（热能工程专业论文）scr脱硝反应器物理场特性研究与结构优化设计.pdf

p h y s i c a lf i e l d s c h a r a c t e r i s t i cs t u d y & s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no f a s c rd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o r b y l n or u i b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n d i s c i p l i n eo fp o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g i n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e nd o n g l i n a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 詹 1 日期：加，1 年夕月，乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名吁詹 导师签名：雠 日期：矽，年乡月多日 日期：矽，年，月d - 日 摘要 燃煤电站选择性催化还原( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s c r ) 法烟气脱硝 技术以其效率高、技术成熟，在目前乃至今后相当长时间内成为国际上的主流技 术。衡量s c r 脱硝性能的两个重要指标是脱硝率和氨逃逸率，其很大程度上取决 于进入催化剂床层之前氮氧化物和还原剂混合浓度及速度分布的均匀程度。 本研究课题针对现有火电厂s c r 烟气脱硝反应器内催化剂前端烟气与氨混 合不均的技术难题，设计了一种研究各种负荷工况下不同导流板结构与布置对反 应器内烟气流场、氨及飞灰浓度场等影响的实验模型。本脱硝系统物理模拟实验 模型基于相似原理，在满足几何相似、雷诺相似等相似准则的前提下，以某燃煤 电站6 0 0 m w 机组s c r 脱硝反应器初步设计方案为原型按1 0 ：l 的比例缩小，以 此缩小的模型研究实体系统烟气流动特性、压力降、烟气与氨混合特性、导流板 结构与布置方式，指导实体系统的设计与运行。本实验模型采用模块化结构，还 能模拟不同容量、不同燃烧方式、不同煤种燃煤锅炉烟气脱硝反应器内的多种物 理场，并可同时进行定量测试、自动数据采集与分析、可视化观察，能对大型燃 煤锅炉s c r 烟气脱硝反应器的优化设计提供很好的参考。 依托所设计的s c r 烟气脱硝反应器实验模型，对s c r 烟气脱硝反应器内不 同工况、不同导流板结构与布置、不同催化剂层结构和阻力下，烟气流动情况、 氨喷射与混合情况、飞灰分布情况以及反应器内压降等进行模拟和测试，得到了 各种工况及飞灰含量下，导流板、氨喷嘴、整流栅等均流装置对反应器内物理场 的影响规律。 为研究s c r 脱硝反应器内导流板的不同布置方式对烟气流场以及n h 3 浓度 分布的影响，还基于f l u e n t 软件对s c r 脱硝反应器内的烟气流动情况、氨喷射 及浓度分布情况和烟道内压力分布情况进行了数值模拟。以数值模拟验证物理模 拟实验的准确性，同时以物理模拟实验的结论为指导，对s c r 脱硝过程进行各种 参数条件及结构布置下数值模拟研究，在保证准确性的同时达到简化研究的目 的，省去了物理模拟实验研究过程中大量人力物力的耗费。 经物理模拟与数值模拟的对比研究，本课题得到了一种6 0 0 m w 燃煤机组 s c r 脱硝反应器的结构优化布置方式，该结构布置能使脱硝催化剂前端截面上的 烟气流动速度分布标准差小于1 4 ，氨浓度分布标准差小于5 ，飞灰分布均匀， 保证了较高的脱硝率和较低的氨逃逸率，达到了国内领先的水平。 关键词：选择性催化还原( s c r ) ；脱硝；反应器；均流；模拟 a b s t r a c t s c r ( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) f l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi n c o a l f i r e dp o w e rp l a n t sh a sb e c o m et h ei n t e r n a t i o n a lm a i n s t r e a ma tp r e s e n ta n de v e n q u i t eal o n gt i m ei nt h ef u t u r ef o ri t sh i g he f f i c i e n c ya n dm a t u r et e c h n o l o g y t h et w o i m p o r t a n ti n d i c a t o r st om e a s u r es c rd e n o xp e r f o r m a n c ea r ed e n i t r i f i c a t i o nr a t ea n d t h ea m m o n i ae s c a p er a t el a r g e l yd e p e n d so nm i x e dc o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e no x i d e a n dr e d u c e rb e f o r ee n t e r i n gt h ec a t a l y s tb e da n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t y t h i ss u b je c ta i m e da tt h et e c h n i c a lp r o b l e m so fg a sa n da m m o n i am i x i n g i n e q u a l i t yi nt h ep r e c e d i n gf l u eo fs c rf l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o nc a t a l y s tr e a c t o ri n t h e r m a lp o w e rp l a n t s ，a ne x p e r i m e n t a lm o d e lw a sd e s i g n e df o re f f e c tr e s e a r c ho f d i f f e r e n td e f l e c t o rs t r u c t u r ea n da r r a n g e m e n tf o rf l u eg a sf i e l d ，a m m o n i aa n df l ya s h c o n c e n t r a t i o nf i e l di n s i d et h er e a c t i o nu n d e rv a r i e t yl o a dc o n d i t i o n s t h i sm o d e l ，o n t h ep r e m i s eo fg e o m e t r i cs i m i l a r i t y , r e y n o l d ss i m i l a r i t ya n ds oo n ，r e d u c e dt h e p r o p o r t i o no f10 ：1 a st h ep r o t o t y p eo fas c rf l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o ri na 6 0 0 m wu n i tt os t u d yt h eo r i g i n a ls y s t e mg a sf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，p r e s s u r ed r o p ， m i x i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg a sa n da m m o n i a ，d i f f e r e n td e f l e c t o rs t r u c t u r ea n d a r r a n g e m e n ti no r d e rt og u i d et h eo r i g i n a ls y s t e m sd e s i g na n do p e r a t i o n t h em o d e l u s e dm o d u l a rs t r u c t u r ei sa b l et os i m u l a t eav a r i e t yo f p h y s i c a lf i e l d si ns c r f l u eg a s d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o ri nc o a l f i r e db o i l e r su n d e rd i f f e r e n t c a p a c i t i e s ，d i f f e r e n t c o m b u s t i o na n dd i f f e r e n tc o a la n da l s oc a nm a k eq u a n t i t a t i v et e s t ，a u t o m a t e dd a t a c o l l e c t i o na n da n a l y s i s ，v i s u a l i z eo b s e r v a t i o na n di tp r o v i d ea g o o dr e f e r e n c ef o rs c r f l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o r sd e s i g ni nl a r g e s c a l ec o a l - f i r e db o i l e r b a s e do nt h ed e s i g n e ds c rf l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o re x p e r i m e n t a lm o d e l ， s i m u l a t e da n dt e s t e d t h e g a sf l o w , a m m o n i ai n je c t i o n a n dm i x i n gc a s e ，t h e d i s t r i b u t i o no ff l ya s ha n dt h e p r e s s u r ed r o pi nt h er e a c t o ru n d e rd i f f e r e n tl o a d c o n d i t i o n s ，d i f f e r e n td e f l e c t o rs t r u c t u r ea n da r r a n g e m e n t ，d i f f e r e n ts t r u c t u r ea n d r e s i s t a n c eo fc a t a l y s tl a y e r , o b t a i n e dt h ee f f e c tl a wo fd e f l e c t o r , a m m o n i an o z z l e ， r e c t i f i e dg r i da n do t h e rf l o wc o n t r o ld e v i c ef o r p h y s i c a lf i e l di nr e a c t o ru n d e r d i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n sa n df l ya s hd i s t r i b u t i o n t oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fd i f f e r e n td e f l e c t o ra r r a n g e m e n ti ns c rf l u e g a s d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o rf o rg a sf l o wf i e l da n da m m o n i ad i s t r i b u t i o nc o n c e n t r a t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sd o n eo nf l u eg a sf l o w , a m m o n i ai n j e c t i o na n dc o n c e n t r a t i o n a n dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h ef l u ei nt h es c rf l u eg a sd e n i t r i f l c a t i o nr e a c t o r b a s e do nt h ef l u e n ts o f t w a r e u s et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ov e r i f yt h ep h y s i c a l m o d e l i n gs i m u l a t i o n sa c c u r a c y , w h i l et h ec o n c l u s i o n so fp h y s i c a ls i m u l a t i o ng u i d e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs c rf l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s su n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n s a n ds t r u c t u r a la r r a n g e m e n t ，n o to n l y e n s u r i n gt h ea c c u r a c yb u ta l s os i m p l i f yt h es t u d y , o m i t t e dal o to fm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e st h ep h y s i c a ls i m u l a t i o np r o c e s s n e e d e d s t u d i e dp h y s i c a ls i m u l a t i o nw i t hn u m e r a ls i m u l a t i o n ，o u rg r o u pf o u n dab e t t e r d e f l e c t o ra r r a n g e m e n ti ns c rf l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o rf o r6 0 0 m wc o a l f i r e d u n i tt h a tr e d u c er o o t m e a n s q u a r ee r r o r ( r m se r r o r ) o f g a sf l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n t o1 e s st h a n14 ，a m m o n i ac o n c e n t r a t i o nt ol e s st h a n5 a n dh a v eau n i f o r m l y d i s t r i b u t i o no ff l ya s hi nt h ep r e c e d i n gf l u eo fs c rf l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o nc a t a l y s t r e a c t o r , w h i c hp r o m i s e dh i g hd e n i t r i f i c a t i o nr a t ea n dl o wa m m o n i ae s c a p er a t ea ta d o m e s t i cl e a d i n g1 e v e l k e y w o r d s ：s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ；d e n i t r i f i c a t i o n ；r e a c t o r ；c u r r e n ts h a r i n g ； s i m u l a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景1 1 2 烟气脱硝技术概况2 1 3s c r 技术应用现状3 1 4s c r 烟气脱硝技术国内外研究现状4 1 4 1 催化剂研究现状5 1 4 2 工程技术研究现状6 1 5 主要研究内容8 第二章s c r 烟气脱硝原理 2 1s c r 反应机理1 0 2 1 1 化学反应式和副反应1 0 2 1 2s c r 催化剂及选择性催化还原机理1 l 2 1 3s c r 的化学反应动力学原理1 3 2 1 4s c r 反应中的吸附与解吸1 4 2 2s c r 脱硝的几个基本概念1 5 2 2 1n o ；脱除率1 5 2 2 2 氨逃逸率1 5 2 2 3 烟气在反应器内的空间速度s ，( h q ) 1 5 2 2 4 催化剂运行寿命1 6 2 2 5s 0 2 s 0 3 转化率1 6 2 2 6s c r 系统的流动阻力损失1 6 2 3 影响s c r 脱硝效率的主要因素1 7 2 3 1 催化剂1 7 2 3 2s c r 反应参数及条件1 8 2 4 小结2 0 第三章s c r 脱硝反应器的设计理论与方法 3 1 典型s c r 烟气脱硝系统及工艺布置2 l 3 1 1 典型s c r 脱硝系统2 l 3 1 2 工艺布置2 2 3 2s c r 反应器2 4 3 2 1 反应器基本概念2 4 3 2 2 进出口烟道的设计2 5 3 2 3 导流板的设计2 6 3 2 4 挡板门的设置2 7 3 3 催化剂2 7 3 3 1 几种常见的催化剂2 7 3 3 2 活性成分及其作用2 8 3 3 3 设计条件2 9 3 4 小结3 1 第四章s c r 烟气脱硝反应器物理模拟实验系统设计 4 1 原型概况3 2 4 2 模拟实验系统的设计与计算3 3 4 2 1 整体设计及计算3 3 4 2 2 整流栅及催化剂层的模拟方法与设计计算3 6 4 2 3 供氨及喷氨的模拟方法与设计计算3 6 4 2 4 通风阻力计算与风机选型3 9 4 2 5 飞灰的模拟方法及相关设计计算与设备选型3 9 4 2 6 导流板的方案设计与计算4 0 4 3 小结4 3 第五章s c r 烟气脱硝反应器模拟实验研究 5 1 实验内容及测点布置4 4 5 1 1 实验内容4 4 5 1 2 测点布置4 5 5 1 3 测试方法4 6 5 2 实验结果及分析4 6 5 2 1 流动特性4 6 5 2 2 氨浓度分布特性5 0 5 2 3 飞灰分布特性5 0 5 3 小结5 2 第六章s c r 烟气脱硝反应器的数值模拟 6 1s c r 反应器数学模型5 3 6 1 1 流动模型5 3 6 1 2 多孔介质模型5 4 6 1 3 物质输送5 4 6 2s c r 反应器模拟方案5 4 6 2 1 数值模拟的目的5 4 6 2 2 模拟参数5 5 6 2 3 模拟方案5 6 6 3 数值模拟结果分析5 6 6 3 i 方案1 的数值模拟结果讨论与分析( 1 a 、i b 、i c ) 5 6 6 3 2s c r 脱硝系统烟道内流场优化与数值模拟结果分析5 8 6 3 3s c r 脱硝系统烟道内灰分浓度分布数值模拟结果分析6 4 6 4 小结6 4 结论与展望6 7 参考文献6 9 致谢7 3 附录( 在学期间发表论文和参加课题情况) 7 4 1 1 研究背景 第一章绪论 化石燃料燃烧过程中产生的氮氧化物( n o 、n 0 2 、n 2 0 等，简称n o x ) 是 大气的主要污染物之一。n o x 排放到大气中生成硝酸是酸雨的主要形成因素，酸 雨会导致土壤酸化、建筑物和工业设备腐蚀、动植物死亡等；n o 。通过光化学反 应产生光化学烟雾，光化学烟雾影响可见度，并且能够致癌，破坏生态与气候； n o 。吸入人体体内还会损害呼吸道、肺、黏膜、神经系统、造血系统，吸入高浓 度的n o x 甚至可能出现窒息。总之，n o x 直接或间接地对人、植物、建筑物和环 境造成了显著的危害。 燃煤发电厂是大气中n o x 的主要来源。我国以煤为主( 7 0 左右) 的能源结 构在今后相当长时间内不会发生改变，持续的巨量煤炭消耗将随之带来严重的环 境污染问题。 随着经济的快速发展，电力需求持续增加，电厂装机容量也随之不断增加。 据统计，2 0 0 8 年，全国电力装机容量7 9 2 亿千瓦，其中火电机组装机容量5 8 4 亿千瓦，占7 3 7 ，总发电量3 4 9 5 7 亿千瓦时，其中火电发电量2 8 8 7 4 亿千瓦时， 占8 2 6 ；2 0 1 0 年，全国电力装机容量9 6 2 亿千瓦，其中火电机组装机容量7 4 9 亿千瓦，占7 7 8 2 ，总发电量4 1 4 1 3 亿千瓦时，其中火电发电量3 4 4 5 6 亿千瓦时， 占8 3 2 。预计到2 0 2 0 年，全国电力需求量将超过4 6 0 0 0 亿千瓦时，电力装机容 量将达到1 1 亿千瓦以上，火电机组装机容量将达到6 5 亿千瓦以上【2 j 。随着火电 机组发电量的持续增长，n o x 的排放量将不断增加。全国n o x 排放量预计在2 0 2 0 年将达到2 9 0 0 万t 左右，预计在2 0 3 0 年将达到3 6 0 0 万t 左右。若不采取有效的 控制措施，将超越美国成为世界n o x 排放第二大国p 】。 燃煤发电厂烟气脱硝是目前世界上采用的减少n o 。排放的最有效方法之一。 与发达国家相比，我国烟气脱硝起步较晚，技术不成熟，更加缺少相应的工程实 践经验。国内运行的烟气脱硝项目仅有二十来个，并且全部采用国外的脱硝技术， 脱硝成本相当昂贵。迄今为止，烟气脱硝技术全部掌握在外国人手里，国内没有 一家公司拥有自主知识产权的烟气脱硝技术。因此，研发具有自主知识产权的脱 硝技术来打破国外的垄断，降低设备成本与运行费用具有重要意义。 综观国内外近年来针对燃煤锅炉烟气的n o x 去除( 又称脱硝) 技术，虽然有 众多具有发展潜力的技术，但适用于工业规模的脱硝技术仍然以s c r ( s e l e c t i v e c a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 即选择性催化还原方法为主。对于s c r 脱硝方法，影响脱 硝效率的技术关键是如何优化设计脱硝反应系统范围内的烟道结构以实现催化 剂层前端烟气流场及脱硝用氨气浓度在流动断面分布的均匀性。目前，国内还没 有研究机构及环保设计企业对此进行系统的研究。为此，湖南省永清环保股份有 限公司与长沙理工大学于2 0 0 7 年开始开展前期合作，并于2 0 0 8 年9 月签定合同 开展正式合作，决定采用物理模拟与数值模拟相结合的方法，全面系统的研究负 荷工况及烟道结构尺寸因素对烟气流场、氨气浓度分布的影响规律，为大型燃煤 锅炉烟气脱硝反应系统的优化结构设计提供科学依据。同时，也为其他各类型锅 炉烟气脱硝反应系统的流场及喷气系统的优化设计构建了一个物理模拟与数值 模拟平台。该课题于2 0 0 9 年3 月通过湖南省科技厅组织的专家验收。 1 2 烟气脱硝技术概况 火电厂氮氧化物的控制分为低n o x 燃烧技术和烟气脱硝技术两类。低n o x 燃烧( l o wn o xc o m b u s t i o n ) 即在燃煤过程中抑制n o x 的生成或将生成的n o x 还原，包括低n o x 燃烧器技术、空气分级技术和燃料分级( 再燃) 技术等，其中， 低n o x 燃烧器技术利用的也是分级燃烧原理。烟气脱硝即燃烧后控制n o x ( p o s t c o m b u s t i o nn o xc o n t r 0 1 ) ，采用物理或化学方法将氮氧化物从烟气中脱除。 与烟气脱硝技术相比，低n o x 燃烧技术控制n o x 的效率偏低( 仅3 0 - - 6 0 ) ，但 其投资与运行成本较低，工程实施简单，因此，目前仍是火电机组控制n o 。的首 选。只有当环保要求提高，仅采用低n o x 燃烧技术达不到标准时，烟气脱硝技术 才被进一步采用【4 。】。 烟气脱硝技术目前已经得到商业化应用的主要有选择性催化还原( s e l e c t i v e c a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s c r ) 技术、选择性非催化还原( s e l e c t i v en o n c a t a l y t i c r e d u c t i o n ，s n c r ) 技术和s n c r s c r 混合技术等。h c s c r 、n o x 直接催化分 解等其它的脱硝技术虽然在实验中取得了较好的效果，但短期内还难以实现商业 化应用睁7 1 。 s c r 和s n c r 技术均采用氨、尿素或氰酸等作为化学反应剂，还原烟气中的 n o x ，生成无害的n 2 和h 2 0 。s n c r 脱硝技术以炉膛作为反应器，直接将还原剂 喷入炉膛，在9 0 0 - l1 5 0 高温下n o 。与还原剂发生反应而被还原。s c r 脱硝技 术则在低温下反应，由于还原剂与n o ；在低温下不能直接发生还原反应，因此必 须添加催化剂，在催化剂作用下，烟气与还原剂充分混合后进入装有催化剂的脱 硝反应器，在3 0 0 - 4 0 0 温度范围内n o 。与还原剂发生还原反应，脱硝反应器 通常安装在锅炉烟道省煤器与空气预热器之间。 s n c r 脱硝技术发展于2 0 世纪7 0 年代，其脱除n o x 的效率直接受到炉膛烟 气温度、还原剂喷射、烟气与还原剂混合、停留时间等因素的影响。锅炉炉膛内 烟气流场、浓度场和温度场随着锅炉工况的变化通常会发生许多难以预测的变 化，影响n o 。脱除效率。与大型锅炉相比，炉膛较小的锅炉烟气流场、浓度场和 温度场更加均匀，喷射还原剂及其与烟气的混合控制容易，n o x 脱除效率因此较 高；大型锅炉n o 。脱除效率则较低。典型s n c r 技术脱除n o x 的效率不会超过 2 5 0 ，通常在2 5 - - 4 0 之间。s n c r 法脱硝的优点在于设备少且投资及运行费用 低，虽然脱除n o 。效率较低，但仍有应用价值。最初s n c r 技术主要应用于小型 工业燃烧设备，现在燃煤发电机组也开始采用，并且提高其n o 。脱除效率的相关 研究工作正在有序进行。从s n c r 的发展现状来看，中小容量燃煤发电机组比较 适用【6 7 8 1 。 1 9 5 9 年，s c r 技术在美国被发明并且获得专利，6 0 、7 0 年代逐渐发展起来。 s c r 技术的反应条件控制容易，较小受到锅炉运行条件的影响，且脱硝效率很高， 通常可以达到9 0 以上，但是由于需要催化剂的辅助，设备较多，其投资和运行 费用昂贵。 将s n c r 和s c r 相串联的s n c r s c r 混合技术最早由美国e x x o n 公司提出， 其试图综合s n c r 与s c r 的优点，折中效率和成本，以相对较低的运行成本得 相对较高的n o x 脱除效率【9 】。 纵观国内外烟气脱硝技术应用与发展的现状和趋势，烟气脱硝技术为满足日 趋严格的氮氧化物排放标准，火电厂烟气脱硝越来越不可或缺。各种烟气脱硝的 方法，s c r 技术因效率最高，即使最严格的环保标准也完全满足，其市场需求将 不断扩大；而s n c r 技术由于费用较低也将有一定的需求。s c r 技术占目前已经 应用的烟气脱硝装置中的绝大多数( 约9 5 ) ，在目前乃至今后相当长时期内s c r 技术将会是火电厂烟气脱硝的主流技术【7 9 1 。 1 3s c r 技术应用现状 在2 0 世纪9 0 年代之前，美国在s c r 装置的应用上还远远落后于欧盟及日本。 如图1 1 所示，欧盟在1 9 9 0 年拥有世界上绝大多数的s c r 装置，除欧盟之外， 日本也拥有大量的s c r 装置。7 0 年代后期日本开始将s c r 技术商业应用于电站 锅炉和工业锅炉，目前已经运行的电站s c r 装置超过1 7 0 套，装机总容量超过 1 0 0 g w 。1 9 8 5 年s c r 技术被引入欧洲，欧洲应用s c r 脱硝装置的发电机组总容 量在8 0 年代就达到了4 0 g w ，目前欧洲有总容量超过6 0 g w 的发电机组应用s c r 脱硝装置。 重3 5 p3 0 o 芰2 5 。2 0 棚1 5 篓1 0 螓e v - 5 箔0 罗”荆锡 d 囊 0 哮 j f 1 l 1 一上 。匕庞 黪，蠢蕊麓囊自b 龇m 。娃。一 溉 美国欧洲非洲亚洲 图1 11 9 9 0 年燃煤电站s c r 装置 3 重1 2 0 暑1 0 0 x8 0 谪6 0 饰4 0 纛2 0 e v , 钫0 美国欧洲非洲亚洲 图1 22 0 0 5 年燃煤电站s c r 装置 如图1 2 所示，到2 0 0 5 年，美国一跃成为s c r 装置在世界的领跑者，其超 过1 0 5 m w 的燃煤发电机组装备了s c r 装置。2 0 世纪9 0 年代，美国开始将s c r 技术应用于燃煤发电机组，目前有总容量1 0 0 g w 的燃煤发电机组应用s c r 脱硝 装置【6 9 1 近年来，s c r 装置在美国及亚洲得到了大量的发展，如图1 3 所示。台湾地 区应用的烟气脱硝装置较多，目前在运行的s c r 装置在1 0 0 套以上。大陆很多电 厂近年来也陆续在进行s c r 烟气脱硝装置的配备工程。国内首例s c r 烟气脱硝 装置是于1 9 9 9 年投入运行的福建后石电厂6 0 0 m w 火电机组，但是其全套设备均 从日本三菱重工引进，工程由国外公司设计【1 0 】。近年来，配备s c r 烟气脱硝装 置的还有华电长沙电厂、大唐阳城电厂、国电铜陵电厂、国华太仓电厂、嵩屿电 厂、广州恒运热电厂等发电企业。 喜 。 苎 商 饰 嚣 藿 拐 6 0 4 0 2 0 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 o 善鬈5 0 23 0 0 兰2 5 0 囊翟 暴1 0 0 誉5 0 箔0 美国欧洲非洲亚洲美国 欧洲非洲亚洲 图1 32 0 1 0 年燃煤电站s 勰装置图1 4 预测2 0 2 0 年燃煤电站s 勰装置 预计到2 0 2 0 年，将近有3 10 5 m w s c r 装置在亚洲得到应用，其中中国将占 一半以上，如图1 4 所示。 可见，未来s c r 装置在中国将得到迅猛的发展，研究拥有自主知识产权的 s c r 技术意义重大。 1 4 $ c r 烟气脱硝技术国内外研究现状 s c r 技术作为最广泛应用的一种火电厂脱硝技术，迄今国外已经进行了相当 深入的研究，并且有丰富的工程应用经验，但是在反应机理和催化理论上的研究 仍有欠缺，还需要通过大量的研究来进一步完善。随着我国经济的飞速发展以及 环保标准的日趋严格，s c r 技术在必将有着十分可观的市场。根据我国煤炭资源 的现状，火电厂燃煤的供应复杂多样，且品质较差( 灰含量3 0 4 0 ，砷含量 9 6 2 1 0 0 9 g ) ，使得我国火电厂s c r 脱硝装置不能照搬国外。但是我国目前在 s c r 技术上的研究才刚刚起步，迫切需要拥有自主知识产权的，符合我国火电厂 燃煤特点的s c r 技术，其关键是在于寿命长、成本低且强度高的s c r 催化剂。 s c r 技术目前被美、日、德所垄断，国内主要依靠引进这些国家的技术。我 4 国一些高校院所近年来对s c r 技术进行了一些探索，例如反应机理、催化剂活性 组成、催化剂抗碱金属中毒等方面，但是，还没有文献和专利涉及催化剂整体制 备与成型工艺。 1 4 1 催化剂研究现状 v 2 0 5 w 0 3 ( m 0 0 3 ) t i 0 2 在未来相当长时间内将是火电厂s c r 烟气脱硝催化 剂的首选，其他催化剂类型还很难将其代替。 s c r 技术的核心是催化剂。目前已开发的s c r 催化剂主要有贵金属、金属 氧化物和沸石3 类。近年来，美国密歇根大学、日本国立材料与化学研究所、日 本九州大学、英国剑桥大学等都针对s c r 催化剂进行了大量研究，美国密歇根大 学研究的重点在于贵金属催化剂的活性与使用寿命，而日本国立材料与化学研究 所研究的重点在于金属氧化物催化剂的制备。 最早使用的是贵金属催化剂，它于2 0 世纪7 0 年代被开发，其对氮氧化物的 选择性还原反应活性非常高，但是还原剂n h 3 容易被氧化，在火电厂s c r 脱硝 中很快被金属氧化物催化剂所替代。火电厂s c r 烟气脱硝设备主要采用的金属氧 化物催化剂是v 2 0 5 w 0 3 ( m 0 0 3 ) t i 0 2 催化剂，它由各种金属氧化物混合而成，其 活性组分是v 2 0 5 、载体是t i 0 2 、助催化剂是w 0 3 或m 0 0 3 。目前，国外对金属 氧化物催化剂的研究主要是通过改进催化剂的制备，来提高其还原n o x 的能力， 降低其氧化s 0 2 的活性1 2 。 沸石催化剂的活性组分是过渡金属离子( f e 、s n 、c e ) ，在高温条件下其活 性较高。目前，在国际上已经引起很大的关注，适合用于s c r 装置，国外已有燃 气电厂采用【1 3 _ 4 1 。 我国对于s c r 催化剂的研究还仅仅停留在反应机理方面，离商业应用还有较 大差距。主要研究成果包括以下方面： ( 1 ) 低氧量情况下，硫酸能提高沥青基活性碳纤维的催化活性。 李丽等【1 7 】将已经商业化的几种沥青基活性碳纤维利用硫酸进行活化处理，经 选择性催化还原烟气中的n o x 表明，当烟气的含氧量在1 0 以下时，沥青基活性 碳纤维经硫酸活化处理后，其对n o x 的催化还原活性提高。 ( 2 ) m 0 0 3 对n o 。的脱除效果比w 0 3 、c e 0 2 好。 吕君英等【1 8 】总结了n h 3 、尿素、c d 、h 2 和烃类等还原剂还原n o 。的反应机 理以及还原过程中所形成的中间体，论述了载体表面氧空缺以及催化活性中心对 脱除n o x 的影响。刘涛等【l9 】制备载体为锐钛型t i 0 2 的多元v 2 0 5 w 0 3 ( m 0 0 3 、 c e 0 2 ) t i 0 2 催化剂，对比研究n h 3 n o 比、反应温度以及不同助催化剂情况下n o 、 n 0 2 和n 2 0 的转化。m 0 0 3 对n o 。的脱除效果较w 0 3 、c e 0 2 更明显；c e 0 2 催化 剂不混合其它金属氧化物时其低温效应不明显；w m o = i 2 时混合催化剂催化效 果较好。 ( 3 ) 内扩散显著影响n o 。转化率和反应速率。 钟秦等【2 0 、2 1 】研究了片状v 2 0 5 t i 0 2 催化剂上n h 3 还原n o x 中传质对反应的 影响。v 2 0 5 t i 0 2 催化剂上n h 3 还原n o x 为1 级反应，内扩散显著影响n o x 转化 率和反应速率。卢红玲等【】研究了乙醇在非贵金属氧化物脱硝催化剂上还原n o x ， 在c 2 h s o h 还原n o x 的反应中应用改性的t i 0 2 载体y - a 1 2 0 3 负载的c u o f e 2 单组 分催化剂与c u o f e 2 0 3 双组分催化剂有很好的效果。田柳青等【2 3 】自行研发了贵金 属p d - p t - r h a 1 2 0 3 、钒氧化物v 2 0 5 w 0 3 m 0 0 3 t i 0 2 a 1 2 0 3 及过渡金属氧化物 c u o n i o c o o - z n o - m n 0 2 一c r 2 0 3 - b a o f e 2 0 3 c a o a 1 2 0 3 等三种催化剂，并比较其 各种工艺参数下的脱硝性能，总结了三种催化剂各自的适用范围。 ( 4 ) f e 能促进催化剂i n h z s m 5 的脱硝催化活性。 王晓东等【2 4 2 5 】采用金属氧化物来提高i n h z s m 5 的催化活性，甲烷还原n o 的分子筛催化剂的性能首次利用非贵金属来改进。研制了一种新型的 i n f e 2 0 3 h z s m 一5 催化剂使得c h 4 s c r 具有很好的反应性能，且分子筛催化剂抗 水性能强。通过研究不同助剂影响c h 4 s c r 反应活性的情况发现f e 能促进催化 剂i n h z s m 5 的脱硝催化活性。 ( 5 ) c u o a c 催化剂低温脱除s 0 2 活性高，适合应用于同时脱硫脱硝。 朱珍平等【2 6 2