（动力工程及工程热物理专业论文）scr烟气脱硝系统模拟优化及喷氨量最优控制.pdf

s i m u l a t i o no p t i m i z a t i o na n do p t i m a l c o n t r o lo ns p r a y i n ga m m o n i a o fs c r f l u e g a sd e n i t r i f i c a t i o n at h e s i ss u b m i t t e dt oc h o n g q i n gu n i v e r s i t y i np a n i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h e m a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g b y z h a oq i a n s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o f z h o uh o n g y u s p e c i a l t y ：p o w e re n g i n e e r i n g a n de n g i n e e r i n g t h e r m o p h y s i c s c o l l e g eo f p o w e r e n g i n e e r i n g o f c h o n g q i n gu n i v e r s i t y ，c h o n g q i n g ，c h i n a a p r i l2 0 1 2 重壅叁堂堡主堂堡笙茎 一 能力，节约了脱硝经济成本。 关键词：s c r 脱硝，选择性催化还原，数值模拟，最优控制 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s e do u r c o u n t r y se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o np o l i c yr e q u i r e s ， n i t r o g e no x i d e s ( n o x ) e m i s s i o ni n t h ef l u eg a so ft h e r m a lp o w e ru n i t sh a v eb e e n i n c o r p o r a t e di n t ot h es t r i c ts u p e r v i s i o n t h e r e f o r e ，h o wt od e v e l o ph i g h e f f e c t i v e ， r e l i a b l ea n de c o n o m i cf 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 sa nu r g e n ta f f a i r s t h e 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 ) 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 yh a sb e e nu s e d w i d e l yi n c o a l - f i r e dp o w e rp l a n tt oc o n t r o ln o xe m i s s i o n s ，b e c a u s eo fal o to f a d v a n t a g e s ，s u c ha sah i g hd e - n o xr a t e ( m o s t l yu pt o9 0 ) ，h i g hr e l i a b i l i t yt e c h n o l o g y ， s i m p l es t r u c tu r e ，s m a l la m m o n i ae s c a p e dr a t ea n ds oo n f i r s t l y , b a s e do nt h es c r r e a c t i o nm e c h a n i s m ，w ec o u l da n a l y s et h ef a c t o r so fa f f e c td e n i t r i f i c a t i o n a n dt h e n ， e s t a b l i s h e do fs c rd e n o xs y s t e mm o d e la n ds i m u l m i o nt oc a l c u l a t et h ei t sf l o wf i e l d ， w ec a l lp r o v i d eac e r t a i no p t i m i z m i o nm e t h o d ，h o wt od e s i g na n da r r a n g ed e f l e c t o r sa n d r e c t i f i e rg n l i e s w h i l e ，f o ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fs p r a y i n ga m m o n i a ，t h ec o n t r o l s y s t e mo fa m m o n i ai n j e c t i o na p p l i e dd y n a m i cn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y , s ot h ec o n t r o l s y s t e mc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd e n i t r i f i c a t i o nt or e d u c et h ea m o u n to fa m m o n i a e s c a p i n g t h r e ea s p e c t sw e r ef o c u s e st os t u d yo nt h et h e s i sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ec h e m i c a lm i c r o p r o c e s sm o d e lo fs c rf l u eg a sd e n o xw a sc o n s t r u c t e d ， t h ep r i n c i p l eo fs u r f a c ec h e m i c a lr e a c t i o na n dg a s e o u sd i f f u s i o nw e r ea p p l i e dt os t u d y t h em i c r o c o s m i cr e a c t i o np r o c e s s t h e r ea r eal a r g en u m b e ro fc h e m i c a lr e a c t i o n s ，b u t p l a y i n g ad o m i n a n t p o s i t i o n i n r e s p o n s e i s 4 n o + 4 n h 3 + 0 2 4 n 2 + 6 h 2 0 ；t h e m i c r o s c o p i cp r o c e s sc o n t a i n st h ef o l l o w i n gt h r e ep r o c e s s e s ：t h e ya r es u r f a c ec h e m i c a l r e a c t i o n ，i n s i d em a s st r a n s f e ra n do u t s i d em a s st r a n s f e r ；b yt h em i c r o c o s m i cr e a c t i o n s h o w st h a t ，o nt h ec e r t a i nc o n d i t i o n ，d e n o xr e a c t i o nr a t eh a sb e e ne f f e c t e do ft h e c o n c e n t r a t i o no fr e a c t a n t sa n dc a t a l y s t m i c r o p o r o u ss u r f a c ea r e a ， a n dt h e ya r e p r o p o r t i o n a lt ot h er e l a t i o n s h i p s e c o n d l y , t a k eap o w e rp l a n t6 0 0 m w u n i ts c rd e n o xs y s t e ma sa ne x a m p l e ，w e c o n s t r u c t e ds i m u l a t i o nm e t h o d sa n dm o d e l st h a tc o n t a i n st h ef l u eg a sf l o wf i e l da n dt h e c o n c e n t r a t i o nf i e l do nt h er e a c t o r t h em o d e lw a ss e tb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dm e s h e d t h r o u g ht h es e v e r a ls i m u l a t i o n sa n a l y s i so fs c re n t r a n c e ，w h e nd e f l e c t o r sa n d r e c t i f i e r s8 6 l iew e r ei n s t a l l a t i o nr i g h tw a y s ，t h a tw o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ef l o w f i e l dv e l o c i t yu n i f o r m i t ya n dr e d u c et h er e s i s t a n c eo ft h es y s t e m ；b ys i m u l a t i o na n a l y s i s o fa i gw i t hd i f f e r e n ts p r a yv e l o c i t y ，h o wt oe f f e c tc o n c e n t r a t i o nf i e l do ft h er e a c t o r i i i 重庆大学硕士学位论文 1 1 1 l e t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ec a s eo faf i x e dn u m b e ro fn o z z l e s ，t h en o z z l e d i v i d e di n t ot h ee d g er e g i o na n dt h ec e n t r a lr e g i o n ，r e s p e c t i v e l y , u s i n gd i f f e r e n ti n je t s p e e d ，c a ni m p r o v et h ed e g r e eo fm i x i n go ft h ef l u eg a sa n dn h 3 a tt h es a m et i m e ， t h r o u g hs i m u l a t i o no ft h es c r d e n o xs y s t e mu n d e rv a r y i n gl o a dc o n d i t i o n ，t h er e s u l t s m e e tt h eu n i f o r m i t yo f f l o wf i e l da n dc o n c e n t r a t i o nf i e l d f i n a l l y , s p r a y i n ga m m o n i ac o n t r o lt e c h n o l o g yo fs c rd e n o xp r o c e s sh a sb e e n o p t i m i z e d ，u s i n gad y n a m i cn e u r a ln e t w o r kt oe s t a b l i s hn e t w o r km o d e lw h i c hw a st h e r e l a t i o n s h i pa b o u tt h eo u t l e to fn o xc o n c e n t r a t i o nw i t hi n l e tn o xc o n c e n t r a t i o n ，t h e e x p o r ta m o u n to fa m m o n i a ，t h ef l u eg a st e m p e r a t u r e ，u n i tl o a da n ds oo n t h em i n i m u m n o xe m i s s i o n sa sa t r a i n i n gs i g n a l ，t h em o d e lc a na c h i e v eo p t i m a lc o n t r o lo fa m m o n i a i n j e c t i o na m o u n t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp r o g r a mo fp i d ，t h er e s u l ts h o w st h a t t h ec h a n g e dc o n d i t i o n sa n dt h ef l u eg a st e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n s ，t h i sp r o g r a mr e d u c e d s c re x p o r to fn o xe m i s s i o n sa n da m m o n i ae s c a p e ，h a dag o o da d a p t i v ec a p a c i t y , s a v e dt h ec o s t so fd e n i t r i f i c a t i o n k e y w o r d s ：s c rd e n i t r a t i o n ，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 ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， o p t i m a lc o n t r o l i v 目录 目录 中文摘要i 英文摘要i i i 符号说明v i i 1 绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2s c r 脱硝技术国内外研究现状4 1 2 1 国外研究现状4 1 2 2 国 j 4 研究现状6 1 3 论文研究目的和主要研究内容7 1 3 1 研究的目的7 1 3 2 主要研究内容8 2 s c r 烟气微观脱硝机理及模型建立9 2 1s c r 脱硝反应机理9 2 2s c r 脱硝微观反应速率模型1 0 2 2 1s c r 脱硝微观过程1 0 2 2 2 脱确微观反应速率模型11 2 3s c r 脱硝效率的影响因素及性能评价13 2 3 1 微观中影响脱硝反应速率的冈素1 3 2 3 2 宏观中影响s c r 脱硝效率的冈素1 4 2 3 3s c r 脱硝系统的性能评价1 5 2 4 本章小结15 3 s c r 脱硝系统的入口烟道的模拟优化1 7 3 1 引言17 3 2 流场数值模拟方法17 3 2 1 模型的假设18 3 2 2 控制方程的建立18 3 2 3 控钮方程的离散及求解一2 0 3 3s c r 脱硝系统模拟分析2 1 3 3 1s c r 模型结构参数2 1 3 3 2 网格和边界条件的设定2 2 3 3 3f l u e n t 模拟计算方法的设定2 3 v 重庆大学硕士学位论文 3 3 4 流场与浓度场的评价指标2 6 3 4s c r 入口烟道流场的模拟及优化2 6 3 4 1 不加导流板烟道的流场分布一2 7 3 4 2 加装导流板后的烟道流场分部一2 8 3 4 3 加装整流格栅后烟道流场分布3 0 3 5s c r 脱硝反应物的混合模拟优化31 3 6 变工况下s c r 脱硝系统模拟分析3 4 3 7 本章小结3 7 4 s c r 脱硝喷氨量的动态神经网络优化控制3 9 4 1 引言3 9 4 2s c r 脱硝喷氨量控制特性及其存在问题3 9 4 2 1s c r 脱硝喷氨量控制系统3 9 4 2 2 传统p i d 控制下喷氨量仿真结果一4 2 4 2 3 存在的问题一4 3 4 3 数据的采集与处理4 4 4 4 基于动态r b f 神经网络的优化控制4 6 4 4 1 传统r b f 神经网络结构的不足4 6 4 4 2 设计思路4 7 4 4 3s a r b f 预测控制器的设计4 8 4 5 试验结果与分析5 2 4 5 1 变工况时的脱硝效率控制试验一5 3 4 5 2 变工况时的喷氨量控制一5 4 4 5 3 脱硝控制过程中s 0 2 s 0 3 转化率对比试验5 5 4 6 本章小结5 6 5 结论与展望5 7 5 1 主要结论5 7 5 2 后续研究工作的展望5 8 致谢5 9 参考文献6 l 附录6 5 a 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录6 5 v l 符号说明 符号说明 符号说明 s c r r 7 f r ，1 k 7 q p c v g 8 m c r m d ， c i 选择性催化还原 脱硝效率， 导热系数，w l m 通用变量 湍流能耗散率 粘性应力，p a 动力粘度，p a s 扩散系数 湍动能 气体温度 气体流量，m 3 h 密度，k g m 3 速度分布偏差系数， 浓度分布偏差系数， 锅炉最大连续蒸发二 ：况 热耗考核或称热耗保证工况 气体组分i 的扩散通量，k m o l m 2 s 气体组分i 的质量浓度，k m o l m 2 s v i i 重庆人学硕士学位论文 一 1 绪论 1绪论 1 1 课题研究的背景及意义 氮氧化物( n o x ) 是主要大气污染物之一，有多种不同形式组成如n o 、n 0 2 、 n 2 0 、n 2 0 3 、n 2 0 4 和n 2 0 5 等，其中n o 和n 0 2 所占比例为9 0 以上，是大气的 主要污染物。9 0 以上的n o x 来自于煤、石油和天然气的燃烧过程，其中7 0 来 自于煤的燃烧过程【l 圳。n o x 排放到大气中经过一些列的物理和化学作用，产生一 系列的环境问题，主要有：n o x 与氧气和水反应易生产酸，成为酸雨的主要贡献 者之一，对人体皮肤、植物和建筑物具有腐蚀性；n o x 具有毒性，血液中的血红 蛋白与n o 有较强的亲和力，使血液输氧能力下降，人体持续时间长了将出现缺 氧症状；n o x 产生光化学雾，影响可见度，且对人眼和呼吸系统有强烈的刺激性； 在城市和区域环境的大气中，长期漂浮着由n o x 形成的p m l 0 和p m 2 5 细微颗粒 物，对人体的肺、支气管等部位具有严重的危害性，严重时可以导致人死亡；n o x 和c 0 2 一样可以引起温室效应，其产生效应是二氧化碳的2 0 0 3 0 0 多倍，也是破 坏臭氧层的主要气体之一；此外，因n o x 造成环境污染的经济损失和治理所需费 用比s 0 2 高出了三分之一。鉴于以上所述，n o x 已直接或间接地对人体健康和生 态环境等造成了显著的危害，各国已对n o x 排放做出了相应的严格限制【5 7 】。 我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭占能源消费总量的6 2 - - - 6 5 ，燃烧过 程中产生大量的s 0 2 和n o x 等大气污染物。随着人们环保意识的增强及其环保标 准的逐步严格，脱硫技术在火电机组上已得到了广泛的应用，s 0 2 污染物的排放已 得到了有效的控制，但随着n o x 的排放量同益增加，造成不可忽视的环境危害， 成为我国当前面临的又一大环保问题。 随着我国经济不断的、稳定的快速发展，对电力需求量和发电装机容量的持 续稳定的增加。在2 0 0 6 年底时，我国发电总量为2 8 3 4 4 亿k w h ，其中火力发电站 占8 3 2 ，发电量为2 3 5 7 3 亿k w h ，发电装机总容量为6 2 2 亿k w ，火电装机占 7 7 8 ，为4 8 4 亿k w ；在2 0 0 8 年底时，我国发电总量为3 4 3 3 4 亿k w h ，其中火 力发电站占8 0 9 5 ，发电量为2 7 7 9 3 亿k w h ，发电装机总容量为7 9 亿k w ，火 电装机占7 5 9 ，为6 0 亿k w ：截止到2 0 1 0 年底，全国总发电量为4 1 4 1 3 亿k w h ， 其中火电发电量为3 3 2 5 3 亿k w h ，约占全国发电量的8 0 以上，发电设备容量己 达9 6 2 亿千瓦，其中火电7 0 7 亿千瓦，约占全国总装机容量的7 3 ，消耗燃煤1 6 亿吨，装机容量已仅次于美国。尽管我国火电机组发电量在发电机总量中占有的 比例呈缓慢下降措施，但由于发电量的持续不断增加，n o x 的排放呈逐年增长的 趋势，若不采取有效的控制技术，据预测到2 0 2 0 年和2 0 3 0 年时，我国n o x 排放 重庆大学硕士学位论文 量将达到2 3 6 3 - - - 2 9 1 4 万吨和3 1 5 4 - - - 4 2 9 6 万吨，将成为世界上n o x 排放第一大国， 且n o x 排放量中的5 0 左右仍来自火力发电中1 8 。 n o x 是世界各国公认的大气主要污染物之一，欧盟、日本、美国等一些发达 国家较早的就制定了n o x 排放规定。德国在1 9 8 4 年3 0 0 m w 火电机组以n o x 排 放标准不得高于2 0 0m g m 3 ；日本在19 8 7 年就规定了排放标准不得高于4 1 0 m g m 3 ： 美国在2 0 0 3 年时要求2 2 个州n o x 排放标准达到1 9 0m g m 3 以内。在各国采取严 格的n o x 排放标准的同时，也相应的研究出了n o x 控制技术，其中包括低n o x 燃烧技术、空气分级燃烧、燃烧优化技术、s n c r 烟气脱硝技术和s c r 选择性催 化还原技术等方法1 9 - 1 2 1 。其中低n o x 燃烧技术、空气分级燃烧和燃烧优化技术， 通过降低着火区域温度和氧浓度等措施，改善燃烧条件最大限度的抑制n o x 生成， 能够达到一定的脱硝效率，但要满足污染物排放标准，还需进行二次烟气净化， 加装烟气脱硝设备，且该脱硝技术对锅炉的燃烧有一定的影响作用。s n c r 和s c r 烟气脱硝技术由于具有较高的脱硝效率，在欧盟和日本等国家率先普遍使用此技 术，来严格控制n o x 排放。随着各国近些年n o x 的排放标准更趋严格，烟气脱硝 技术已逐步成为主要n o x 的控制技术【1 3 a 4 l 。 与欧盟、日本等发达国家相比，我国在对n o x 的污染治理方面起步较晚，n o x 的控制技术上与发达国家具有一定的差距。1 9 9 6 年颁布的火电厂大气污染物排 放标准( g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 ) ，首次对燃煤电厂n o x 排放标准提出了限制，规定新、 扩、改建的电厂n o x 排放浓度最高可为6 5 0 m g n m 3 ，该标准还不及仅采用低n o x 燃烧技术的水平。2 0 0 3 年2 月2 8 日国务院发布的第3 6 9 号令排污费征收使用管 理条例，并自2 0 0 4 年7 月1 日开始征收氮氧化物排污费，标准为每千克o 6 3 元； 2 0 0 3 年1 2 月2 3 日颁布了进一步修订的火电厂大气污染物排放标准 ( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) ，该标准对第1 i i 时新建或或扩建的燃煤电厂n o x 排放最高允许 为4 5 0 m g n m 3 ) ，且机组都要配备低n o x 燃烧器且预留脱硝装置的空地。2 0 1 1 年 7 月颁布最新火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 1 1 ) ( 见表1 1 ) ，新标 准中的n o x 排放标准几乎已达到发达国家地区的要求，2 0 1 2 年1 月1 同所有新建 火电机组n o x 排放标准为1 0 0 m g n m 3 ，且从2 0 1 4 年7 月1 日开始，现有所有火 电机组n o x 排放标准为1 0 0m g m m 3 ( 特殊规定执行2 0 0m g m m 3 ) ，而重点区域内 火电机组的n o x 污染物排放标准统一为1 0 0m g m m 3 ，详见表1 2 【l5 ，1 6 j 。随着大气 污染物排放最新标准的实施，开发出高效可靠的n o x 污染物治理技术是迫在眉睫 的任务。 1 绪论 表1 1 火力发电锅炉及燃气轮机组大气污染物浓度排放限值 t a b 1 1l i m i t i n gh i g hn o xe m i s s i o no ft h e r m a lp o w e rg e n e r a t i n gu n i t sa n dg a st u r b i n e s ( 单位：m g m 3 ) 燃料和热能转化设施污染物项目使用条件 类型 污染物排放 限值 监控位置 。一i 一一。i 1 0 0 燃煤锅炉全部 2 0 0 ( 1 ) ii ；新建燃油锅炉1 0 0 以油为燃料的锅炉或l 燃气轮机组l 氮氧化物( 以产有燃油锅炉 2 0 0 燃气轮机组1 2 0i 烟囱或烟道 n 0 2 ) | l 天燃气锅炉1 0 0 以气体为燃料的锅炉l l 其他气体锅炉2 0 0 或燃气轮机组 l 天然气燃汽轮机组 5 0 ! 其他气体燃料汽轮机组1 2 0 注：( 1 ) 采用w 型火焰炉膛的火力发电锅炉，现有循环流化床火力发电锅炉，以及2 0 0 3 年1 2 月3 1 习前建成投产或通过建设项目环境影响报告二b 审批的火力发电锅炉执行该限值。 ( 2 ) 位于广西壮族自治区、重庆市、四川省和贵州省得火力发电锅炉执行该限值。 表1 2 大气污染特别排放限值 t a b 1 2p a r t i c u l a r l yl i m i t i n gn o xe m i s s i o n ( 皇鱼! ! 墨型翌! 燃料和热能转化设施、，一 污染物排放 污染物项目 使用条件限值 。 类型 。一 监控位置 燃煤锅炉 全部1 0 0 ? _ 以油为燃粒的锅炉或i 氮氧化物i 燃油锅炉1 0 0 燃气轮机组l ( 以n 0 2 ) i 燃气轮机组 1 2 0 ；烟囱或烟道 以气体为燃料的锅炉 燃气锅炉1 0 0 或燃气轮机组 ! 燃气轮机组5 0 在火电厂n o x 污染物控制技术中，主要为低n o x 燃烧技术和烟气脱硝技术。 其中，低n o x 燃烧技术是在锅炉燃烧过程中通过减少过量空气、降低燃烧温度、 3 重庆大学硕士学位论文 缩短烟气在高温区的停留时间及选择低氮燃料，来控制n o x 生成，主要技术有低 n o x 燃烧器、燃料分级技术和空气分级技术等。尽管低n o x 燃烧技术初期投资和 运行成本较低，但在某种程度上来说主要是以牺牲燃烧效率为代价的，与传统的 强化燃烧理论相悖，且脱硝效率仅有2 5 6 0 ，单靠这种技术已不能满足大气污染 排放的新标准。而烟气脱硝技术是使用物理或化学的手段或将已生成的n o x 还原 为无害物质氮气和水，降低n o x 有害物质的排放量。烟气脱硝技术由于其设备复 杂，所以初期投资费用和运行成本都高于低n o x 燃烧技术，但具有很高的脱硝效 率，对机组运行影响较小，能够很好的控制n o x 的排放。因此，随着我国最新颁 布的火电厂大气污染物排放标准来看，仅仅采用低n o x 燃烧技已难以满足新 标准的要求，烟气脱硝技术己势在必行。 在众多烟气脱硝技术中，目前用于商业化的主要有：选择性非催化还原技术 ( s e l e c t i v en o n c a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s n c r ) 、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 c r e d u c t i o n ，s c r ) 和s n c r s c r 混合技术等1 1 1 1 3 l7 ，1 8 j 。s n c r 脱硝技术是将氨气或尿 素作为还原剂喷入锅炉炉膛中，在温度为8 7 0 1 2 0 0 下发生氧化还原反应，脱除 n o x ，生成无污染的氮气和水。s c r 则是采用低温反应的方式，脱硝装置通常安 装在省煤器后，在一定温度范围内( 通常为3 0 0 - - - 4 0 0 ) ，混有还原剂n h 3 的烟 气流经装有催化剂的脱硝反应装置( 通常安装与省煤器后) ，在催化剂作用下，还 原剂与n o x 发生氧化还原反应，生成无污染无毒的n 2 和h 2 0 。s n c r s c r 混合 技术即在高温区锅炉的炉膛内采用s n c r 法，喷入过量的氨气将烟气中部分n o x 脱除，该烟气与溢出的氨气再流经尾部烟道上s c r 脱硝反应器，在催化剂作用下 进行进一步脱硝氧化还原反应，得到脱硝的目的。采用s n c r 脱硝技术，优点为 初期投资少，设备简单和运行费用较低，缺点为n o x 脱除效率大多在为2 5 - - 4 0 ， 极少数超过5 0 ，难以满足n o x 污染物排放新标准。采用s n c r s c r 脱硝技术， 其脱硝效率高，可以在s n c r 出口n o x 浓度基础上进一步降低5 0 6 0 ，但系统 组成复杂，运行的稳定性和可靠性低，且投资成本偏高。s c r 脱硝技术由于其具 有对锅炉运行影响较小、装置结构简单、反应条件易于控制、技术成熟、运行可 靠、占地面积少、没有副产物、不形成二次污染、便于维护且脱硝效率高( 可达 到9 0 以上) 等诸多优点，得到了广泛的商业应用，是目前国际上应用最多最为 成熟的烟气脱硝技术 1 9 】。当前就我国形势来看，s c r 是必然今后火电厂烟气脱硝 技术的首要选择。 1 2s c r 脱硝技术国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对s c r 脱硝技术研究较早，己进行了大量的研究工作。美国e n g e l h a r d 1 绪论 公司在1 9 5 7 年最早申请s c r 脱硝技术专利；同本是最早将s c r 脱硝技术应用于 工业上的商业上，在6 0 年代日立公司研发出v 2 0 5 t i 0 2 催化剂，在1 9 7 0 年就投入 了商业化应用。欧盟一些国家在上世纪8 0 年代，逐渐将s c r 脱硝技术应用于工业 化系统上；美国在上世纪9 0 年代左右开始实施脱硝技术工程应用的国家。尽管s c r 脱硝技术已成为应用最多、技术最成熟的脱硝技术，但对s c r 脱硝技术的研究上 主要集中在催化剂研究开发、脱硝特性及数学模拟研究、工程应用研究等。 首先，催化剂是s c r 脱硝技术的核心。国外在上世纪7 0 年代早期开发了贵金 属催化剂应用在燃煤电厂s c r 装置上，此催化剂尽管对脱硝选择性还原反应具有 很高的活性，但由于催化剂对还原剂氨气的氧化性具有较高的催化性，因此该催 化剂未得到长久的使用，被后来的金属氧化物催化剂所取代。在金属氧化物催化 剂中，大多以z i 0 2 为载体，v 2 0 5 或v 2 0 5 w 0 3 、v 2 0 5 m 0 0 3 为活性成分，称为 v 2 0 5 w 0 3 ( m 0 0 3 ) t i 0 2 催化剂，该催化剂对脱硝还原反应具有很高的转化效率 且对于s 0 2 氧化反应转化效率较低，已成燃煤电厂主要的s c r 催化剂。此外，文 献 2 0 】研究表明，在t i 0 2 载体中适当的添加a 1 2 0 3 和s i 0 2 ，不仅能够提高催化剂 的活性，而且也改善了催化剂表面结构。文献 2 1 】对催化剂的活性进行了充分的研 究，把沸石多孔介质作为载体引入过度金属离子( 如f e 、c e 、s n ) ，催化剂可以在 较高的温度( 最高可达6 0 0 ) 条件下仍呈现出高的催化活性，并在燃气电厂的脱 硝设备中作为实验研究；文献 2 2 】对金属氧化物添加剂进行了研究，分别分析了 m n o x 、f e 2 0 3 和c u m n 氧化物等混合物对v 2 0 5 t i 0 2 基催化剂的影响；文献 2 3 】 提出了以碳氢化合物为n o x 还原剂的s c r 催化剂( h c s c r 催化剂) ，以a a 1 2 0 3 为催化剂烟气脱硝技术提供新的途径。总体来看催化剂的研究方向， v 2 0 5 一w 0 3 ( m 0 0 3 ) t i 0 2 催化剂仍是今后s c r 脱硝技术中主要的催化剂类型，短期 内难以被其他类型催化剂取代。 其次，s c r 脱硝技术的另一个研究重点集中在脱硝反应机理上和脱硝冷态模 拟试验研究的方向上。s c r 脱硝反应过程不仅涉及到气体的流动和传质问题，而 且涉及到烟气与还原剂之间在催化剂上的吸附、解吸和化学反应过程。通过实验 研究和理论分析，提出了幂函数模型、l a n g u m u i r - h i n s h e l w o o d 模型和e l e y r i d e a l 模型等多个表面反应模型，结合气体的流动、传质模型建立起脱硝反应宏观特性 的数学模型。s c r 脱硝冷态模拟实验装置的几何尺寸一般为实际系统的1 1 2 - 1 1 5 之间，多数采用空气替代烟气，用c o 或c 0 2 来替代还原剂n h 3 ，来模拟仿真烟 气与氨气的混合程度，烟道内速度分布、浓度分布和压力分布，为脱硝系统导流 装置设计提供有效的方法 2 4 , 2 5 , 2 7 】。如文献 2 6 】采用填充床流动反应器对蜂窝状催化 剂反应过程进行了模拟研究，预测了催化剂反应器中的孑l 结构、壁厚及扩散阻力 对n o x 脱除率和氨气逃逸量影响；b r o d u i t 等【2 8 】建立蜂窝状催化剂的三维几何模 重庆大学硕士学位论文 型，研究表明蜂窝状催化剂的通道截面通常是正方形或三角形，不能简单的一维 动力学模型来描述，得出脱硝效率和氨气逃逸量与氨氮比、催化剂种类、空速比、 氨氮混合程度等因素的关系。文献 2 9 采用c f d 软件对s c r 脱硝反应器还原剂氨 气的喷入和浓度场的合理分布进行了优化设计。 最后，在工业应用上，日本、美国、欧洲等国家对燃煤电站n o x 排放控制效 果最好的国家和地区，大都采取s c r 烟气脱硝技术。日本装s c r 脱硝设备的机组 的总容量有2 3 1 g w ；德国8 0 年代引进s c r 脱硝技术，规定5 0 m w 以上机组必须 安装s c r 脱硝系统，安装s c r 装置的总装机容量达2 0 g w 。烟气脱硝技术在美国 的商业化应用相对较晚，从1 9 9 5 年实行的n o x 排放标准后，s c r 脱硝装置发展 十分迅速，但至今已超过11 0 g w 机组容量装有s c r 烟气脱硝系统。 综上所述可知，国外对s c r 脱硝装置技术研究和工程应用上积累了大量的经 验，并对催化剂和脱硝冷态模拟试验进行了相应的探索研究。随着我国火电机组 配备s c r 脱硝装置的增多，将呈现出一系列问题，因此借鉴国外的研究经验，为 我国n o x 的控制技术的发展具有重要意义。 1 2 2 国内研究现状 国内对s c r 脱硝技术中的催化剂从不同方向进行了研究开发。刘涛等【3 0 】对一 种新型催化剂进行了相应的研究，该催化剂载体为纳米级锐钛型t i 0 2 ，活性成分 为v 2 0 5 w 0 3 ( c e 0 2 、m 0 0 3 ) t i 0 2 ，该新型催化剂在反应温度、氨氮比不同的情况 下，n o 、n 2 0 和n 0 2 转化的影响，m 0 0 3 比其他两类氧化物对n o x 的脱硝效率 更加明显；江博琼1 5 9 j 研究用溶胶凝胶法制取低温s c r 催化剂的方法，该催化剂纳 米结构更为丰富，活性物质分散性更加均匀，具有较高的n o x 脱除效率；文献 3 1 】 研制研制出的以t i 0 2 a 1 2 0 3 堇青石蜂窝陶瓷为载体的催化剂，将催化剂的活性成 分v 2 0 5 m 0 0 3 w 0 3 附在不同的载体上对比研究，试验结果表明该催化剂载体具有 较好的催化活性，因为t i 0 2 a 1 2 0 3 堇青石蜂窝陶瓷载体具有比较大的比表面积和 大孔体积，对催化剂的构型和活性性能有重要的影响。宣小平等【3 2 j 对催化剂的载 体进行了研究，分别比较飞灰、飞灰与a 1 2 0 3 混合、添加堇青石蜂窝陶瓷载体的性 能，催化剂的活性成分成分主要选取过度金属v 、n i 、f e 、c u 等，通过试验验证 了飞灰作为催化剂载体的可行性，在理想气体实验室条件下，载体相同的情况下 以c u 作为活性成分可以达到较高的脱硝效率，当温度为2 7 0 。c 时，n o x 的脱硝效 率可以达到9 0 以上。吕君英等【3 3 】将h 2 、烃类、c d 、n h 3 和尿素等作为还原剂， 研究分析了选择性催化还原n o x 的各种反应机理，对催化还原反应过程中形成的 中间产物进行了分析研究，探讨了催化剂和载体表面上的活性中心和氧空缺对脱 硝反应速率的影响。 在s c r 脱硝