（环境工程专业论文）scr法烟气脱硝技术的数值模拟.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着我国电力行业的蓬勃发展，火电厂氮氧化物的排放量也日益增长。选择性 催化还原( s c r ) 烟气脱硝技术由于其具有脱硝效率高、运行可靠等优点，现已成为 国内外应用最广泛的烟气脱硝技术之一。本文结合华北某已建电厂的脱硝改造工程 项目，利用f l u e n t 数值计算软件，对电厂所提供的两套s c r 脱硝技术方案进行 模拟计算。通过对s c r 系统全面研究，建立三维模型，并确定合理的数学模型，对 烟道、反应器、喷氨系统以及催化剂层区域进行了模拟计算。通过模拟结果对s c r 系统的导流装置以及喷氨格栅进行不断地调整和布置，最终获得了比较满意的结 果。此外，对两套方案的模拟结果进行了分析比较，为电厂脱硝技术方案的选择提 供了重要的参考依据。 关键词：选择性催化还原，烟气脱硝，数值模拟 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee l e c t r i ci n d u s t r yv i g o r o u s l y , t h en i t r o g e no x i d e p o l l u t i o nf r o mp o w e rp l a n t sh a si n c r e a s e ds e r i o u s l y b e c a u s eo ft h eh i g hd e n i t r a t i o n e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t ys e r v i c e ，t h es 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 ) t e c h n i q u ef o r f l u eg a sd e n i t r a t i o nh a sb e e ne m p l o y e dw i d e l ya n ds u c c e s s f u l l yi nw o r l dp o w e rp l a n t sa t p r e s e n t i nt h i sp a p e r ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v eb e e nc o n d u c t e df o rt w os c r p r o g r a m m e sb ym e a n so ff l u e n tc o m m e r c i a ls o f t w a r e ，c o m b i n i n gw i t har e n o v a t i o n p r o j e c tf o rac o a l - f i r e dp o w e rp l a n tp o w e rp l a n ti nn o r t hc h i n a b ya l l - r o u n dr e s e a r c ho f s c r ，t h r e e w a ym o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dn u m e r i c a lm o d e l i n go fs c rh a sb e e n d e c i d e d ，f l u ep i p e 、r e a c t o r 、a m m o n i ai n j e c t i o ns y s t e ma n dc a t a l y s tz o n eh a v eb e e n s i m u l a t e da n dc o m p u t e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，g u i d ep l a t e sa n da m m o n i a i n j e c t i o nh a v eb e e na d j u s t e da n da r r a n g e dc o n s t a n t l y ，t h e nt h es a t i s f a c t o r yr e s u l th a s b e e no b t a i n e d m o r e o v e r ，b ya n a l y z i n ga n dc o n t r a s t i n gt h et w os c h e m e ss i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h er e f e r e n c eb a s i sf o rd e s i g no ft h es c rs y s t e mh a sb e e ns u g g e s t e d a nx i a o l i n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o f z h a oy ia n da s s o c i a t ep r o f z h uh o n g t a o k e yw o r d s ：s e l e c t i v ec a t a l y t i c r e d u c t i o n ，f l u eg a sd e n i t r a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着我国电力行业的蓬勃发展，火电厂氮氧化物的排放量也日益增长。选择性 催化还原( s c r ) 烟气脱硝技术由于其具有脱硝效率高、运行可靠等优点，现已成为 国内外应用最广泛的烟气脱硝技术之一。本文结合华北某已建电厂的脱硝改造工程 项目，利用f l u e n t 数值计算软件，对电厂所提供的两套s c r 脱硝技术方案进行 模拟计算。通过对s c r 系统全面研究，建立三维模型，并确定合理的数学模型，对 烟道、反应器、喷氨系统以及催化剂层区域进行了模拟计算。通过模拟结果对s c r 系统的导流装置以及喷氨格栅进行不断地调整和布置，最终获得了比较满意的结 果。此外，对两套方案的模拟结果进行了分析比较，为电厂脱硝技术方案的选择提 供了重要的参考依据。 关键词：选择性催化还原，烟气脱硝，数值模拟 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ee l e c t r i ci n d u s t r yv i g o r o u s l y , t h en i t r o g e no x i d e p o l l u t i o nf r o mp o w e rp l a n t sh a si n c r e a s e ds e r i o u s l y b e c a u s eo ft h eh i g hd e n i t r a t i o n e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t ys e r v i c e ，t h es 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 ) t e c h n i q u ef o r f l u eg a sd e n i t r a t i o nh a sb e e ne m p l o y e dw i d e l ya n ds u c c e s s f u l l yi nw o r l dp o w e r p l a n t sa t p r e s e n t i nt h i sp a p e r ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v eb e e nc o n d u c t e df o rt w os c r p r o g r a m m e sb ym e a n so ff l u e n tc o m m e r c i a ls o f t w a r e ，c o m b i n i n gw i t har e n o v a t i o n p r o j e c tf o rac o a l - f i r e dp o w e rp l a n tp o w e rp l a n ti nn o r t hc h i n a b ya l l - r o u n dr e s e a r c ho f s c r ，t h r e e w a ym o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dn u m e r i c a lm o d e l i n go fs c rh a sb e e n d e c i d e d ，f l u ep i p e 、r e a c t o r 、a m m o n i ai n j e c t i o ns y s t e ma n dc a t a l y s tz o n eh a v eb e e n s i m u l a t e da n dc o m p u t e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，g u i d ep l a t e sa n da m m o n i a i n j e c t i o nh a v e b e e na d j u s t e da n da r r a n g e dc o n s t a n t l y ，t h e nt h es a t i s f a c t o r yr e s u l th a s b e e no b t a i n e d m o r e o v e r ，b ya n a l y z i n ga n dc o n t r a s t i n gt h et w os c h e m e ss i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h er e f e r e n c eb a s i sf o rd e s i g no ft h es c rs y s t e mh a sb e e ns u g g e s t e d a nx i a o l i n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a oy ia n da s s o c i a t ep r o f z h uh o n g t a o k e yw o r d s ：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 ，f l u eg a sd e n i t r a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( s c r 法烟气脱硝技术的数值模拟， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：显盟猃 日 期：幽：3 ：! 鱼 导师签名： 日期： 毕；磐芳 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 我国的能源结构以煤炭为主，因此决定了我国的电站建设以燃煤为主。随着我 国国民经济的不断发展，电力需求持续稳定的增加，使得我国能源工业得到了蓬勃 快速的发展，但是以煤电为主的格局在今后一个较长的时期内是不会改变的。因此， 火电厂的污染物排放将给当前的环境带来巨大的压力。燃煤电厂在生产过程中会产 生大量的有害污染物排入到大气中，主要有粉尘、硫氧化物( s o x ) 、氮氧化物( n o x ) 和有害金属元素等【1 1 。这些污染物对环境和人体都造成了极大的伤害。我国火电厂 的污染物排放控制首先从粉尘排放控制开始，经过三十多年的努力，燃煤电厂的烟 尘排放已得到有效的控制。在s o x 排放控制方面，我国已经开始广泛地采用烟气脱 硫技术并取得了一定成效。随着环保标准的日益严格，在n o x 排放控制方面，我国 已经高度重视，并开始采用多种措施来减少n o x 的排放。 | | | | | | | |j | | | | | | | | | | | | | | | | ：，? ? ， ， 一 ， ：，；一， i-ii_ii-i-ii 华北电力大学硕士学位论文 3 6 0 万吨，其后几年再次迅速增长，到2 0 0 2 年已高达5 4 0 万吨左右。据测算，如果 不加以控制，预计到2 0 1 0 年我国氮氧化物的排放量将达到1 7 6 5 万吨，到2 0 2 0 年 氮氧化物的排放量将达到2 6 3 9 万吨f 羽。由于氮氧化物是形成酸雨和光化学烟雾的主 要原因之一，是主要的大气污染物，因此成为继二氧化硫之后燃煤发电污染物治理 的重点。2 0 0 3 年国家环保总局颁布了新的火电厂大气污染物排放标准，对火电 厂n o x 的排放已做出限制规定，国家允许的n o x 最高排放质量浓度( 标准状态) 为 4 5 0 m g m 3 ，而且明确提出新建火电站需预留烟气脱除氮氧化物装置空间。我国并于 2 0 0 4 年7 月1 同起开始征收n o 。排污费，按照0 6 元当量( 1 当量= 0 9 5 k g ) 收取。 可见，我国对n o x 的排放已经有了更严格的限制，因此，脱硝技术的发展对我 国大气污染治理有着重要意义。目前，我国对于燃烧产生的n o x 污染的控制主要有 燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硝三类【3 1 。燃烧前脱硝是指选用低氮燃料，但成本很高， 工程应用较少。燃烧中脱硝是指改进燃烧方式和生产工艺，采用低n o 。燃烧技术， 降低炉内n o ；生成量，费用较低但脱硝效率不高。燃烧后脱硝是指在烟道尾部加装 脱硝装置，把烟气中的n o x 转变为无害的n 2 或有用的肥料。由于炉内低氮燃烧技 术的局限性，使得n o x 控制不能达到令人满意的效果，烟气脱硝将会成为我国控制 n o x 的最重要的方法。因此，探求技术上先进、经济上合理的烟气脱硝技术是现阶 段工作的重点。 烟气脱硝技术有很多种，有选择性催化还原法( s c r ) 、非选择性催化还原法 ( n s c r ) 、选择性非催化还原法( s n c r ) 、臭氧氧化吸收法、活性炭联合脱硫脱硝法 等i4 1 。这些技术有他们各自的优缺点，在选择脱硝方法时应按具体情况而定。由于 s c r 法脱硝效率高，可达9 0 以上，运行可靠，无二次污染，是目前国内外应用最 多且是最为成熟的烟气脱硝技术之一。但是s c r 法投资成本高，为避免重蹈我国烟 气脱硫技术和设备全面依赖外国的覆辙，实现s c r 国产化，我国应尽快开发技术自 主、投资低的s c r 烟气脱硝技术。 因此，在结合国外相关研究成果的基础上，通过对s c r 系统多方位全面系统的 研究，了解其内部构造、烟气流动特性、化学流动特性等，利用流场数值计算软件 选择合理的数值计算模型，确定各种数据和参数进行数值模拟，设计出一个达标可 靠的系统对我国实现s c r 烟气脱硝技术国产化意义重大。 我国已建电厂大部分没有安装脱硝装置，由于新的：火电厂大气污染物排放标 准的颁布使得氮氧化物的控制有了更严格的限制，因此对已建电厂的脱硝装置的 改造工程已逐渐提上日程。已建电厂有不同的结构和不同的燃烧方式，设计出一套 合理的脱硝改造系统尤为重要。因此，在设计脱硝系统时，采用流场数值模拟对系 统进行模拟，可以对方案的确定提供一定的参考依据，具有重要的指导意义。 2 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外s c r 脱硝技术研究现状 1 2 1s c r 脱硝技术的应用现状 选择性催化还原法( 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 ，简称s c r ) 的发明权属于美国， 而日本率先于七十年代对其实现了商业化【5 1 。1 9 7 5 年日本在s h i m o n e s k i 电厂建立了 第一个s c r 系统的示范工程，其后s c r 技术在同本得到了迅速发展。德国于2 0 世 纪8 0 年代引进s c r 技术，并规定发电量5 0 m w 以上的电厂必须配备s c r 系统， 其火力发电厂的烟气脱硝装置中s c r 大约占9 5 。美国于2 0 世纪9 0 年代初建立了 s c rt 业示范装置，对美国燃用高硫煤电厂锅炉采用s c r 技术的适应性进行了详细 地工业性试验验证。目前这一技术在发达国家已经得到了比较广泛的应用，欧洲、 同本、美国是当今世界上对燃煤电厂氮氧化物排放控制最先进的地区和国家。在这 些地区和国家，除了采取燃烧控制之外，都大量地使用s c r 烟气脱硝技术。到2 0 0 4 年为止，全世界应用s c r 系统的烟气处理技术的电站燃煤锅炉容量已超过 1 7 8 i g w l 6 1 。其中，日本共有折合总容量大约是2 3 1 g w 的s c r 设备在电力工业使 用，欧洲安装s c r 装置的机组容量约5 5 g w ，美国有近2 0 0 台总容量约i o o g w 燃 煤锅炉机组安装了s c r 装置。日本和欧洲在应用s c r 方面所取得的经验已经见诸 文献资料，关于氨的逃逸量、空间速度、n o x 的去除率、空气预热器的设计和运行 等在日本和欧洲都有很大提高。 我国s c r 技术研究开始于上世纪九十年代。早在1 9 9 5 年台湾台中电厂5 。8 号 4 x 5 5 0 m w 机组就安装了s c r 脱硝装置，大陆第一台脱硝装置是福建后石电厂的1 - 6 号6 x 6 0 0 m w s c r 脱硝装置，自1 9 9 9 年起陆续投运1 7 1 。近年来，随着我国环保标准 日益严格，燃煤电厂烟气脱硝发展加速。自2 0 0 4 年1 1 月，国华宁海电厂6 0 0 m w 和国华台山电厂6 0 0 m w 机组烟气脱硝装置国际招标开始，我国脱硝市场迅速升温。 世界各脱硝公司纷纷云集我国抢占市场，同时，受近年来我国烟气脱硫市场竞争的 影响，国内脱硝市场一开始就呈现出激烈竞争的局面。目前国内已有十多个大型环 保工程公司和锅炉厂完成和正在进行s c r 脱硝技术的引进。目前我国在建的脱硝项 目超过1 4 个，脱硝机组容量大11 4 0 0 m w 以上，其中1 2 个项目采用s c r 技术，占 在建脱硝项目总容量的7 0 左右。 1 2 2s c r 脱硝催化剂的研究现状 p i of o r z a t t i 、i s a b e l l an o v a 等人【8 】对催化剂活性及化学动力学做了研究，认为燃 煤电厂s c r 的催化剂可以选用p t 、f e 2 0 3 、c r 2 0 3 、m n o x 、n i o 、w 0 3 、v 2 0 5 、m 0 0 3 等。p t 为助催化剂比较容易受s 0 2 的影响中毒。 b o s c h 、j a n n s s e n 等1 9 1 对使用非常广泛的s c r 催化剂的催化活性进行了研究。 3u 华北电力大学硕士学位论文 在金属氧化物中，纯氧化钒以及以铝土、硅土、氧化锆、氧化钛等氧化物为载体的 氧化钒都被深入的研究。在沸石多孔结构中引入过渡金属，如x 、y 和z s m 5 离子 交换沸石，能够改善s c r 催化活性。 k r i s h n a n 等【1 0 l 研究报道了使用活性炭和活性焦作为s c r 催化剂的载体，并且在 低温下具有较高的s c r 活性。gr a m i s 等人1 1 】认为脱硝反应中w 0 3 可以作为t i 0 2 载体的形态和相态的稳定剂，抑制锐钛型t i 0 2 的烧结、金红石化和抑制s 0 2 的氧化。 a m i r i d i s 和d u e v e l 等1 1 2j 对金属氧化物添加剂，如c e 0 2 、f e 2 0 3 、c a 2 0 3 、m n 0 2 、 s n 0 2 、w 0 3 、m 0 0 3 等，对v 2 0 5 t i 0 2 基催化剂的影响进行研究。他们认为有些金属 氧化物如w 0 3 、m 0 0 3 等可以提高催化剂的活性，而有些金属氧化物虽然对催化剂 活性影响不大，并且使得脱硝效率有所下降，但可以使催化剂的其他性能有所改善。 低温脱硝催化剂的研究是目前国内外研究的一个主要方向。中科院山西煤化对 低温脱硝催化剂进行了大量研究，开发了改性活性焦同时脱硫脱硝催化剂，并在济 南正吴化纤新材料有限公司的工业锅炉上完成了中试。国电热工研究院以稀土资源 并结合其它材料进行低温s c r 催化剂及低温s c r 工艺技术的研究开发，使其能在 2 0 0 ( 2 以下温度、低成本地实现燃烧烟气的高效脱硝【l 引。 唐晓龙、郝吉明等i “l 采用低温固相法制备的无载体m n o x ( l s ) 催化剂用于n o x 的低温n h 3 选择性催化还原研究。试验表明，m n o ，( l s ) 低温活性异常突出，8 0 时n o x 转化率即可达到9 8 2 5 。 清华大学宣小平等【1 5 】以飞灰作为催化剂的载体，担载f e 、c u 、v 、n i 等过渡 金属作为活性成分制成脱硝催化剂，对飞灰作为载体的催化剂进行了各种表征分 析，考察了催化剂的制备条件对脱硝效率的影响，利用固定床反应装置进行了催化 脱硝实验研究。结果发现，飞灰作为脱硝催化剂的载体是可行的，其中担载c u 作 为活性成分时脱硝效率最好，在温度为2 7 0 ( 2 时n o 的转化率达9 0 以上。并且对 活性炭和页岩灰作载体时的催化脱硝特性进行了对比研究，发现飞灰的催化活性仅 次于活性炭，而页岩灰的活性最差。 南京理工大学的曲虹霞、钟秦1 1 6 l 制备了组分为w 0 3 v 2 0 5 t i 0 2 的催化剂，在固 定床反应器中，对n h 3 选择性催化还原n o x 进行实验研究。研究表明，s c r 反应在 催化剂表面进行，催化剂的表面积和微孔特性很大程度上决定了催化活性。温度、 接触时间、催化剂中v 2 0 5 的量和n h 3 投入量对s c r 反应有较大影响。 东南大学的刘涛、金保升等【1 7 l 通过以纳米级锐钛型t i 0 2 为载体制备多元v 2 0 5 w 0 3 ( m 0 0 3 、c e 0 2 ) t i 0 2 脱硝催化剂，并进行脱硝性能的对比，研究了反应温度、 氨氮摩尔比以及不同助催化剂情况下对n o 、n 0 2 和n 2 0 转化的影响。结果表明， m 0 0 3 较w 0 3 、c e 0 2 对n o 、n 0 2 的脱除效果更明显，但其生成的n 2 0 也高于后者。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3 数值模拟在烟气脱硝技术中的研究现状 现代力学及计算机技术的发展使得对于复杂的流动、换热、化学反应的数值预 测成为可能。在大型电站锅炉中，s c r 烟气脱硝过程十分复杂，计算流体力学( c f d l 软件的引入对s c r 反应器及其相关的烟道系统对流体流动、传热传质、多组分输运、 化学反应等过程进行预测，将有助于设计更为合理的烟气脱硝系统，并为系统调节 建立理论依据，降低工程风险。目前，在多个s c r 系统的数值模拟之后已经可以形 成一个完整的数据库用来判断、比较和预测设计的优劣。 h o j e o n gc h a e 等人【l8 j 直接采用填充床流动反应器模拟蜂窝状 v 2 0 5 一w 0 3 一t i 0 2 催化剂催化反应。在这个模型中充分考虑了蜂窝状反应器的扩散 阻力，预测了蜂窝状反应器的催化剂壁厚和孔结构等对n o 脱除活性和n h 3 泄漏的 影响，通过模型验证扩散阻力对商业规模s c r 反应器的设计具有重要作用，在商业 规模的蜂窝状反应器中流动形态和n h 3 的分布对n o 脱除的运行影响较大。 b r o d u i t ，a b a i k c r 等l l9 j 采用有限元法( f e m ) 对蜂窝状催化剂建立了三维模型。 他们认为蜂窝状催化剂的通道断面通常为正方形或三角形，不适用简单的一维动力 学模型，管口处附面层对充分发展段的气流速度有一定影响。他们从传质平衡方程 和浓度平衡方程中计算出了外部传质系数。在考虑附面层影响以及氧化副反应的前 提下对实际柴油机尾气采用蜂窝状催化剂脱硝进行了三维模型模拟，通过数值模拟 计算比对，他们认为在温度为1 4 0 - - 4 5 0 ，空速比在1 4 8 0 0 - 7 3 9 0 0 h 。1 的时候， n o x 脱除效率、n h 3 泄漏与催化剂、氨氮比、空速比、氨氮混合度等几个因素有关。 哈尔滨工业大学曹庆喜等人【2 0 j 借助f l u e n t 软件平台，对6 0 0m w 煤粉炉建 立了数学模型，模拟了炉内流动、传热及燃烧过程。计算获得的炉膛出口平均烟温 和烟气组分浓度与设计值符合良好。并且采用三菱现代燃烧技术( m a c t ) 燃烧技术 和p m 燃烧器使得n o x 生成量较少，且一部分生成的n o x 被还原，炉膛出口n o x 浓度较低，可满足选择性非催化还原技术对初始n o 。浓度的要求。 华北电力大学的董建勋【2 l 】进行了s c r 脱硝小型试验、s c r 脱硝中间试验、反 应器混合与均流冷态实验、以及s c r 脱硝数值模拟。根据催化剂脱硝宏观特性试验 数据和s c r 脱硝机理建立了s c r 烟气脱硝反应过程数学模型。将偏微分方程数值 解法与无约束非线性最优化算法相结合，提出了利用s c r 烟气脱硝宏观反应数据推 算s c r 烟气脱硝模型中关键参数的方法。基于s c r 数学模型并采用概率分布描述 反应物的不均匀性，提出了一种对反应物不均匀性对脱硝性能的影响的模拟分析方 法。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 3 课题研究内容 本课题研究的主要内容是针对华北某电厂s c r 脱硝系统改造工程的两套技术 方案，利用f l u e n t 数值模拟软件分别对不同方案s c r 系统的烟道及反应器内部 烟气流场进行数值计算，较真实地反映模拟实际运行过程中的各种状态，并对其进 行性能分析，根据所得结果确定最佳的布置方式，并且对两套不同方案的模拟结果 情况进行对比，分析其优劣。主要工作有以下几个方面： 1 、通过对s c r 脱硝技术的机理研究，对s c r 脱硝系统进行全面分析，并对影 响脱硝效率的各种因素，如：催化剂形式、温度、还原剂的量、气体混合程度等进 行分析讨论，并对s c r 系统内各部分的设计要求进行介绍。 2 、简要介绍f l u e n t 数值模拟软件，以及数值模拟的步骤，并确定s c r 脱硝 系统选取的数学模型。 3 、利用f l u e n t 数值模拟软件，针对不同设计方案的s c r 系统建立三维模型， 进行数值模拟计算。主要通过对s c r 系统内的烟道和反应器中混合气体的流动情 况、氨空气喷射系统中氨与烟气的混合情况以及催化剂层的化学反应过程进行数值 模拟。通过模拟结果分析s c r 系统内的气体流动特性，并根据设计要求，确定出合 理的导流板布置方式以及喷氨系统。通过对催化剂层的模拟，得出脱硝效率。 4 、根据模拟结果，对两套设计方案进行对比分析，得出二者的优劣之处，为 此电厂s c r 脱硝系统设计方案的选择提供参考依据。 5 、增加s c r 脱硝系统对电厂运行将产生一定的影响，对这些影响因素进行分 析，并提出可行的解决措施。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章s c r 烟气脱硝技术 2 1s c r 脱硝技术的反应原理 选择性催化还原法( 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 ，简称s c r ) 是指将氨、烃类等 还原剂( 电厂多用氨) 喷入烟气中，利用催化剂将烟气中的n o x 转化为n 2 和h 2 0 。在 氨选择催化反应过程中，n h 3 可以选择性地和n o x 发生反应，而不是被0 2 氧化， 因此，反应又被称为“选择性”。 主要反应式1 2 2 , 2 3 】： 4 n o + 4 n h 3 + ( 如叫4 n 2 + 6 h 2 0 ) 6 n o + 4 n h 3 5 2 + 6 h 2 0 2 n 0 2 + 4 n h 3 + d 2 3 n 2 + 6 h 2 0 6 n 0 2 + 8 n h 3 7 2 + 1 2 h 2 0 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 因为锅炉烟气中的大部分n o x 均是以n o 的形式存在的，n 0 2 一般约占n o ，浓 度的5 ，影响并不显著。所以，反应以( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 为主。 反应原理如图2 1 所示： 铽。注入 鹋泸础 鬟， 。 m l 蜡吱鳊 毒呵7 t ，r 、巴， 7 j l i 气 泸 华北电力大学硕士学位论文 4 n h 3 + 5 0 2 4 0 + 6 h 2 0 2 n h 3 + 2 0 2 一2 d + 3 h 2 d ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 由于反应温度的改变，s c r 催化剂同时也会将烟气中的s 0 2 氧化为s 0 3 ，s 0 3 又能与逃逸的氨继续反应，发生如下副反应t 2 s 0 2 + 0 2 屿笳d 3 n h ，+ s 0 3 + h p n h4 h s 0 4 2 n h 3 + s d 3 + h 2 d 一( m 4 ) 2 s o , s o , + h 2 d h 2 s o , 2 2s c r 系统布置方式及工艺流程 2 2 1 布置方式 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) s c r 反应器可以安装在锅炉之后的不同位置，如图2 2 所示，布置方式有三种t 高温高尘、高温低尘及低温低尘的布置形式【2 4 1 。高温高尘布置方式是指将s c r 反 应器布置在省煤器和空气预热器之间，其优点是催化反应器处于3 0 0 4 0 0 的温度 范围内，有利于反应的进行，但是由于催化剂处于高尘烟气中，条件恶劣，磨刷严 重，寿命将会受到影响。高温低尘布置方式是指s c r 反应器布置在空气预热器和高 温电除尘器之间，该布置方式可防止烟气中飞灰对催化剂的污染和对反应器的磨损 与堵塞，其缺点是在3 0 0 - 4 0 0 的高温下电除尘器运行条件差。低温低尘布置( 或称 尾部布置1 方式是将s c r 反应器布置在除尘器和烟气脱硫系统之后，催化剂不受飞 灰和s 0 2 的影响，但由于烟气温度较低，仅为5 0 6 0 之间，一般需要气气换热器 或采用燃烧器将烟气温度提高到催化剂的活性温度，从而将会增加能源消耗和运行 费用。 ( a ) 高温高尘布置 8 华北电力大学硕士学位论文 ( b ) 高温低尘布置 ( c ) 低温低尘布置 图2 2s c r 系统布置方式示意图 由于锅炉省煤器与空气预热器之间的烟气温度刚好适合s c r 脱硝还原反应，氨 被喷射于省煤器与s c r 反应器间烟道内的适当位置，使其与烟气充分混合后在反应 器内与n o x 反应，脱硝效率可达8 0 以上，因此，高温高尘布置是目前应用最广泛 的布置方式。 2 2 2 工艺流程 s c r 系统一般是由氨的储存系统、氨空气喷射系统、催化反应器系统、省煤气 旁路、s c r 旁路、检测控制系统等组成1 2 副。首先，液氨由液氨罐车运送到液氨储罐， 输出的液氨经过蒸发器变成氨气，再将其加热到常温后送入氨缓冲槽中备用。运行 时，将缓冲槽的氨气经减压后送入氨空气混合器中，与来自送风机的空气混合，之 后混合气体进入烟道内的喷氨格栅，喷入烟道后再通过静态混合器与烟气充分混 合，继而进入到s c r 反应器中。工艺流程如图2 3 所示。 2 3 影响s c r 过程的因素 2 3 1s c r 催化剂 s c r 技术的关键是催化剂的选择。催化剂的种类、反应温度、形式、寿命等都 9 华北电力大学硕十学位论文 对s c r 脱硝效率有很大的影响。 图2 - 3s c r 系统工艺流程图 2 3 1 1 催化剂的种类 不同的催化剂有不同的活性和物理性能。按照活性组分不同，s c r 催化剂可分 为金属氧化物、碳基催化剂、分子筛催化剂和贵金属催化剂。目前，实际应用较多 的是金属氧化物催化剂。经研究表明，t i 0 2 具有较高的活性和抗s 0 2 的氧化性，是 最合适的脱硝材料：v 2 0 5 表面呈酸性，容易与碱性的氨发生反应，并能在富氧环境 下工作，工作温度低，抗中毒能力强，可负载于s i 0 2 、a 1 2 0 3 、t i 0 2 等氧化物中； w 0 3 有助于抑制s 0 2 向s 0 3 的转化。因此，电厂通常多采用的催化剂是以多孔t i 0 2 作为载体，起催化作用的活性成分v 2 0 5 和w 0 3 分布在其表面【2 引。 2 3 1 2 催化剂的反应温度 不同种类的催化剂具有不同的适宜温度范围。当反应温度超出适宜的温度范围 时，在催化剂上将发生副反应。副反应不但对脱硝效率有所影响，而且会导致催化 剂活性降低。大量研究表明【2 7 , 2 8 】，对于电厂通常采用的钒催化剂，当反应器温度超 过3 9 9 时，氨的氧化对脱硝过程才有显著影响。此外，在3 2 0 ( 2 以下，s 0 3 容易和 逃逸的氨反应生成铵盐，不但减少了与n o x 的反应，而且铵盐附着在催化剂表面， 将会使得催化剂活性降低。另外，有研究表明【2 9 1 ，s c r 脱硝效率开始时随着温度的 增加而增加，当温度达到一定值时，效率将会随温度的增加而下降。因此，s c r 系 统运行温度应该维持在3 2 0 4 0 0 之间，可达到较高的脱硝效率。 2 3 1 3 催化剂的形式 1 0 华北电力大学硕士学位论文 s c r 反应器中的催化剂形式主要有蜂窝式、板式以及波纹板式。蜂窝式催化剂 具有模块化、相对质量比较轻、长度易于控制、比表面积大、回收利用好等优点。 板式催化剂优点是对烟气的高尘环境适应力强，但具有比表面积小等缺点。波纹板 式催化剂优点是比表面积较大，压降较小。由于蜂窝式催化剂耐久性、可靠性较好， 因此是目前应用的较多的催化剂形式【3 0 l 。表2 - 1 为各种催化剂性能参数的比较。 2 3 1 4 催化剂的寿命 催化剂的费用很高，是整个s c r 系统投资和运行的主要成本。在s c r 系统运 行过程中，催化剂会因为各种物理化学作用，如高温烧结、冲蚀、固体颗粒沉积堵 塞、碱金属或重金属中毒等，引起催化剂性能的下降甚至失效。随着催化剂活性的 降低，反应速率减小，脱除n o 。的效率也会降低。当氨逃逸达到最大值或允许水平 时就必须更换新的催化剂。因此，需要采取合理的预防措施来延长催化剂的使用寿 命。 表2 1 为各种催化剂性能参数 2 3 2 还原剂氨 2 3 2 1 氨气输入量 研究表明f 2 9 1 ，随着n h 3 n o 置摩尔比的增加，n o x 的脱除效率也将增加。n h 3 量不足会导致n o x 的脱除率降低；若n h 3 投入量过多，n h 3 氧化等副反应的反应速 率将加大，也会导致n o x 的脱除率降低，同时还会增加未转化n h 3 的排放量，造成 二次污染。因此，在s c r 工艺中，n h 3 n o x 摩尔比一般控制在o 8 1 2 之间。 2 3 2 2 氨与烟气的混合程度 1 1 华北电力大学硕士学位论文 氨和烟气在进入s c r 反应器前进行混合，如果混合的不充分，n o x 和氨不能充 分反应，n o 。脱除率会有所降低并且会增加氨的逃逸量，催化剂活性降低。因此， 脱硝反应物必须被雾化并与烟气尽量混合，以确保与n o x 有足够的接触。采用合理 的喷嘴格栅，并为氨和烟气提供足够长的混合烟道，是使氨与烟气均匀混合的有效 措施，并能够使得n o x 脱除率、氨逃逸量和催化剂寿命得到保证。 2 3 2 3 氨逃逸 氨逃逸是指过量的反应物通过反应器排放到烟气中。在s c r 系统中，氨逃逸量 不会保持不变，而是随着催化剂活性的降低逃逸量增加。由于氨泄露到大气中会对 大气造成新的污染，因此在进行s c r 设计时，要求在接近理论化学当量比时，提供 足够的催化剂量，以便维持较低的氨逃逸水平，一般要求在5 p p m 以下【2 4 l 。 2 3 3 空间速度( s v ) 空间速度是指烟气体积流量( 标准温度和压力下的湿烟气) 与s c r 反应器中催化 剂体积的比值，是烟气在s c r 反应器内的停留时间尺度。烟气的空间速度越大，烟 气在反应器内停留时间就会越短，反应不充分，氨的逃逸量增大，同时烟气对催化 剂骨架的冲刷也大，脱硝效率就会降低。通常，将根据反应器的布置、脱硝效率、 烟气温度、允许氨逃逸量及粉尘浓度等确定空间速度。 2 4s c r 系统的设计 烟气、氨、飞灰等在反应器入口分布情况直接影响着脱硝效率。不合理的流场 设计会导致n o x 脱除效率下降，系统阻力增大，飞灰堆积并堵塞催化剂，影响整个 s c rt 程的运行1 3 。因此，s c r 反应器、氨空气混合系统、烟道系统的布置和设 计在整个s c r 工程中占据着重要地位。 2 4 1s c r 反应器的设计 反应器是s c r 装置的核心部件，是提供烟气中的n o x 与n h 3 在催化剂表面上 生成n 2 和h 2 0 的场所。反应器设计影响s c r 系统的投资成本和运行成本，以及催 化剂用量等方面。目前在燃煤电厂的s c r 工程中应用较多的是完全s c r 反应器设 计，是将催化剂放置在单独的反应器空间内，锅炉烟气用管道从省煤气出口输送到 s c r 反应器，完成脱硝后接着再到空气预热器进口。这种反应器允许每一层安装大 量的催化剂，增加n o ；的脱除量和催化剂寿命，也增加了可用于在进入反应器之前 混合反应物的管道长度。然而，单独的反应器需要大量邻近锅炉的空间来安装反应 器和管道，增加的管道系统阻力通常需要增加引风机的能力。 s c r 反应器本体的设计除满足相应的工业标准外，反应器应与周围设备布置相 华北电力大学硕士学位论文 协调，设计成烟气竖直向下流动，入口设气流均布装置，并在入口及出口段设导流 板，对于反应器内部易于磨损的部位应设计必要的防磨措施。反应器内烟气流速应 满足工程设计要求，一般流经s c r 反应器本体的烟气流速在5 m s 左右。反应器内 应设置相应的吹灰装置，使烟气流动顺畅，并采取保温措施，使得经过反应器的烟 气温度变化小于5 。 在s c r 系统中，为确保催化剂层的理想烟气条件，避免催化剂堵塞或磨损所造 成的损失，运用c f d 软件对s c r 系统进行计算流体力学模拟能快捷有效地达到设 计目的。烟气在进入第一层催化剂时需满足下列条件：速度最大偏差不超过平均值 1 5 ；温度最大偏差不超过平均值1 0 ；氨氮摩尔比的最大偏差不超过平均值 5 【2 1 。 2 4 2 氨空气喷射系统的设计 s c r 工程设计之一就是保证烟气中的n o x 和还原剂n h 3 的最佳湍流混合。首先 是氨与空气的混合，然后稀释后的氨由喷射装置喷入烟道，通过均流装置达到与烟 气的最佳混合。 氨与空气混合后，稀释后的氨利用喷射装置喷到烟气中。目前成熟的技术产品 有喷氨格栅( a i g ) 及导流板。传统的喷射格栅氨混合器一般需要较长的混合距离，经 长期运行后有时发现有喷嘴堵塞现象，造成混合不均匀，系统调节复杂。因此，随 着技术的进步出现了许多改进性的产品，如奥地利e n v i r g y 公司的s c r 氨喷射 混合系统、f b e 公司( 费赛亚巴高科技环保公司) 的v o r t e xm i x e r ( 涡流混合器) 氨涡流 混合技术以及巴克一杜尔公司的三角翼混合器等，都已应用于s c ri 程中。 每台s c r 反应器应设置一套氨喷射混合系统，喷射系统应设置流量调节阀， 能根据烟气不同的工况进行调节。喷射系统应具有良好的热膨胀性、抗热变形性和 抗震性。系统应按照现场的实际情况合理布置，依据烟道的截面、长度、s c r 反应 器本体结构型式等进行氨烟气混合系统的设计，使得注入烟道的氨与烟气在进入 s c r 反应器之前充分混合，使催化剂均匀发挥效用。 2 4 3 催化剂的设计 在s c r 烟气脱硝方案中，催化剂的投资占了整个系统投资的较大比例，并且催 化剂的寿命一般在2 3 年左右，因而催化剂更换频率的高低直接影响到整个脱硝系 统的运行成本，催化剂的选择也是整个s c r 系统中的重点。试验结果和研究表明， 催化剂因烟气特性的不同而异。对于煤灰炉，由于排出的烟气中携带大量飞灰和 s 0 2 ，因此，选择的催化剂除应具有足够的活性外，还应具有隔热、抗尘、耐腐、 耐磨及低s 0 3 转化率等特性。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 催化剂的堵灰会造成催化剂的活性降低。严重的堵灰，除了使催化剂失活以外， 还会使得催化剂腐蚀加剧以及烟气阻力升高，对锅炉烟风系统的正常运行也会带来 不利影响。在脱硝装置的运行中，需要根据设计要求，考虑防止催化剂堵灰的措施