電廠SCR反應器模擬優化

王濱 王建

摘 要：電廠鍋爐等產生的NOX是我國NOX排放的主要來源之一，降低鍋爐的NOX排放是十分緊迫的環保任務。本文以某電廠SCR反應器為例，對整體反應器進行噴氨模擬優化。

關鍵詞：SCR反應器；催化脫硝；模擬優化

1 引言

目前我國的煙氣脫硝技術主要是選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）和SNCR/SCR聯合脫硝[1]。SCR是指在催化劑的作用下，還原劑（以NH3為例）與氮氧化物 NOx反應，生成無污染的 N2和水。其主要的反應原理如下：

4NH3 +4NO +O2 →4N2 +6H2O

4NH3 +2NO2+O2 →3N2 +6H2O

在不添加催化劑的條件下，氨與氮氧化物的化學反應溫度為980℃，加入催化劑反應溫度可降低到320～400℃[2]。本文設計了SCR反應器，并對反應器噴氨情況進行模擬優化。

2 研究對象

SCR 噴氨口及總體結構圖如圖2.1～2.2所示。

3 邊界條件

對于煙道內使用組分輸運數學模型，根據某電廠的數據得到煙氣組分為CO2、水蒸氣、NO、N2，各組分質量分數如表3.1所示，本文只考慮NO，不考慮其他氮氧化物。煙氣以12.3896m/s的速度進入煙道，初始溫度為647.15K。

4 反應器整體模擬結果

4.1噴氨速率對除氮效率影響

加入化學反應對反應器進行熱態模擬，分別設置噴氨速度為7、8、9、10、11、12m/s（氨氮比分別為0.695、0.793、0.894、0.993、1.092、1.192），得到一系列結果如圖4.1所示：

從圖4.1可以看出，反應器整體壓降在氨氮比為0.793時迅速降低，出口NO平均質量分數隨著氨氮比的增加大體下降，但在0.993的時候有所上升，而出口NH3平均質量分數隨著氨氮比的上升均勻上升。綜合三種曲線可得，氨氮比為0.894左右（噴氨速度為9m/s）時結果最優，這與其他文獻中比較相符[3]。

4.2噴氨口分區域速度優化模擬

先采用噴氨速度為10m/s，在不添加化學反應的情況下對反應器進行冷態模擬，得到催化劑上層氨氣分布云圖如圖4.3（a）所示。并根據云圖對各噴氨口速度進行分區域調整。從圖中可以看出，NH3在左右兩側壁面處濃度較小，中心區域濃度較大，因此調大對應壁面氨氣噴速并且調小中心噴口氨氣噴速同時保證每秒噴氨總質量不變，具體噴速情況如圖4.2所示：

得到優化前后反應器整體壓降及出口NO質量分數如表4.1所示，優化前后催化劑上層NH3分布云圖如圖4.3所示：

綜上可以看出優化后脫氮效率有所提高，出口NO質量分數降低了0.062%。可根據思路繼續對速度分區域調整以求達到出口NO質量分數進一步降低。

5 總結

本文模擬了三種煙道，選擇其中一種溫度場、壓力場以及出口NO分布最均勻的一種設計了整體SCR反應器，并對反應器進行模擬。模擬結果得到氨氮比為0.894左右氨逃逸率、除氮率、反應器壓降等綜合效果最好。另外本文通過對噴氨口噴氨速度進行分區域優化，驗證了這種方法的可行性，為其他SCR反應器模擬優化提供了切實可行的優化思路。

參考文獻

[1] 張國梁，海勃灣電廠330MW燃煤機組SCR脫硝技術改造，2017，華北電力大學.第 55頁.

[2] 周英貴，大型電站鍋爐SNCR/SCR脫硝工藝試驗研究、數值模擬及工程驗證，2016，東南大學.第 211頁.