0 引 言
氮氧化物(NOx)是重要的大气污染物, 电站燃煤锅炉产生的NOx是我国NOx排放的主要来源之一。NOx对人体、植物、建筑物和环境造成显著的直接或间接危害，降低燃煤锅炉的NOx排放十分紧迫。目前,燃煤锅炉的烟气脱硝技术主要是选择性催化还原法(selective catalytic reduction, SCR)。SCR工艺技术成熟、脱硝效率高、系统运行稳定，被广泛使用。
衡量SCR脱硝系统性能的2个重要指标为脱硝效率和氨逃逸率。除了选择高性能的催化剂，均匀的烟气流场分布是系统设计的关键[1-4]。若SCR脱硝系统流场分布不均，系统的性能将产生影响，导致脱硝反应效率降低、过量喷氨、氨逃逸升高等问题出现。烟道走向确定后，导流板作为烟气导流的关键构件，是保证良好流场分布的关键。
CFD作为流场优化设计的主要手段[5]，在国内外大部分SCR系统的设计优化过程中大量采用[6-8]。利用计算流体力学CFD对SCR系统进行模拟优化,可为脱硝反应器烟道和导流板的设计改进提供重要依据。
某660 MW电厂SCR系统改造后第1层催化剂区域出现了新的积灰和磨损情况。通过CFD模拟优化提出优化改造方案并进行现场改造，改造后再次通过流场测试显示：流场分布更加均匀，有利于系统高效运行。
1 SCR系统概况及存在问题
本文研究对象为河南省某2×660 MW机组，SCR系统为高尘布置，单台炉配对称布置2个反应器。经过烟道扩容改造后，反应器出现了局部大量严重积灰，局部催化剂严重磨损的情况，为了维持出口的NOx浓度，系统整体运行过量喷氨，脱硝效率较低。
运行一段时间后停炉检查，第1层催化剂不同区域分别出现了局部积灰、局部严重磨损的情况，详见图1。
注：红色为磨损区，蓝色为积灰区。
图1 SCR系统第1层催化剂积灰磨损分布
Fig.1 The ash deposition and erosion on the 1st layer of the catalyst
为确定问题原因，根据SCR系统结构及布置，对其进行了流场摸底测试。选择机组640 MW接近设计负荷的情况下对SCR系统进行流场测试，在喷氨格栅上游截面和第1层催化剂上游截面进行现场测试，对不同位置截面的流速分布进行了详细测量。具体的测试位置如图2所示。
图2 现场测试测试位置分布
Fig.2 Test sections’ arrangement of the on site test
喷氨格栅前的流速分布直接影响还原剂氨气和烟气是否混合均匀，催化剂前的流速分布对催化剂的积灰和磨损有直接影响。经过现场测量，喷氨格栅前截面的流速分布如图3所示。催化剂前截面的流速分布如图4所示。
1 m； 
2 m； 
3 m。
注：1侧为远离锅炉中心线方向，9为靠近锅炉中心线方向(下同)，测点间距为1 m。
图3 喷氨格栅前截面的流速分布-现场测试结果
Fig.3 Velocity distribution in upstream of ammonia injecting grille: on site test result
注：Q代表锅炉侧，H代表远离锅炉侧(下同)，测点间距为1 m。
图4 第1层催化剂前截面的流速分布-现场测试结果
Fig.4 Velocity distribution in the section before the 1st layer catalyst: on site test result
对多组测试结果进行统计，喷氨格栅前截面的流速分布CV值为57.6%，第1层催化剂前截面的流速分布CV值为33.1%，分布较不均匀。结合图1和图4，靠近锅炉侧烟气流速明显偏高，相应地,该区域也出现了催化剂磨损的情况，而远离锅炉侧烟气流速较低，相应地出现了大量积灰的情况。测试结果同现场实际存在情况较吻合。造成该问题的原因主要是由于烟道内导流装置设计不佳，导致烟气在烟道内偏流，分布不均，影响了催化剂的性能。
2 SCR系统现有结构流场分析
采用CFD流场模拟的方法，对该SCR系统按照实际结构进行了建模计算，并将计算结果同测试结果进行对比验证，确保CFD计算的计算模型准确性。模拟计算区域为省煤器出口到空预器入口烟道。3D模型如图5所示。
图5 CFD模拟SCR系统3D模型
Fig.5 3D Geometry the CFD model
选取喷氨格栅前和催化剂前2个关键截面作为对比截面，对比现场测试结果分布和CFD模拟结果。喷氨格栅前截面的流速分布见图6，第1层催化剂前截面的流速分布见图7。
图6 喷氨格栅前截面的流速分布-CFD模拟结果
Fig.6 Velocity distribution in upstream of ammonia injecting grille: CFD simulation result
图7 第1层催化剂前截面的流速分布-CFD模拟结果
Fig.7 Velocity distribution in the section before the 1st layer catalyst: CFD result
模拟结果显示，喷氨格栅前截面的流速分布CV值为31.7%，分布较不均匀。通过对比图3和图6现场测试结果和CFD模拟结果，可以看到喷氨格栅前截面的速度分布趋势是吻合的，远离锅炉中心线的烟道流速很高，而靠近锅炉中心线的烟道流速很低。由于设计的烟道导流装置不能使烟气分布较为均匀，导致烟气在烟道内偏向一侧，直接影响整体的反应效率。
此外，根据模拟结果，第1层催化剂前截面的流速分布CV值为33.5%，同测量结果非常吻合。通过对比图4和图7现场测试结果和CFD模拟结果，可以看出在第1层催化剂前截面的流速分布趋势是一致的，靠近锅炉侧的区域流速偏高，远离锅炉侧烟道除了最外侧区域流速较高外，其他区域流速偏低。
通过现场流场测试和CFD模拟计算对现有流场进行全面诊断，现场测试和CFD模拟计算结果较吻合，该SCR系统存在问题主要是整体流场分布不均匀造成的，需要对该系统流场进行优化设计。
3 SCR系统CFD优化
针对SCR现有结构存在的问题，需要在2方面对流场进行优化：1)优化喷氨格栅前的烟气流场分布，使喷氨格栅前的烟气在整个烟道截面上均匀分布，保证烟气和氨的均匀混合；2)对催化剂前截面的流场进行优化，使第1层催化剂前的流场分布更均匀，避免局部高低流速区的产生，进而避免磨损和积灰的产生。
优化方案采用保持烟道整体布置，仅仅对烟道内的导流板进行优化的方式，通过导流板的优化来使烟气更加均匀地通过烟道。优化后喷氨格栅前截面的流速分布如图8所示。可知：整个截面上的流速分布更加均匀，没有明显的偏流现象发生，整个截面上速度分布CV值为14.8%，相比优化前的分布CV值31.7%(图6)，烟气分布的均匀性大大改善。
图8 喷氨格栅前截面的流速分布-CFD模拟优化结果
Fig.8 Velocity distribution in upstream of ammonia injectiong grille: CFD result after optimization
优化后第1层催化剂前截面的流速分布如图9所示。可知：整个截面上的流速分布非常均匀，整个截面上没有高流速和低流速区域，速度分布CV值为14.7%，相比优化前的分布CV值33.5%，烟气分布的均匀性大大改善，可以保证催化剂的高性能。
图9 第1层催化剂前截面的流速分布-CFD优化结果
Fig.9 Velocity distribution in the section before the 1st layer catalyst: CFD result after optimization
4 SCR系统优化改造效果
按照模拟的优化方案对SCR系统进行改造，改造后再次进行流场现场测试，对关键截面位置进行流场的测试分析。经过现场测量，改造后喷氨格栅前截面的流速分布如图10所示，催化剂前截面的流速分布如图11所示。
1 m； 
2 m； 
3 m。
图10 喷氨格栅前截面的流速分布-改造后现场测试结果
Fig.10 Velocity distribution in upstream of ammonia injecting grille: test result after optimization
通过多组测试结果进行统计，喷氨格栅前截面的流速分布CV值为18.7%，相较于改造之前的57.6%，速度分布结果极大改善。同时，第1层催化剂前截面的流速分布CV值为17.2%，相较于改造之前的33.1%改善明显。
5 结 论
1) 某660 MW电厂经过烟道扩容改造后，反应器出现了局部严重积灰，局部催化剂严重磨损的情况，系统整体运行过量喷氨，脱硝效率不高。
图11 第1层催化剂前的流速分布-改造后现场测试结果
Fig.11 Velocity distribution in section before the 1st layer catalyst: test result after optimization
2)经过现场流场测试及CFD模拟，对该SCR系统流场分布特点进行详细诊断，测试结果、CFD模拟结果同现场实际积灰磨损情况较吻合。
3)通过CFD模拟对SCR系统的导流板进行优化，烟气在喷氨格栅前和第1层催化剂前的流场分布更加均匀。
4)对该SCR系统进行了导流板改造，改造后对系统再次进行了流场测试。测试结果显示，喷氨格栅前截面和第1层催化剂前截面流速分布均有明显改善。
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