引言SCR脱硝技术相较于现有的脱硝手段具有技术成熟、脱除效率高和经济性好等优点，因此被广泛应用于大型燃煤电站锅炉[1]。催化剂是SCR脱硝设备的重要组成部件，对脱硝设备初投资及NOx脱除效果具有重要影响。国内燃煤电厂普遍掺烧劣质煤种，另外锅炉运行工况多变，使得锅炉烟气中飞灰含量高、硬度大且成分复杂，SCR脱硝催化剂磨损严重[2]。催化剂磨损过度导致SCR脱硝设备出现氨逃逸率高、NOx排放不稳定等问题，严重影响脱硝设备的安全经济运行，因此催化剂磨损问题逐渐受到关注。目前，针对脱硝催化剂磨损问题已有大量研究。陈鸿伟[3]等采用Fluent软件，对不同烟气流速和入射角对单孔催化剂磨损情况进行分析。Park[4]等和Heiredal[5]等分别建立SCR催化剂单孔气体通道的飞灰磨损和沉积模型。安敬学[6]等通过数值模拟发现磨损主要由于催化剂入口飞灰颗粒不均匀，靠前墙侧飞灰浓度较大引起。金理鹏[7]等通过研究发现选择较低的烟气流速可减轻飞灰的冲蚀磨损。文中基于Fluent软件，采用宏观与微观相结合的方法，对某600 MW燃煤锅炉SCＲ脱硝催化剂进行研究。并结合Tabakoff气固两相流磨损模型对催化剂磨损情况关键因素进行分析，为指导SCR脱硝反应器的设计奠定基础。1SCR脱硝系统内烟气流场的数值模拟1.1研究对象研究对象为内蒙古某电厂600 MW亚临界燃煤锅炉的SCR脱硝系统单侧反应器。入口为4.8 m×9 m的水平烟道。反应器本体截面尺寸为9.8 m×14.9 m，内部设有挡板门、导流板、整流栅和催化剂。其中催化剂共3层，层间距3.3 m，首层催化剂上部3.8 m处布置整流格栅。导流板分别布置于反应器的入口水平烟道、竖直烟道及出口烟道，共计10组。反应器结构简图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F001图1SCR脱硝设备结构简图1.2SCR反应器内流体流动模型烟道内流体的质量守恒及能量守恒方程采用三维稳态黏性RANS方程。湍流流动过程采用标准k-ε双方程湍流模型，且近壁区处理采用加强的壁面函数法。通用表达形式如下：∂(ρϕ)∂t+div(ρuϕ)=divΓgradϕ+S （1）催化剂是SCR反应器的核心部件，但考虑到计算机硬件条件的制约，将催化剂按多孔介质区域进行计算。多孔介质模型阻力公式为：Δp=-μvα+C2ρv22Δm （2）式中：ρ——烟气密度，取值为1.293 kg/m3；α——多孔介质渗透率；μ——黏性系数；C2——压力跳跃系数；Δm——气流分布板厚度，m。1.3边界条件设置采用ICEM CFD网格划分软件创建SCR反应器几何模型并进行有限体积划分。经网格无关性核算，计算模型总网格单元数量为3 500万。系统入口设为速度入口，出口为平均压力。湍流参数通过湍流强度与水力直径计算得出。采用耦合隐式算法进行代数方程组计算，为加快计算收敛速度引入代数多重网格算法。边界条件按照锅炉机组处于75%负荷时烟气条件进行设定，设定参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.T001表1边界条件设定参数名称数值省煤器出口实际烟气流量/（m3/h）4 148 325省煤器出口标态烟气量/（m3/h）1 632 105省煤器出口烟气温度/℃340省煤器出口烟气密度/（kg/m3）0.63脱硝反应器入口NOx浓度（90%NO+10%NO2）/（mg/m3）400稀释风机流量/（m3/h）5 043氨气流量/（m3/h）712流场测试与模型准确性验证为验证数值模拟的正确性，分别于SCR脱硝设备中水平烟道（S1）和催化剂上方（S2）选取平面，并采用皮托管流量计对烟气流速进行测量。测试平面具体位置如图2所示。因SCR脱硝系统烟道内扰流严重，流场分布极为不均，因此某一点的测量结果不能作为测量平面的特征数值。故按照一定规则将测试平面网格化，并对各节点处的烟气流速进行测量。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F002图2测试平面布置图采用数值计算的方法进行试验验证，机组功率为450 MW时，垂直S1平面的速度测试结果绘制如图3所示。由图3可知，不同测点处相同深度的烟气流速基本相同，且各测孔烟气流速随深度的变化趋势基本一致，说明在同一水平方向烟气流速均匀分布。进口烟道内垂直S1平面的烟气流速由浅到深逐渐增大，且最高流速达19.57 m/s，明显大于450 MW负荷时设计流速11.3 m/s，甚至大于600 MW时设计流速15 m/s。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F003图3S1平面烟气流速测量结果为验证仿真结果的正确性选用S1平面中A2的测量与模拟结果汇总如图4所示。由图4可知，数值计算与实测结果数值略有差距，该误差主要原因是测量过程中无法保证来流方向与测试方向完全一致，但测量数值的变化趋势与仿真结果基本一致。当机组功率为450 MW时，垂直S2平面的速度测试结果如图5所示。由图5可知，不同测点相同深度处烟气流速存在明显差异，但相同深度的各点数据变化趋势基本一致，说明此平面处烟气流速水平方向（南北）上分布不均。且进口烟道内垂直S2平面的烟气流速由浅到深逐渐降低，最高流速超过9 m/s，明显大于100%负荷时设计流速4~5 m/s。将S2中深度为1.8 m的各点测量与模拟结果汇总，结果如图6所示。由图6可知，试验测试数据与实测数据在趋势、数值上基本一致，该结果也从侧面证明仿真模型的正确性，说明仿真结果可真实反映实际情况。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F004图4S1平面烟气流速测量结果10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F005图5S2平面烟气流速测量结果10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F006图6S2截面试验测试与计算结果对比3催化剂磨损关键因素分析3.1催化剂实际磨损情况为准确分析该机组催化剂磨损的实际情况，在机组大修期间对催化剂的形态进行研究。实际磨损情况如图7所示。由图7可知，与图片上下方向垂直位置的催化剂出现较为明显的磨损，但与图片上下方向平行布置的催化剂磨损较轻，且与图片上下方向平行布置的催化剂出现磨损的位置基本处于同一水平线上，说明催化剂磨损具有一定的方向性。对SCR反应器内催化剂的磨损情况进行统计，统计结果如图8所示。由图8可知，机组磨损的区域较为集中，均集中于烟道西北侧，且发现烟道大致以东西方向中轴线为界，中轴线南侧磨损数量明显较北侧少。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F007图7催化剂实际磨损情况10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F008图8催化剂磨损情况统计图3.2Tabakoff模型Tabakoff在测量用煤灰撞击金属壁面造成磨损的基础上，提出包括颗粒碰撞速度和角度在内多个参数的磨损经验方程。磨损率E定义为壁面材料损失的质量与碰撞颗粒的质量之比。目前该模型被国内外许多研究者用来计算颗粒对壁面的磨损，具体方程如下：E=K1f(β)W2cos2β1-RT2+f(WIN) （3）RT=1-0.001 6Wsinβ （4）f(β)=1+CkK2sin90β0β2 （5）f(WIN)=K3Wsinβ4 （6）式中：W——颗粒碰撞的速度，m/s；β——颗粒碰撞角度，(°)；β0——发生最大磨损时的碰撞角度，(°)；Ck——常数，当β≤3β0时，Ck=1，当β3β0时，Ck=0；K1、K2和K3——由壁面材料决定的常数，K1=1.505×10-6，K2=0.296，K3=5.0×10-12。根据Tabakoff提出的磨损经验方程计算结果如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F009图9磨损速度与攻击角之间的关系由图9可知，材料磨损率与烟气流速存在正相关，同时磨损率也受粒子攻角的影响，当粒子攻角α=30°~40°时，材料的磨损率达最大值。由此推断，烟气中流速及流向是影响催化剂磨损的重要因素，因攻击角的存在使催化剂磨损具有一定的方向性，这也验证了催化剂的实际磨损情况。3.3催化及磨损情况分析基于Tabakoff模型和图9中磨损速度与攻击角之间的关系，得出在获得空间内流场速度分布情况后，根据流场与催化剂间攻击角关系，判断催化剂磨损速度情况。通过烟气流速的水平方向分量和竖直方向比值获得该处攻击角和磨损率。为获得该机组烟气流线对SCR反应器内催化剂磨损的影响，分析脱硝催化及上方流场矢量速度分布情况，如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F010图10450 MW数值计算结果由图10可知，SCR反应器内烟气流场较为复杂，水平烟道内底部流线较顶部明显密集，出现该现象主要是烟气经省煤器出口90°转弯，在惯性作用下，使得烟气向下偏斜，导致水平烟道内底部烟气流速明显高于顶部。同理S2平面外侧流速明显高于内侧。流线的分布状况与测量数值分布状况基本吻合，这也在一定程度上印证文中所得到的模拟数值的正确性。同时SCR反应器内侧烟气流速较高，烟气流线与催化剂空隙间的夹角由北向南逐渐降低，且烟道中心线向北烟气攻击角主要集中于30°~60°范围内，而中心线南侧流线攻击角基本接近0，推断该处对于催化剂磨损情况较为严重。为验证这一推断，采用水平方向速度分量分布云图，如图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.015.F011图11催化剂磨损程度与S2截面处总流速度分布图与机组停机期间检查催化剂磨损分布情况（见图8）比对发现，该段烟道烟气流速分布并不均匀，高烟速区域主要集中于烟道西北侧，烟道南侧流速明显低于北侧。通过对比发现，催化剂磨损严重区域与烟气水平方向分量流速大小分布基本吻合，同时烟道内流速较低区域催化剂基本没有磨损情况出现，由此可推断攻击角和烟气流速是影响催化剂磨损的重要原因，且较高的烟气流速和合适的攻击角加剧催化剂的磨损，该推断与Tabakoff理论基本一致。4结语基于Tabakoff磨损理论，通过SCR烟道内烟气流场数值仿真计算，研究烟气速度SCR脱硝催化剂磨损情况的影响，主要结论如下：（1）不易直接获得催化剂磨损情况时，可通过烟气流场的数值计算结合磨损理论判断反应器内催化剂磨损的分布情况。（2）基于Tabakoff磨损理论推断，催化剂磨损速率与烟气流速、速度攻击角大小均存在一定关系，当攻击角处于30°~60°磨损效果最明显。（3）当烟气流速绝对值保持不变时，水平方向分量与数值方向分量越接近磨损效果越明显。由于SCR脱硝催化剂上方数值方向速度分量仍占主导，因此可通过烟气流速水平方向分量大小直观判断各区域相对磨损大小。