCR脱硝反应器催化剂层积灰现象是影响脱硝性能和安全运行的重要因素之一，而传统工程导流设计方法中飞灰浓度场的分布易被忽视。以某600MW机组脱硝装置实际积灰情况为例，运用多相流体力学模拟方法建立多相流模型，研究了反应器内烟气流场及飞灰浓度场的分布特征，并通过增设导流板的方式对烟气及飞灰流动状态进行了优化调整。

研究结果表明，飞灰浓度场分布均匀性随飞灰颗粒的粒径和真密度增加而下降，飞灰颗粒浓度或真密度较高工况极易造成催化剂层积灰堵塞，导致故障。在制定脱硝装置导流设计方案时，应论证烟气和飞灰的均布性，以确保装置安全高效投运。

随着中国对氮氧化物（NOx）排放控制的日益重视，SCR烟气脱硝技术在火电行业已得到大规模的应用。燃煤电厂目前采用的高尘布置方式易造成催化剂的磨损及孔道堵塞。脱硝反应器的合理化设计中重点关注的是烟气流场的分布状况，并假设飞灰浓度分布与烟气流场保持一致，不再专门模拟飞灰的浓度分布。

然而，调查实际运行的SCR脱硝反应器内飞灰沉积情况时发现，烟气流场分布基本均匀，但催化剂层截面上飞灰的堆积位置却有明显差异，由此引发的严重积灰案例屡见不鲜。本文结合工程案例建立1∶1计算模型，采用多相流体力学模拟方法进行计算模拟，考察烟气流场及飞灰浓度场的分布特性。

1实际SCR脱硝反应器内积灰现象

某燃煤电厂600MW机组SCR烟气脱硝系统采用18×18孔蜂窝式脱硝催化剂，反应器截面尺寸为14140mm×12000mm，单个反应器烟气处理量为2540000m3/h（BMCR工况实际含氧量），飞灰质量浓度为46g/m3，采用声波吹灰。于停炉检修期间进入反应器内部对催化剂运行情况进行勘察，发现催化剂上层朝向锅炉一侧存在严重的积灰堵塞现象（见图1）。

图1首层催化剂层朝向锅炉侧积灰情况

而在背向锅炉的一侧以及反应器的中部，催化剂上层积灰量相对较少。整个反应器内的积灰很不均匀，一方面会堵塞催化剂层的部分流通孔道，使得部分催化剂实际上起不到烟气脱硝的效果，从而降低系统脱硝效率；另一方面会扰乱反应器内流场分布，增加未堵塞催化剂孔道内的流速，加剧催化剂磨损速率，同时也会增大系统整体压力损失，给脱硝系统的安全运行造成隐患。

2反应器内烟气流场及飞灰分布模拟

针对SCR脱硝反应器的结构和实际运行状况，本文利用计算流体力学（CFD）软件Ansysfluent构建了脱硝反应器流场计算模型，并开展了数值模拟研究。所构建的脱硝反应器模型如图2所示。

图2：SCR脱硝反应器CFD模型示意

CFD模拟区域包括从省煤器出口水平烟道至脱硝反应器出口之间的流动空间。由图1可知，原反应器中共设有2组导流板及1组整流格栅，以调节空间内的流场分布。计算参数的设置参考了该电厂脱硝反应器入口的实际烟气工况条件，其中烟气主要组分及含量如表1所示。

表1脱硝反应器入口烟气组分

设置省煤器后水平烟道入口面为入口（inlet）边界，入口面尺寸为12m×4.800m，入口烟气流速为12.26m/s，温度为387℃，静压为97388Pa。飞灰质量浓度为46g/m3，粒径分布范围为10~300μm，飞灰真密度为2.3g/cm3。脱硝反应器出口面设置为出口（outflow）边界，其他壁面、管道及导流叶片设置为绝热固壁边界。

对催化剂层采用多孔介质模型进行模拟，其开孔率设置为0.72，烟气阻力设计值与实际的蜂窝式烟气脱硝催化剂一致。对于连续相的烟气采用k-ε湍流模型封闭N-S方程；对于粉尘非连续相则采用颗粒轨道（DPM）模型。

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