中石化巴陵石化分公司热电部 岳阳市 414014
摘要：本文主要分析了脱硝改造导致烟气流场不均引起低温省煤器磨损问题，并从理论上介绍SCR烟气流场CFD流场模拟技术，并详细介绍了为解决该炉低温省煤器磨损而进行烟气流场优化摸索过程。
关键词：省煤器 磨损 CFD 烟气均流
一、概述
410t/h燃煤锅炉由杭锅设计制造，于2013年元月投运。锅炉为高温高压、自然循环、单炉膛、Π 型布置、四角切圆燃烧、固态排渣、平衡通风。
为了满足新环保排放标准，2014年对该炉进行了脱硝改造从该锅炉改造后省煤器运行情况看，脱硝改造后烟气流场的改变引起低温省煤器局部磨损，严重影响锅炉的长周期运行。
二、省煤器磨损原因分析
省煤器的失效模式主要有冲刷磨损和低温腐蚀。
烟气冲刷受热面时，被烟气所携带的具有一定动能的飞灰粒子冲击管壁，飞灰不断冲击，将管壁越削越薄。低温腐蚀是发生在锅炉尾部受热面（省煤器、空气预热器）的硫酸腐蚀，因为尾部受热面区段的烟气和管壁温度较低[1]。管壁温度低于露点温度是发生露点腐蚀的必要条件，但该炉壁温不具备露点腐蚀的条件。
该炉烟气通过SCR装置反应完成后返回锅炉竖直烟道，途中经过5次急剧转向，加上斜向进入低温省煤器，注定必然存在气流分配不均现象。表面宏观检查发现的减薄均在外壁，迎风面防磨片磨穿且管壁减薄，下部也存在大面积的磨损减薄，并明显显示烟气的冲刷流动走向，管壁减薄严重部位及其附近翅片及均流格栅也存在严重磨损（见图1：低温省煤器磨损及修复现场图）。因此判断该省煤器管失效机理为冲刷磨损。
三、CFD流场模拟技术研究方法简介
CFD方法是流体力学的一个分支，以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题研究的[2]。
为了彻底解决低温省煤器磨损问题，须对SCR流场进行模拟，根据模拟情况对烟道导流板、均流格栅等进行改造。在SCR系统设计时，采用传统的物理冷态模型和计算流体力学技术（CFD）相结合的方法进行分析、预测，本次采用数值模拟技术进行流场模拟（见图2：CFD流场优化模型示意图）。
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图1：低温省煤器磨损及修复现场图 图2：CFD流场优化模型示意图
1、 流体模拟范围与目标
(1)对改造后的高温预热器出口-脱硝SCR反应器-低温省煤器进行CFD数值模拟。
目的是依照流场的速度、温度分布和第一催化剂层前面的氨/烟气混合情况来调节和优化系统，确保所有流体调节装置及导流板、氨喷射系统、整流器等烟道内设备和装置的最优化设计。
(2)根据数值模拟结果，提出整流层和改造范围内的烟道导流板的布置方案及导流板、整流层结构形式。
2、数学模型
电站锅炉中选择性催化还原（SCR）烟气脱硝过程涉及到烟气、飞灰颗粒及还原剂的气相湍流流动、气固两相流动、传热传质及流动混合等过程。
（1）气相湍流模型
根据SCR装置内烟气流动时湍流的情况，采用标准k-ε湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动[2，3]。在正交直角坐标系下，
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湍流模型基本控制方程可以表示如下：
连续性方程：
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（1-1）
X方向的动量方程：
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（1-2）
Y方向上的动量方程：
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（1-3）
Z方向上的动量方程：
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（1-4）
K方程：
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（1-5）
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方程：
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（1-6）
其中，湍流粘性系数
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；p为流体压力；
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为气体密度；湍流产生项
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为：
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（1-7）
以上微分方程，可以写成以下的通用形式：
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（1-8）
其中，
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为因变量，
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为因变量
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的扩散系数，
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为因变量守恒方程中所对应的源项。
方程（1-1）－（1-6）可以表示成统一的输运方程形式：
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（1-9）
式中各项从左到右依次为对流项、扩散项和源项。
（2）多孔介质模型
对于SCR反应器内的催化剂层压降，通过将催化剂层看作多孔介质进行模拟。其压降损失模拟公式如下：
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（1-10）
式中Si—i方向上动量源项，Pa/m；µ—流动动力粘度，Pa·s；α—介质渗透性；vi—i向速度分量，m/s；ρ—密度，kg/m3；C2—内部阻力因子，1/m。
（3）物质输运模型
由于选择性催化还原反应中的流动介质有烟气和氨气，因此采用混合物的物质输运模型来模拟。当选择解化学物质的守恒方程时，通过第i种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数Yi守恒方程采用以下的通用形式：
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（1-11）
式中
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—i物质的质量扩散；Ri—化学反应产物的净速率；Si—附加速率。
3、标准偏差的定义及计算
所谓偏差系数，就是SCR反应器内各截面处速度或浓度的标准偏差占该截面速度或浓度平均值的百分量，偏差系数计算方法如下：
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（1-12）
其中：
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（1-13）
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（1-14）
式中
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—标准偏差系数；
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—标准偏差；
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—平均值。
4、网格划分及边界条件
利用前处理软件GAMBIT 2.3.16对SCR系统进行三维建模，采用四面体和六面体网格对三维模型进行分区域网格划分（见图3：烟道流场网格示意图）。计算过程中，为防止壁面非线性发散，采用低松弛迭代的变松弛系数法，模型壁面采用标准壁面函数。
5、计算结果分析
对初步设计的方案进行模拟及分析，经过反复的模拟和调整，得到最优的导流板布置方式和技术指标。
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图3：烟道流场网格示意图
四、低温省煤器防磨措施探索
1、2014年该锅炉进行脱硝改造，将SCR引入/引出烟道布置在锅炉尾部烟道竖井上级空预器和低温省煤器之间。脱硝改造仅对该炉原有护板，两级省煤器之间连接管以及平台扶梯等相关部件进行替换。
SCR出口烟道内的导流板布置情况为：
（1）省煤器入口导流板由三块，倾斜角度75°。
（2）烟道导流板弯曲半径3块均为：R1600mm。
该炉改造后2年的运行过程中，每次停炉检查均发现炉前低温省煤器上方均流格栅局部区域存在磨损，但仅能采用增加防磨片及恢复均流格栅的防磨措施。
2、为了改变低温省煤器磨损被动预防的状况，2017年5月将低温省煤器改为H型省煤器，使烟气更加均匀，并低温省煤器流场进行模拟，根据模拟情况对烟道导流板、均流格栅等进行优化。
H型翅片管省煤器是把中间有圆弧的两片钢片与光管对称地焊接起来形成翅片，由于正面形状与英文字母“H”相似，故称H型翅片管。H型翅片管采用顺列布置，顺列布置的H型翅片能够细分管排空间，使烟气更加均匀[3]。
根据模拟的结果，对SCR出口烟道导流板及省煤器入口导流板进行优化（见图4：2017年SCR出口烟道导流板及省煤器入口导流板优化图）。
（1）省煤器入口导流板由三块改为两块，并改变导流板分布间距，倾斜角度不变。
（2）烟道导流板弯曲半径分别改为：R1400,R1800,R2000（单位：mm）。
（3）烟道与省煤器入口由于高度差形成的台阶，用铁板铺陈一个平缓的斜坡。
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图4:2017年SCR出口烟道导流板及省煤器入口导流板优化图
3、考虑低温省煤器换型及流场优化后效果不明显，2018年10月再次进行流场模拟，根据模拟情况烟道导流板不变，对烟道及省煤器入口导流板等进行再次优化。
（1）省煤器入口导流板由两块改为三块，倾斜角度微调为76°，并再次改变导流板的间距。
（2）取消省煤器入口烟道的喇叭缩口，更换该处膨胀节，台阶圆滑过多，这样减少烟气流动盲区及不均。
4、经过多次摸索发现烟气多次转向侧进低温省煤器烟气分布不均的现象不可避免，为解决低温省煤器因SCR流场不均导致的磨损，2019年10月将低温省煤器移位至SCR脱硫反应器正下方。根据新的设备位置调整高温预热器出口到中温预热器入口的烟道走向，并对改造后的烟道流场进行CFD模拟优化，确保流场稳定。
（1）低温省煤器由尾部烟道移至脱硝下方。
（2）低温省煤器出口至中温预热器进口烟道重新进行烟道、均流格栅及导流板设计，合理分配好进入中温预热器的烟气量。
五、效果
低温省煤器是锅炉是确保锅炉安全运行的重要部件，该炉脱硝改造后多次进行低温省煤器烟气流优化防磨摸索中，发现SCR出口转向进入省煤器不可避免存在烟气不均引起的磨损。低温省煤器移位改造彻底解决这一难题，改造后运行近1年以来未出现异常，在今后停运时会继续加强低温省煤器磨损检查，以确保锅炉安全运行。
参考文献：
[1] 伍宗银，刘伟平.自备电站锅炉省煤器管失效分析[J].化学工程与设备.2018，(73):244-247
[2] 文珏，党岳，曹超. 某电厂低低温省煤器磨损机理及改进措施研究[A]. 机械工程师.2018，（9）：155-158
[3] 海潮峰. 低温省煤器优化设计及烟道流场模拟[D].华北水电水利大学硕士学位论文. 2019