（化学工程与技术专业论文）烟气脱硝反应器气体预分布器结构和混合性能研究.pdf

摘要 烟气脱硝反应器气体预分布器结构和混合性能研究 摘要 s c r 是目前应用最广、效率最高的烟气后处理脱硝技术之一，影响 s c r 系统脱硝效率的因素较多，其中混合气体在反应器中的混合程度决 定着氨的逃逸率、催化剂的寿命和脱硝性能等，优化设计s c r 系统内部 结构可以改善速度场和浓度场的分布。本文以某电厂燃煤锅炉附设的 s c r 反应器为研究对象，使用f l u e n t 软件进行数值模拟，考察s c r 系 统内烟气的流动特性，使用正交试验设计方法研究导流板、静态混合器和 多孔板对s c r 系统内气体分布的影响，并将根据f l u e n t 模拟计算得到 的参数作为模型边界条件，建立s c r 系统动态模型实验，来验证数值模 型的正确性及可靠性。以期为s c r 工艺设计提供参考。 首先，通过对s c r 系统的数值模拟，考察影响速度场和浓度场分布 的因素敏感性顺序。结果表明：对于催化剂入口截面上y 轴向速度分布来 说，影响因素的敏感顺序：b 4 导流板 静态混合器 b 2 导流板 b 1 导流板 多孔板 b 3 导流板；对于催化剂入口截面上浓度分布来说，影响因素的 敏感顺序：b 1 导流板 多孔板 b 3 导流板 b 4 导流板 静态混合器 b 2 导 流板。 其次，通过正交试验设计方法，得到了s c r 系统的优化模型，考察 未加入静态混合器、多孔板以及导流板的空白模型和优化模型的数值模拟 结果，结果表明：加入静态混合器、多孔板以及导流板的优化模型中混合 气体的速度变化幅度明显减小，在一定的区域内速度分布均匀；有效改善 j e 京化工大学硕士学位论文 s c r 系统中混合气体的流动方向，减小回流区域；改变了s c r 系统中还 原剂气体的流动，并不利于催化剂入口界面上浓度的均匀分布。 最后，根据数值模拟的结果，建立s c r 系统的冷态实验，考察冷态 实验与数值实验的一致性。结果表明：对于浓度的均匀分布，影响因素的 敏感顺序是：b1 导流板 多孔板 b 3 导流板 b 4 导流板 静态混合器 b 2 导流板，多孔板孔隙率的最优水平是2 2 4 ，b 1 导流板板数的最优水平 是2 块；这与数值模拟的结果一致，其中b 1 导流板和多孔板均位于喷氨 格栅的上游，而位于喷氨格栅下游的导流板对s c r 系统催化剂入口截面 上的浓度分布影响较小，同时浓度分布和喷氨格栅的结构有关，即催化剂 入口截面与喷氨格栅所在的截面相对应，越靠近喷氨格栅入口的支管，喷 出的气体越多，所对应的催化剂入口截面上浓度也越大，因此，对于浓度 均匀分布的设计研究应该主要从改造喷氨格栅的结构入手，使氨尽量均匀 地进入s c r 系统。 关键字：选择性催化还原，正交试验设计，数值模拟，速度分布 l i a b s t r a c t s t r u c t u r ed e s i g na n dm i n gp e r f o r m a n c eo f g a sp r e - d i s t r i b u t o r sf o 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 r s a b s t r a ct 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 ) f o rt h ef l u eg a sd e n i t r i f i c a t i o n h a sb e e nu s e dw i d e l yd u et oi t s r i p et e c h n i q u e m a n yf a c t o r sa f f e c t t h e p e r f o r m a n c eo fas c rs y s t e m f o re x a m p l e ，t h ed i s t r i b u t i o no fg a sm i x t u r ei n t h er e a c t o rd e t e r m i n e st h es l i pr a t eo fa m m o n i a ，t h el i f eo fc a t a l y s ta n dt h e d e n i t r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y t h ed e s i g n e dd e v i c e sa lei n s t a l l e di nt h es c r s y s t e mt oi m p r o v et h eg a sv e l o c i t ya n dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n i nt h i s p 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 dt ou n d e r s t a n dt h ef l o w c h a l a c t e r i s t i c so fs c rs y s t e mb yt h ef l u e n ts o f t w a r e t h r o u g ho r t h o g o n a l e x p e r i m e n td e s i g nm e t h o d ，t h ei n f l u e n c e so ft h eg u i d ep l a t e ，t h es t a t i cm i x e r a n dt h ep o r o u sp l a t eo nt h eg a sd i s t r i b u t i o nh a v eb e e ns t u d i e di nt h es c r s y s t e m ac o l d m o d e le x p e r i m e n t a ls e t u ph a sb e e ne s t a b l i s h e dt ov e r i f yt h e n u m e r i c a lr e s u l t s t h ee x p e r i e n c eg a i n e dm a yt h e r e f o r es e r v ea sv a l u a b l e r e f e r e n c ef o rd e s i g n f i r s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v eb e e na d o p t e dt os t u d yt h es e n s i t i v i t y s e q u e n c eo fi n f l u e n c ef a c t o r s t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h es e n s i t i v i t y i i i 北京化工大学硕士学位论文 s e q u e n c eo fi n f l u e n c ef a c t o r sf o r t h eya x i sv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no nt h ec a t a l y s t e n t r a n c es e c t i o ni st h eb 4g u i d ep l a t e t h es t a t i cm i x e r t h eb 2g u i d ep l a t e t h eb1 g u i d ep l a t e t h ep o r o u sp l a t e t h eb 3g u i d ep l a t e ；f o rt h e c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n ，t h es e n s i t i v i t ys e q u e n c eo fi n f l u e n c ef a c t o ri s ：t h e b1g u i d ep l a t e t h ep o r o u sp l a t e t h eb 3g u i d ep l a t e t h eb 4g u i d ep l a t e t h es t a t i cm i x e r t h eb 2g u i d ep l a t e s e c o n d ，b o t ht h eo p t i m i z a t i o n m o d e lo b t a i n e dt h r o u g ho r t h o g o n a l e x p e r i m e n td e s i g nm e t h o da n dt h eb l a n km o d e lh a v eb e e nc o m p a r e dt os t u d y t h ei m p a c to ft h es t a t i cm i x e r , t h ep o r o u sp l a t ea n dt h eg u i d ep l a t e t h er e s u l t s i n d i c a t et h a t t h e y a c h i e v eu n i f o r m i t yo fv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nt h e o p t i m i z a t i o nm o d e l a n dt h e ye f f e c t i v e l yi m p r o v et h eg a sf l o wd i r e c t i o na n d r e d u c et h ea r e ao fb a c kf l o w t h o u g ht h es t a t i cm i x e r , t h ep o r o u sp l a t ea n dt h e g u i d ep l a t ec h a n g ef l o wo fg a sm i x t u r ei nt h es c rs y s t e m ，t h e yd on o t a c h i e v eu n i f o r md i s t r i b u t i o no fc o n c e n t r a t i o no nt h ec a t a l y s te n t r a n c es e c t i o n f i n a l l y ，t h ec o l d - m o d e le x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s i t i v i t y s e q u e n c eo fi n f l u e n c ef a c t o r sf o rt h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni st h eb 1g u i d e p l a t e t h ep o r o u sp l a t e t h eb 3g u i d ep l a t e t h eb 4g u i d ep l a t e t h es t a t i c m i x e r t h eb 2g u i d ep l a t e t h ee x c e l l e n tp o r o s i t yo ft h ep o r o u sp l a t ei s2 2 4 ， w h i l et h ee x c e l l e n tn u m b e ro ft h eb1g u i d ep l a t ei s2 a n dt h ec o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o no f g a s m i x t u r ei s c l o s e l y r e l a t e dt ot h es t r u c t u r eo f a m m o n i a - i n je c t i o ng r i d b e c a u s et h ep o r o u sp l a t ea n dt h eb 1g u i d ep l a t ea r e l o c a t e di nu p s t r e a mo fa m m o n i a - i n j e c t i o ng r i d ，t h eg u i d ep l a t e sl o c a t e d a b s t r a c t d o w n s t r e a mo fa m m o n i ai n j e c t i o ng r i dl i t t l ea f f e c tc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n o nt h ec a t a l y s te n t r a n c es e c t i o no ft h es c rs y s t e m a n dt h es e c t i o no f a m m o n i ai n j e c t i o ng r i dc o r r e s p o n d st ot h ec a t a l y s te n t r a n c es e c t i o n ，t h em o r e g a sf l o wf o r mt h et u b em o r ec l o s et ot h ee n t r a n c eo fa m m o n i a ，t h eh i g h e r c o n c e n t r a t i o ni nt h ec o r r e s p o n d i n gr e g i o no ft h ec a t a l y s te n t r a n c es e c t i o n t r a n s f o r m i n gt h es t r u c t u r eo fa m m o n i a i n j e c t i o ng r i di s i m p o r t a n ti nt h e i n d u s t r yd e s i g nf o ra m m o n i au n i f o r md i s t r i b u t i o no fs c rs y s t e m s k e yw o r d s ：s e l e c t i v i t yc a t a l y t i c r e d u c t i o n ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t d e s i g nm e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n v 符号说明 主要符号说明 绝对温度，k 密度，k g m 。 平均速度， 1 1 1 s 1 脉动速度，m s 。1 湍流动能耗散，l u 湍流脉动动能， 动力粘度系数 有效粘度系数 湍流粘度系数 质量分数 压降，p a 速度，m s 1 孔隙率 内部阻力因子 多孔板厚度，h i m 体积流量，m 3 - h - 1 压力；p a 速度的相对偏差 体积分数 r p 万矿 g 尼 肛以y 舻 y 仅q 锄y p 所c 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 的法律结果由本人承担。 作者签名：堕亟虱日期：2 坐堡量且圣! 旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名! 鸯函函一一 日期_ 至! 丝生叁旦圣坦 导师签名：盔2 堑垂日期：塑坦兰：! 望 第一章文献综述 引言 第一章文献综述 随着经济的快速发展，大气污染问题越来越突出。在我国，大气污染的主要特征 是煤烟型污染。据统计，我国1 9 9 8 年s 0 2 的排放总量为1 8 6 0 万吨，2 0 0 1 年n o x 的排放 总量为7 7 0 万吨，其中约6 0 来源于燃煤烟气，2 0 0 3 年达至f j 2 1 6 0 万吨，其中8 0 以上来 源于燃煤烟气【l 五”】。烟气中的s 0 2 、n o x 是形成酸雨、酸雾和光化学烟雾的主要物质， 对人类和环境有着极大的危害。随着工业的迅速发展，煤炭消耗量日益增多，s 0 2 和 n o x 排放量将不断增长。专家预测，如果按照目前的排放情况，2 0 1 0 年n o x 的排放量 将达n s s 0 万吨左右，2 0 1 5 , - - - 2 0 2 0 年期间，火电n o x 排放总量将会超过s 0 2 ，成为电力 行业的第一大酸性气体污染物【3 1 ，因此，控n n o x 排放已势在必行。 2 0 世纪6 0 年代，许多发达国家曾一度出现s 0 2 的严重污染，美国、日本和德国率 先把治理重点转向解决s 0 2 污染，并取得了显著的成效。而各国对n o x 污染的控制都 比较晚，基本上是s 0 2 得到控制之后才开始的，所以n o x 脱除技术不如s 0 2 成熟。8 0 年代，各个国家相继制订了n o x 排放标准和法律法规，并对工业锅炉安装脱硝装置， n o x 控制技术逐渐走向工业化；9 0 年代，美国、日本和德国等发达国家的n o x 排放基 本得到控制【4 1 。我国于9 0 年代后期开始制订政策法规来限制n o x 排放，随着近年来电 力需求增长迅速，n o x 排放量增多，国家对n o x 的排放标准规定越来越严格。2 0 0 3 年 提出了新的限制标准，最低为4 5 0m g n m o ，为此，不少企业引进了国外的烟气脱硝技 术和设备。但大量重复引进国外技术，导致脱硝行业严重依赖国外技术支持并且技 术费用高，建设周期长，不能满足国内日趋增长的市场需求。同时，也存在授权地与 授权时间限制，容易陷入知识产权陷阱【8 , 1 0 ，不利于国内电力环保事业的长期健康发 展。因此，我国要大力发展烟气脱硝技术。 1 1n o x 的生成途径及危害 在煤燃烧过程中，生成n 0 x 的途径有三个【6 】： 热力型n o x ：空气中的氮气在高温下氧化而形成的n o x 。 燃料型n o x - 燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解并氧化而生成的 n o x 。燃料型比热力型更容易生成，当燃料中氮质量分数超过0 1 时，生成的n o x 将 以燃料型n o x 为主，约占总数的7 5 , - - - 9 0 。 。 快速型n o x ：燃烧时空气中的氮与燃料中的碳氢粒子团反应生成的n o x 。快速 型n o x 与热力型n o x 和燃料型n o x 相比，其生成量少的多，一般占总n o x 生成量的5 北京化工大学硕士学位论文 以下，可忽略不计。 通常情况下，煤燃烧生成的n o x 在烟气中的含量小于1 ，其中，n o 占n o x 的9 0 以上，n 0 2 占5 , - - , 1 0 ，而n 2 0 只占1 左右【9 1 。大气中n o x 浓度的增加将使大气氧化 性增强，导致一系列的环境问题，严重地危害人体健康和生态环境。 研究发现，n o 在生物体内起着重要的生理作用剐j 。但n o 与血液中血红蛋白亲和 力较强，使血液输氧能力下降，人体急性中毒后会出现缺氧并发症状。n o 还导致中 枢神经系统受损，引起痉挛和麻痹。高浓度中毒时，将迅速导致肺部充血和水肿，甚 至窒息死亡。 在空气中，n o 会很快被氧化成为n 0 2 ，这个反应在光照和碳水化合物环境下会发 生的更快。n 0 2 比n o 的毒性高4 倍，其味道在l p p m 时就能被感觉到。n 0 2 对呼吸系统 有严重刺激作用，能使血液中血红蛋白硝化，人在4 0 0 p p m - - 氧化氮的大气中呼吸5 m i n 就可以招致死亡。同时n 0 2 还对植物有损害作用，2 5 p p m n 0 2 在7 d , 时内可使豆类、西 红柿等作物叶子变白，更严重时会使植物枯萎，甚至死亡【s j 。 n o x 和s 0 2 可以形成酸雨，酸雨中硫酸和硝酸的比例各地并不一样，目前世界各 地都有大片酸雨地带( p h 4 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 - 2 ) 4 n h 3 + 2 n 0 2 + 0 2 - - * 3 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 3 ) 4 n h 3 + 6 n o 岭5 n 2 + 6 h 2 0( 1 - 4 ) 。8 n h 3 + 6 n 0 2 7 n 2 + 1 2 h 2 0 ( 1 5 ) 当温度过高时，会发生如下的副反应，又会生成n o ： 4 n h 3 + 5 0 2 - 4 n o + 6 h 2 0( 1 6 ) 当温度过低时，反应速度会减慢，所以控制温度对喷氨法至关重要，由于该工艺 不需要催化剂，故脱硝效率不高，一般可使y o x 浓度降低3 0 - - 7 0 ，同时高温喷射 对锅炉受热面的安全有一定影响，以及温度随锅炉负荷和运行周期变化及锅炉中n o x 浓度的不稳定，都会使该工艺应用起来很复杂。在同等脱硝率的情况下，该技术的n h 3 消耗量要高于选择性催化还原技术( 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 ) ，这会使n h 3 的逃逸量大大增加，而两种技术的主要区别是有无使用催化剂来提高还原反应的速 率。 ( 3 ) 烟气脱硝技术【8 , 1 0 燃煤锅炉通过改进燃烧技术所达到的脱硝效率一般不超过7 0 。为了进一步控制 n o x 排放量，应该采用烟气后处理脱硝技术。烟气后处理脱硝技术是根据n o 的氧化、 还原和吸附特性来脱除n o ，一般分为湿法和干法。湿法烟气脱硝是将n o 氧化为n 0 2 ， 然后利用吸收剂吸收n 0 2 。湿法烟气脱硝有两大类：一类是利用燃煤锅炉已安装的烟 气脱硫装置，进行适当改造或调整运行条件，来达到脱除烟气中的n o x 的目的。另一 类是单纯的湿法洗涤脱硝，该方法由于需要加装将n o 氧化为n 0 2 的设备，因此虽然效 率高，但系统复杂，用水量大，并有水的污染，因此燃煤锅炉很少采用【2 2 ，2 3 ，3 1 3 4 】。 干法烟气脱硝技术是应用较多的一类，包括采用催化剂来促进n o x 进行还原反应 的选择性催化脱硝法、电子束照射法和电晕放电等离子体同时脱硫脱硝法等，其中脉 冲电晕法虽然可以同时脱硫脱硝，但如何实现高压脉冲电源的大功率、窄脉冲、长寿 北京化工大学硕士学位论文 命等问题还需要解决；电子束法即用电子束照射烟气，生成强氧化性o h 基、o 原子和 n 0 2 ，这些强氧化基团氧化烟气中的二氧化硫和氮氧化物，生成硫酸和硝酸，加入氨 气，则生成硫硝铵复合盐，技术能耗高，并且有待实际工程应用检验；而选择性催化 还原技术( s c r ) 以其设备结构简单、运行方便、脱硝效率高( 可达到9 0 以上) 和可靠 性高等优点，已经在发达国家得到了广泛应用。 此外，烟气后处理脱硝技术还有吸附法、液膜法、微生物法等。但都有其局限性， 吸附法虽然脱硝效率高，但吸附量小，设备过于庞大，再生频繁，应用也不广泛；液 膜法和微生物法时两个新型技术，还有待发展【8 ，i o j 。 1 3s c r 脱硝技术的应用 s c r 发明于1 9 5 9 年，日本、美国、欧洲是当今世界上对燃煤电厂脱硝技术最先进 的国家和地区，除采取燃烧过程控制外，主要采用的是s c r 烟气脱硝技术。目前，日 本和欧洲是n o x 排放标准最为严格的国家和地区，日本大型新建燃气、燃油、燃煤电 站y o x 的国家排放标准分别是6 0 “l l 1 、1 3 0 p l l 和2 0 0 1 a l l 一。地方政府为了保证空 气中更低的n o x 浓度，把排放标准相应地降低到1 5 p l l - 1 、3 0 肛l l 1 和6 0 p l l 1 。在欧 溯，大型新建燃气、燃油、燃煤电站的排放标准分别是3 0 5 5 斗l l 1 、5 5 7 5 p l l 和5 0 1 0 0 p l l 1 。美国臭氧控制区( o t c ) 的电站n o x 排放标准2 0 0 3 年3 月1 日起为 1 8 5 m g m 一。对于如此低的n o x 排放浓度，单靠现有的低n o x 燃烧技术是很难做到的， 必须采用s c r 技术。 在日本s c r 已广泛地应用于燃气、燃油和燃煤电站锅炉，s c r 占电力行业烟气 脱硝装置的9 3 ；在德国，到1 9 9 0 年已经有超过2 3 0 0 0 m w 装机容量的锅炉采用s c r ， 这些电站燃用低硫煤( s ：0 8 1 5 ；c ：0 1 o 3 ) ；在美国，由于东部烟煤含 硫量高，飞灰成分变化大，导致s c r 催化剂活性维护困难，s c r 推广较晚。1 9 9 8 年 美国颁布n o xs i p ( s t a t ei m p l e m e n t a t i o np l a n ) 法令时，环保总署预计将安装7 5 g w 的 s c r 系统，到2 0 0 3 年已有超过1 0 g w 安装了s c r 系统，到2 0 0 4 年底，美国要有i o o g w 容量的电站使用s c r 设备，大约占美国燃煤电站总容量的3 3 t 4 , 6 , s , t o 。 在我国，大多数电厂在控制n o x 排放的方面还落后于世界先进国家，国家颁布的 最新排放标准中对电站n o x 排放有严格的规定：2 0 0 4 年以后的燃煤火电厂的n o x 最高 允许排放浓度为4 5 0 6 5 0 m g m 3 ( g d 应1 0 ) ，寻找有效且经济的脱硝方法也就成了我 们面临的新的挑战。2 0 世纪8 0 年代中后期，在引进一批先进的大容量燃煤发电机组的 同时，引进了低n o x 燃烧器的制造技术。但一般情况下，低n o x 燃烧技术最多只能降 低n o x 排放值的5 0 ，远不能达到n o x 排放标准，必须采用燃烧后的烟气处理技术来 降低n o x 的排放量。而我国火电厂烟气脱硝工作刚刚起步，国内已建成的大型选择性 4 第一章文献综述 催化还原( s c r ) 脱硝工程基本是采用引进国外全套技术及关键设备的方法，对其工艺 特性和运行特性都不甚了解，这都将给s c r 系统运行带来不利的影响，因此中国火电 厂的烟气脱硝装置不能完全照搬国外现有的s c r 技术。 1 4s c r 技术的原理 s c r 技术是一个燃烧后n o x 控制工艺，即将氨气喷入电站锅炉燃煤产生的烟气 中；含有氨气的烟气通过一个含有专用催化剂的反应器；在催化剂的作用下，氨气同 n o x 发生反应，生成水和氮气【1 6 】。其主反应方程式同s n c r 反应式相同，如式( 1 2 ) 、 ( 1 3 ) 、( 1 - 4 ) 和( 1 5 ) 。 通过使用适当的催化剂，反应温度降低，可以在2 0 0 4 5 0 的温度范围内有 效进行。在n h r c n o = - i ( 物质的量比) 的条件下，可以得到8 0 - 9 0 的脱硝率【8 ，l o 】。 在反应过程中，n h 3 可以选择性地和n o x 反应生成n 2 和h 2 0 而不是被0 2 所氧化， 因此反应又被称为“选择性 。反应原理如图1 1 所示。 当反应条件改变时，有可能发生以下副反应： n 咿 g 懿 4 n h 3 + 3 0 2 2 n 2 + 6 h 2 0( 1 钋m 3 + 2 n 0 2 + 0 2 3 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 2 n h 3 n 2 + 3 h 2( 1 4 n h 3 + 5 0 2 4 n o + 6 h 2 0( 1 一 ? l ”n h , y ： e - 一h d i 一n 仇 - 薹 h o 羹鬯 th 矬h ， 心 嘲p 瓣铖 _ 陬 l h n h ， 蕊- 娃p 图1 - 1s c r 反应原理【1 0 l f i g 1 1t h ep r i n c i p l eo fs c r r e a c t i o n 1 0 】 7 ) 8 1 9 ) o ) 发生n h 3 分解的反应式和n h 3 氧化为n o 的反应式都在3 5 0 * ( 2 以上才进行，4 5 0 * ( 2 以上才剧烈起来。在一般的选择性催化还原工艺中，反应温度控制在3 0 0 , - - , 4 2 0 ( 2 范围， 这时主要有n h 3 氧化为n 2 的副反应发生。 在燃烧煤或油时会伴有s 0 2 产生，此时s c r 反应的同时可能会伴有副反应的发 出【8 1 l 2 s 0 2 + 0 2 叶2 s 0 3 ( 1 1 1 ) n h 3 + s 0 3 + h 2 0 n h 4 h s 0 4 ( 1 1 2 ) 5 北京化工大学硕士学位论文 2 n h 3 + s 0 3 + h 2 0 一( n n 4 ) 2 s 0 4( 1 13 ) 实际应用过程中应该尽量避免此类副反应的发生，这是因为铵的硫酸盐可沉积在 催化剂的表面上，引起催化剂失活，同时还使催化剂引起的压降增大，不仅如此铵盐 还会引起催化剂下游设备的腐蚀。 1 5s c r 脱硝工艺流程及反应器的布置 1 5 1s c r 工艺流程 s c r 系统主要由氨气及空气供应系统、喷雾系统、催化反应器等组成【1 0 】。还原剂 液氨由槽车运送到液氨贮槽，输出的液氨经氨气蒸发器蒸发成氨气，并将之加热到常 温后送到氨气缓冲槽备用。缓冲槽的氨气经减压后送入混合器，与来自送风机的空气 在混合器混合后，通过喷氨隔栅的喷嘴喷入烟气中，继而进入催化反应器。当烟气流 经催化反应器的催化层时，氨气和n o x 在催化剂的作用下将n o 及n 0 2 还原成n 2 和h 2 0 。工艺流程图如图1 2 所示。s c r 反应器中的烟气的温度可以通过调节通过省 煤器的烟气与通过旁路烟气的比例来控制f j o l ，氨喷射器安装位置在反应器上方以保证 喷入的氨气与烟气充分混和。 图1 - 2s c r 工艺流程【1 0 1 f i g 1 2t h et e c h n i c a lp r o c e s so ft h es c r t i o j 1 5 2s c r 反应器的布置 发誊 由于s c r 系统的复杂性，所以布置s c r 反应器的位置时应该多方面考虑，目前 主要有高粉尘布置、低粉尘布置和末端布置三种方式【1 8 ，2 8 1 ( 如图1 3 所示) 。 1 高粉尘布置方式 s c r 反应器布置在空气预热器和静电除尘器上游的位置。其优点：由于反应温 度较高，可选择的催化剂的种类较多；相对于低粉尘布置和末端布置来说省去了烟 6 第一章文献综述 气再热系统，从而节省了投资和运行成本；早已完成工业化运用，并且已有2 0 年 的运行经验，是目前火电厂烟气脱硝广泛采取的工艺。该工艺的缺点：由于粉尘浓 度较高，所以粉尘对催化剂的冲刷和磨损较大；省煤器是与锅炉本体相连的，对于 大型的机组而言，s c r 反应器的重量是比较大的，所以一般要设置支撑钢架，这就涉 及到了锅炉的重新调整和负荷重新计算的问题；烟气中含有大量的s 0 2 ，催化剂可 以使部分s 0 2 氧化，生成难处理的s 0 3 ，并可能与泄露的氨生成腐蚀性( 或者硫酸氢 氨) 盐物质；由于流程较长，容易发生氨的泄露，从而生成腐蚀性很强的硫酸氨( 或 者硫酸氢氨) 盐物质。 2 低粉尘布置方式 s c r 反应器布置在静电除尘器之后、烟气脱硫装置之前，一般这种方式很少采用。 其优点是：锅炉烟气经过静电除尘器之后，粉尘浓度降低，可以延长催化剂的使用 寿命；与锅炉主体独立，不影响锅炉的正常运行；氨的泄露量比高温布置方式的 泄露量要少。缺点是：与高粉尘布置一样，烟气中含有大量的s 0 2 ，催化剂可以使 部分s 0 2 氧化，生成难处理的s 0 3 ，并可能与泄露的氨生成腐蚀性( 或者硫酸氢氨) 盐物质；由于烟气温度低，可供选择的催化剂的种类较少；国内没有运用经验， 并且国外可供参考的工程实例也比较少。 圈3 7 0 c 翌随3 7 0 c 兰n 1 5 0 竺商1 5 0 c 蚕翘 c c ) 屠撇 烟蜜 9 0 硒 图l - 3 三种典型的s c r 系统布型1 田 f i g 1 3t h r e ek i n d so f u y p i c a ls c rs y s t e ma r r a n g e m e n t s 1 8 1 3 末端布置方式 当锅炉末端有f g d ( f l u eo a sd e s u l f u r i z a t i o n ) 装置时，将s c r 反应器置于f g d 装 置之后。其优点是：锅炉烟气经过除尘脱硫后，可以采用更大烟气流速和空速，从 而使催化剂的消耗量大大的减少：氨的逃逸量是最少的，并且不会腐蚀构筑物( 烟 7 北京化工大学硕士学位论文 囱采用防腐烟囱) ；不会产生s 0 3 ，防止二次污染。缺点是：一定要设置烟气再 热系统，增加了投资和运行成本；很难找到符合反应条件的催化剂。 1 6s c r 烟气脱硝工艺性能的影响因素 影响s c r 系统工艺性能的主要因素有催化剂性能、反应温度、停留时间、混合 程度、n h 3 n o x 摩尔比、n o x 浓度和n h 3 逃逸量等【8 笛, 4 4 1 。 1 6 1 催化剂 催化剂影响s c r 系统脱硝效率，催化剂性能越好，脱硝效率越高，决定催化剂 性能的关键是催化剂的类型、结构和表面积。目前主要的催化剂类型可分为平板式和 蜂巢式，s c r 反应器采用分层的方式布置催化剂。通常先将催化剂制成平板状或蜂窝 状的催化元件，然后结合成组块，最后构成反应器的催化剂层，反应器内催化剂的层 数取决于所需催化剂的反应表面积，s c r 系统常用的催化剂主要成分为v 2 0 5 和 z i 0 2 t 4 7 , 4 羽。 1 6 2 反应温度 不同的催化剂具有不同的适用温度范围。当反应温度低于催化剂的适用温度范围 下限时，在催化剂上会发生副反应，n h 3 与s 0 3 和h 2 0 反应生成( n h 4 ) 2 s 0 4 或 n h 4 h s 0 4 ，附着在催化剂表面，减少n h 3 与n o x 的反应，同时堵塞催化剂的通道和 微孔发生变形，导致有效通道和面积减少，使催化剂性能降低；当温度高于催化剂的 适用温度范围上限时，催化剂会发生物理失活，即高温烧结、磨损和固体颗粒沉积堵 塞而引起催化剂活性破坏，使催化剂寿命降低，温度越高，失活越快，s c r 反应最佳 温度范围是3 0 0 - 4 0 0 l 。 1 6 3 停留时间和空速 停留时间是反应物在反应器中的时间，反应物在反应器中停留时间越长，反应越 充分，脱硝效率越高。反应温度对所需停留时间有影响，当操作温度与最佳反应温度 接近时，所需的停留时间减少。停留时间经常用空速来表示，两者互为倒数关系，空 速越大，停留时间越短。对一定流量的烟气，当增加催化剂的用量时，空速降低时， n o x 的脱硝率提高。随着反应气体与催化剂的接触时间增大，有利于反应气体在催化 剂微孔内的扩散、吸入、反应和产物气的解吸、扩散，n o x 脱除率提高。但当接触时 间过大时，由于n h 3 氧化反应开始发生而使n o x 的脱除率下降。增加催化剂的用量 可降低空速，但相应的费用增大。根据经验一般可以用烟气流速和反应器体积的比值 8 第一章文献综述 来估算空趔8 1 。 1 6 4n i t 3 与烟气的混合程度 n h 3 与烟气在s c r 反应器催化剂入口的均匀混合是保证s c r 系统脱硝效率的关 键因素。如果两者速度分布不均，会在速度过高之处造成催化剂冲蚀和磨损，在速度 过低之处造成催化剂积灰和堵塞，影响催化剂的寿命和脱硝性能。如果两者浓度分布 不均，例如某些区域中氨在烟气中浓度过高，会导致氨逃逸率升高，造成环境的二次 污染；过低会降低反应区域的脱硝性能，使n o x 达不到排放要求，加剧污染 5 1 , 5 4 。 1 6 5 氨氮摩尔比 氨氮摩尔比是指获得目标脱硝效率时所需喷入的n h 3 与烟气中n o x 的摩尔比， 由于n o x 含9 5 的n o ，所以n h 3 与n o x 主要发生还原反应式( 1 2 ) ，理论上两者 化学计量比是l ：1 ，在脱硝效率未达到8 5 之前，n h 3 与n o x 基本按照1 ：1 的量进 行反应。而在脱硝率达到8 5 之后，n o x 中除n o 外，还有部分n 0 2 ，以及反应速率 的限制，会消耗更多的氨。因此，$ c r 系统采用的化学计量比通常是每摩尔n o x 使 用1 0 5 摩尔氨。 1 6 6n o x 浓度 反应物的浓度对还原反应速率也有影响，从反应动力学来讲，进入反应的n o x 浓 度越大，反应速率越大，脱硝效率越高。但当n o x 浓度大于1 5 0 p p m 后，反应速率将不 再随反应物的浓度的增加而增大，反之，进入反应的n o x 浓度较小时，脱硝效率也会 降低。 1 6 7n h 3 逃逸量 离开反应塔时未发生反应的n h 3 叫氨逃逸，逃逸的n h 3 进入反应器的下游设备会 发生铵盐腐蚀，降低设备的使用寿命，同时n i t 3 进入环境会造成二次污染。可以采用 调节氨的喷入量或s c r 系统设计辅助设备的方法来降低n h 3 逃逸。 在s c r 系统运行过程中，n h 3 逃逸量并不是稳定不变的，直接的影响因素是氨氮 摩尔比，在催化剂活性下降的时候，还原反应能力下降，此时n h 3 逃逸量上升。监控 氨逃逸的可靠装置目前正在研发中，尚未商业应用，测量氨的方法之一测量飞灰上的 氨浓度。 9 北京化工大学硕士学位论文 1 7s c r 脱硝工艺设计 上述的主要影响因素之间相互制约，并不能孤立地看待某一因素，但可以看出n h 3 与n o x 混合程度是保证脱硝效率的重要指标，因此，本文抓住这要点，来研究在反 应器设计中影响n h 3 与n o x 均匀混合( 即速度场分布均匀和浓度场分布均匀) 的主要 因素。文献报道中主要从烟道导流板、静态混合器的设置和喷氨格栅两个方面入手来 优化s c r 系统的浓度场和速度场分布。 1 7 1s c r 系统的导流板 国外各脱硝公司除了对s c r 反应器的结构设计进行数值模拟来减小阻力外，还 优化反应塔入口烟道设计，减少异形件使用，避免烟气在烟道中产生涡流和激荡，提 高混合物的均匀度。德国f b e 公司设计了独特的平衡导流板，确保脱硝反应器进口 均匀分布；奥地利e n v i r g y 研究发现在所有烟气转向处都需要安装导流板以确保烟 气流动方向的正确，这也是保证s c r 整个系统的压力损失降到最低程度的必要措施。 沈丹【1 4 】等人根据烟道中导流板的不同分布，模拟出s c r 反应器中n h 3 和n o x 的 混合情况，结果表明：在前部、上部烟道均采用弧度直板导流板模拟时效果相对较好。 同时在反应器上部安装整流板，使得n h 3 和n o x 的混合较好。 江苏大学陈海林【3 7 】通过对入口段流场进行数值模拟，结果表明：在烟道内，在拐 角处设置导流板可以明显改善烟道内部的流场。导流板安装越多，烟气分布越好，但 是系统的压降也将增大。 蔡小峰，李晓型驺j 模拟s c r 反应塔入口段烟气速度场，认为结合实际合理使用 导流板可以大大改善速度场的分布。 1 7 2 喷氨格栅和静态混合器 氨喷射装置的设计和静态混合技术的应用是目前s c r 系统设计领域的两个研究 热点。目前国外已经有多种氨喷射装置应用于工程实际，但要达到高效的s c r 系统 布置，通常对氨喷射装置匹配适当的静态混合器来实现。目前喷氨格栅的设计主要分 为三大类：第一类是为配合涡流式静态混合器使用的喷射技术，喷嘴个数和静态混合 器的片数一样，总量一般只有几个，因此喷嘴直径会很大；第二类是线性控制式喷氨 格栅，沿着烟道的两个相互垂直的方向或者其中一个方向分别引若干个管子，每根管 子上又设置若干个喷嘴，每个管子的流量可以单独调节，以匹配烟气中n o x 的含量； 第三类就是分区控制式喷射格栅。这种布置方式一般把烟道截面分成2 0 - - 3 0 个大小 相同的区域，每个区域有若干个喷射孔，每个分区的流量单独可调，以匹配烟气中 n o x 的分布。 l o 镕一章z 献综述 目前在s c r 系统中比较常用的是分区控制式喷氨格栅，稀释的氨由喷氨格栅喷 射到烟道后，再经过静态混合器，使稀释的氨与烟气完全混台。静态混合器就是通过 在管道中安装静止的元件，柬改变流体在管内的流动状态，以达到工艺要求。国外研 究出的适合高灰段s c r 装置布置的