从CFD流场角度探讨水泥窑SCR脱硝催化剂积灰、磨损、挂灰等问题产生的原因及解决方案
SCR催化剂产生的磨损、积灰、挂灰等问题，80%以上是流场组织方案不周全导致的
。
其实经过这么多年脱硝市场的发展，催化剂产品质量已经相对成熟。但是除了燃煤电厂对SCR流场要求一直比较苛刻之外（有明确的行业技术规范：JB/T12131-2015[燃煤烟气净化SCR脱硝流场模拟试验技术规范]；DL/T 1418-2015[燃煤烟气净化SCR脱硝流场模拟试验技术规范]），其他诸如冶金、钢铁（烧结/球团）、水泥、玻璃等行业，一直未见有明确的流场组织技术规范。这也侧面说明这些行业对流场的重视程度还远远不够。
水泥行业的SCR脱硝技术与其他行业是有典型区别的：
第一是烟气含尘量很高。一般C1预热器出口烟尘含量100g/m3以上（燃煤SCR一般在30-50g/m3,属于中灰含量）； 第二是烟尘粒径小。50%烟尘颗粒粒径＜5μm，92%-97%烟尘颗粒粒径＜10μm（燃煤SCR烟尘粒径介于1-120μm之间，曲线呈双R分布）。 第三是烟尘为扁平状颗粒，流动性较差，且飞灰烧结程度低、粘附性强，积灰相对不易清理（燃煤SCR烟尘一般为球状颗粒，流动性好，且飞灰烧结程度高、粘附性差，积灰易清理）。
本篇咱将针对一些水泥行业常见的催化剂磨损积灰、挂灰等问题，从流场角度提出一些自己的看法。
由于咱做的水泥行业的脱硝项目流场分析只有几个，还比较少，并没有积累什么现场问题照片，因此本文探讨的一些典型问题图片源自文章[李祥超.水泥工业高温高尘SCR研究与应用]，针对问题提出的原因分析观点不一定正确，仅供参考。
一、催化剂积灰问题
水泥行业选用蜂窝式催化剂居多。催化剂表面积灰一般都是流场分布不均匀造成的。当催化剂上层局部流速较低或存在涡旋流动时，表面烟尘无法别高速气流携带走，导致沉降堆积，最终堵塞催化剂。常见的堵塞位置是四周及边角区域，这主要是SCR入口扩口形式造成的，通过普通的环形导流板很难兼顾四个边角的流场分布，需要不断优化导流板或格栅。当入口扩口来流弯头没有设置导流板时，也会产生流场一侧偏斜的情况，这种情况下催化剂会一侧磨损，一侧大面积积灰。主要积灰显现和对应的流场分布情况说明如下图所示：
当扩口分流板角度、间距、尺寸设置不合理时，也会造成局部的积灰或磨损问题。需要不断优化导流板尺寸。
二、催化剂磨损问题
催化剂局部磨损是由于局部烟气流速过高，烟尘量过大造成的，在上面已经讨论过这种情况。
此外，催化剂还会出现四周掏蚀现象，如下图所示
我认为这种情况是烟气入射催化剂偏角过大引起的，典型的分流板设计角度不合理导致的结果。
此处磨损区域一般在四周靠近边壁区域，与边壁接触的部分催化剂入口一小段不磨损，紧接着在入口下方发生磨损，并且在到边壁一定距离的位置发生大面及磨损。
做的比较早的那一批水泥窑SCR，可能有很大一批都是存在此类问题的。此类项目的导流板设计特点是，扩口分流板+整流格栅，或者是扩口分流板及中间1-2层整流格栅，校核得到的流场分布特点是中间流速低，四周流速偏高，如下图所示
如果单从催化剂入口速度均匀性系数来看，CV值可能是满足15%的技术指标要求的，但是，烟气入射催化剂时，流线会向中间低速区域收拢，导致壁面入射催化剂夹角较小，再向中间一段距离偏角很大，再向中间区域夹角又变小。分布特点说明见下图。
钱教授有篇文献其实可以很好的说明了这一问题，虽然只是针对局部问题的分析，但是研究的很透彻，大家可以参考[基于 CFD-DPM 的 SCR 脱硝蜂窝状催化剂磨损特性研究].
三、催化剂表面结壳堵塞及底部挂灰问题
统一的观点是：烟气中水汽含量较高导致结块和挂灰现象。
不同的观点是：水汽来源。有人认为可能是催化剂运输安装过程中携带的部分水汽导致结露结块；还有一种可能是压缩空气中携带的水汽较大，导致催化剂孔道结露；另外还有认为是钢结构和催化剂本身较凉，在启机过程中，升温较快，废气中的水蒸气与冷壁凝结导致粉尘结块。
我到是认为问题出在氨水喷枪上的可能性有些大。
有些项目设计的氨水喷枪数量大概有8-10支，如果设置位置距离SCR较远还好，如果距离入口扩口段较近，氨水喷射后于烟尘颗粒接触，烟尘团聚包覆形成大颗粒，尽管烟温较高，液滴蒸发较快，但是保不齐大颗粒烟尘内部蒸发可能不完全，不排除氨水打湿烟尘导致粘性增加的可能性。
因此，
一、需要合理设计氨水喷枪的位置，建议设置在靠近C1预热段出口或者入口侧。如果布置在入口侧，氨水蒸发经过C1旋风预热器后，混合均匀性很高。如果布置在C1出口处，喷射点位置需要经过流场优化来提升烟气/氨气混合均匀性，确保催化剂入口NH3/NO摩尔比相对标准偏差小于5%，否则氨逃逸容易超标。
二、不排除在合适的烟道段改用喷氨格栅形式，增加喷氨格栅防磨措施。
本文内容只是根据以往项目积累的一些经验，存在认知局限性，如有不当之处，还请大佬私信指正。有问题可扫下方二维码联系。
工业界CFD：133-0129-2587
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