SCR催化劑脫硝性能的試驗研究與數值模擬

摘要：采用試驗研究與數值模擬相結合的方法研究了某電廠SCR預留層催化劑的脫硝性能，結果顯示：抽樣得到的催化劑單元脫硝效率為45.8% ，氨逃逸為2.1×10-6，滿足催化劑強檢要求；通過數值模擬得到的脫硝效率為46%，氨逃逸為1.55×10-6；數值模擬結果與試驗結果吻合較好。

關鍵詞：SCR催化劑；脫硝效率；試驗；數值模擬

中圖分類號：X506

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18019103

1引言

燃煤電站超低排放對大氣污染物提出了較為嚴格的排放標準，NOx、SO2、粉塵的排放限值分別為：50 mg/Nm3、35 mg/Nm3、10 mg/Nm3，國內絕大部分機組通過選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術達到控制NOx排放的目的＼[1，2＼]，隨著投運時間的增加，脫硝性能的下降，需要通過加裝一層催化劑來達到控制NOx在標準以內的目的。目前針對SCR脫硝系統的研究大多采用單一的試驗方法＼[3＼]或單一的數值研究＼[4＼]，本文針對某燃煤電站加裝的第三層催化劑進行了實驗測試與數值模擬相結合的研究，為催化劑脫硝性能檢測提供一定的參考。

2問題概述

國內某熱電有限公司1號機組于2011年10月25日投入運行，SCR煙氣脫硝裝置同步投運。脫硝裝置設計保證值為：當裝置進口煙氣中NOx的含量不大于600 mg/m3（標干，6%O2）時，保證脫硝裝置出口煙氣中NOx的含量不大于100 mg/m3（標干，6%O2），氨逃逸率小于3×10-6，SO2/SO3轉化率小于1%。

當前脫硝裝置的運行現狀為：在設計煙氣條件下，兩層催化劑運行脫硝效率為77%時，氨逃逸為3.1×10-6，SO2/SO3轉化率為1.27%；計算得到催化劑活性值為27. 0m/h。從運行指標來看，催化劑已到達化學壽命末期。

根據該電廠簽署的《脫硝催化劑技術協議》：脫硝裝置設計煙氣量為1171800 Nm3/h（濕態），設計溫度為404℃。加裝預留層催化劑量為144.6 m3，加裝后在性能考核試驗時的脫硝效率不低于87%；在催化劑質量保證期期滿之前，脫硝效率不低于86.2%，氨逃逸不大于3×10-6，SO2/SO3轉化率不高于2.0%。

當原有兩層催化劑脫硝效率為77%時，在入口NOx濃度為650 mg/m3（標干，6%O2）條件下，如三層催化劑需達到86.2%設計脫硝效率，則要求加裝預留層催化劑的脫硝效率達到40%，根據《中國華電集團公司火電機組SCR催化劑強檢要求》（中國華電火電〔2013〕193號，以下簡稱《強檢要求》），新鮮催化劑的初始脫硝效率應比設計脫硝效率大5%，因此針對本項目，預留層催化劑的初始脫硝效率在入口NOx濃度為150 mg/m3（標干，6%O2）時，考核脫硝效率應大于45%。

3試驗研究

3.1實驗過程

將催化劑單元切割成5片30 mm×300 mm的試片，組成截面尺寸30 mm×30 mm、高度300 mm的試樣。首先，根據測試時要求的空速計算所需的煙氣總量，并按煙氣組分濃度計算各組分的流量；其次，將待測催化劑放入模擬反應器內，并確保催化劑與反應器內壁之間密封良好，連接系統管路，通入N2，調節氣體流量，檢查系統的密封性；再次，將煙氣混合器和反應器加熱至模擬工況點溫度（404℃），待煙氣溫度達到設定值后，通入模擬氣體平衡3 h；最后開啟煙氣分析儀測試功能，等待讀數穩定，記錄數據（圖1）。

3.2實驗結果

試驗測得脫硝效率為45.8%，滿足《強檢要求》規定的初始脫硝效率比設計脫硝效率大5%（即大于45%）的要求，氨逃逸為2.1×10-6均滿足《強檢要求》中的相關要求。

4數值模擬

4.1幾何模型

利用GAMBIT軟件建立一個尺寸與實驗相同的催化劑模型，包括入口段、催化劑單元及出口，催化劑模型及網格劃分如圖2所示。

4.2數學模型

煙氣在煙道內的流動狀態為湍流，控制方程包括連續性方程、能量方程、動量方程、標準k-ε方程，通用形式如式（1）所示：

div（ρu）=div（Γgrad）+S（1）

式中：ρ為煙氣密度，kg/m3；u為煙氣流速，m/s；φ為通用變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。

并以多孔介質模型代替催化劑單元。

催化劑內的表面催化還原反應機理采用文獻＼[5-6＼]提出的詳盡反應機理，共包括6步反應過程，如圖3所示。

上

其中反應（2）、（3）、（5）、（7）為可逆反應，（4）、（6）為不可逆反應，每步反應的反應速率用阿倫尼烏斯定律描述，具體反應動力學參數參見文獻＼[5＼]。

周宇昊：SCR催化劑脫硝性能的試驗研究與數值模擬

能源及節能

4.3邊界條件

煙氣入口速度為充分發展的湍流，反應器出口為壓力出口條件，入口NOx濃度150 mg/m3（標干，6%O2），O2為4.00%，H2O為6.80%。速度與壓力的耦合采用Simple算法，反應器入口煙氣參數見表1。

4.4模擬結果及討論

假設催化劑入口速度、組分分布均勻、溫度等均勻分布，不考慮氨氣氧化等副反應。利用上述模型，在與試驗相同的邊界條件下，模擬得到催化劑內NO的體積濃度如圖4所示。

模擬得到出口NO的體積濃度為166.05×10-6，氨逃逸為1.55×10-6，脫硝效率為46%，模擬結果與試驗值相近，驗證了數值模擬的可靠性。而本文由于沒考慮氨氣氧化的副反應，因此模擬得到的脫硝效率比試驗值略高。endprint

5結論

針對某電廠SCR備用層催化劑的脫硝性能進行了試驗與數值模擬研究，得到如下結論：

（1）試驗測得脫硝效率為45.8%，氨逃逸為2.1×10-6，滿足《強檢要求》規定的初始脫硝效率比設計脫硝效率大5%（即大于45%）的要求。

（2）利用數值模擬的方法得到脫硝效率為 46%，氨逃逸為1.55×10-6，與實驗結果吻合較好，說明了數值模擬的可靠性，可為試驗測試提供一定參考。

參考文獻：

[1]

孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用＼[M＼].北京：化學工業出版社，2006.

＼[2＼]張強.燃煤電站SCR煙氣脫硝技術及工程應用＼[M＼].北京：化學工業出版社，2007.

＼[3＼]雷達，金保升.電站選擇性催化還原系統速度場測量方法＼[J＼].中國電機工程學報，2009，29（35）：89～95.

＼[4＼]湯元強，吳國江，趙亮. SCR脫硝系統噴氨格柵優化設計＼[J＼].熱力發電，2013，42（3）：58～62.

＼[5＼]Dumesic J A，Topsoe N Y， Topsoe H，et al. Kinetics of selective catalytic reduction of nitric oxide by ammonia over Vanadia/Titania＼[J＼].Journal of catalysis，1996，160（2）：409～417.

＼[6＼]Tronconi E，Nova I，Ciardelli C，et al. Redox features in the catalytic mechanism of the “stand”and“fast”NH3-SCR of NOx over a V-based catalyst investigated by dynamic method＼[J＼].Journal of catalysis，2007，245（1）：1～10.

Experiment Research and Numerical Simulation of SCR Catalyst Denitration Performance

Zhou Yuhao1，2

（1 . Huadian Electric Power Research Institute， Hangzhou 310030， China； 2. Key Laboratory of Energy Storage and Energy Conservation Technology of ZheJiang， Hangzhou 310030， China）

Abstract： The denitration performance of reserve layer catalyst of a certain power plant have been researched by adopting the combination of experiment and numerical simulation method. The result showed that： the denitration efficiency of catalyst unit is 45.8% and ammonia slip is 2.1ppm， which meets the requirement of the catalyst； the denitration efficiency is 46% through simulation and the ammonia slip is 1.55ppm； The simulation results were in good agreement with the test results.

Key words： SCR catalyst； denitration efficiency； experiment research； numerical simulationendprint