SCR催化剂脱硝性能的试验研究与数值模拟

摘要：采用试验研究与数值模拟相结合的方法研究了某电厂SCR预留层催化剂的脱硝性能，结果显示：抽样得到的催化剂单元脱硝效率为45.8% ，氨逃逸为2.1×10-6，满足催化剂强检要求；通过数值模拟得到的脱硝效率为46%，氨逃逸为1.55×10-6；数值模拟结果与试验结果吻合较好。

关键词：SCR催化剂；脱硝效率；试验；数值模拟

中图分类号：X506

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18019103

1引言

燃煤电站超低排放对大气污染物提出了较为严格的排放标准，NOx、SO2、粉尘的排放限值分别为：50 mg/Nm3、35 mg/Nm3、10 mg/Nm3，国内绝大部分机组通过选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术达到控制NOx排放的目的＼[1，2＼]，随着投运时间的增加，脱硝性能的下降，需要通过加装一层催化剂来达到控制NOx在标准以内的目的。目前针对SCR脱硝系统的研究大多采用单一的试验方法＼[3＼]或单一的数值研究＼[4＼]，本文针对某燃煤电站加装的第三层催化剂进行了实验测试与数值模拟相结合的研究，为催化剂脱硝性能检测提供一定的参考。

2问题概述

国内某热电有限公司1号机组于2011年10月25日投入运行，SCR烟气脱硝装置同步投运。脱硝装置设计保证值为：当装置进口烟气中NOx的含量不大于600 mg/m3（标干，6%O2）时，保证脱硝装置出口烟气中NOx的含量不大于100 mg/m3（标干，6%O2），氨逃逸率小于3×10-6，SO2/SO3转化率小于1%。

当前脱硝装置的运行现状为：在设计烟气条件下，两层催化剂运行脱硝效率为77%时，氨逃逸为3.1×10-6，SO2/SO3转化率为1.27%；计算得到催化剂活性值为27. 0m/h。从运行指标来看，催化剂已到达化学寿命末期。

根据该电厂签署的《脱硝催化剂技术协议》：脱硝装置设计烟气量为1171800 Nm3/h（湿态），设计温度为404℃。加装预留层催化剂量为144.6 m3，加装后在性能考核试验时的脱硝效率不低于87%；在催化剂质量保证期期满之前，脱硝效率不低于86.2%，氨逃逸不大于3×10-6，SO2/SO3转化率不高于2.0%。

当原有两层催化剂脱硝效率为77%时，在入口NOx浓度为650 mg/m3（标干，6%O2）条件下，如三层催化剂需达到86.2%设计脱硝效率，则要求加装预留层催化剂的脱硝效率达到40%，根据《中国华电集团公司火电机组SCR催化剂强检要求》（中国华电火电〔2013〕193号，以下简称《强检要求》），新鲜催化剂的初始脱硝效率应比设计脱硝效率大5%，因此针对本项目，预留层催化剂的初始脱硝效率在入口NOx浓度为150 mg/m3（标干，6%O2）时，考核脱硝效率应大于45%。

3试验研究

3.1实验过程

将催化剂单元切割成5片30 mm×300 mm的试片，组成截面尺寸30 mm×30 mm、高度300 mm的试样。首先，根据测试时要求的空速计算所需的烟气总量，并按烟气组分浓度计算各组分的流量；其次，将待测催化剂放入模拟反应器内，并确保催化剂与反应器内壁之间密封良好，连接系统管路，通入N2，调节气体流量，检查系统的密封性；再次，将烟气混合器和反应器加热至模拟工况点温度（404℃），待烟气温度达到设定值后，通入模拟气体平衡3 h；最后开启烟气分析仪测试功能，等待读数稳定，记录数据（图1）。

3.2实验结果

试验测得脱硝效率为45.8%，满足《强检要求》规定的初始脱硝效率比设计脱硝效率大5%（即大于45%）的要求，氨逃逸为2.1×10-6均满足《强检要求》中的相关要求。

4数值模拟

4.1几何模型

利用GAMBIT软件建立一个尺寸与实验相同的催化剂模型，包括入口段、催化剂单元及出口，催化剂模型及网格划分如图2所示。

4.2数学模型

烟气在烟道内的流动状态为湍流，控制方程包括连续性方程、能量方程、动量方程、标准k-ε方程，通用形式如式（1）所示：

div（ρu）=div（Γgrad）+S（1）

式中：ρ为烟气密度，kg/m3；u为烟气流速，m/s；φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

并以多孔介质模型代替催化剂单元。

催化剂内的表面催化还原反应机理采用文献＼[5-6＼]提出的详尽反应机理，共包括6步反应过程，如图3所示。

上

其中反应（2）、（3）、（5）、（7）为可逆反应，（4）、（6）为不可逆反应，每步反应的反应速率用阿伦尼乌斯定律描述，具体反应动力学参数参见文献＼[5＼]。

周宇昊：SCR催化剂脱硝性能的试验研究与数值模拟

能源及节能

4.3边界条件

烟气入口速度为充分发展的湍流，反应器出口为压力出口条件，入口NOx浓度150 mg/m3（标干，6%O2），O2为4.00%，H2O为6.80%。速度与压力的耦合采用Simple算法，反应器入口烟气参数见表1。

4.4模拟结果及討论

假设催化剂入口速度、组分分布均匀、温度等均匀分布，不考虑氨气氧化等副反应。利用上述模型，在与试验相同的边界条件下，模拟得到催化剂内NO的体积浓度如图4所示。

模拟得到出口NO的体积浓度为166.05×10-6，氨逃逸为1.55×10-6，脱硝效率为46%，模拟结果与试验值相近，验证了数值模拟的可靠性。而本文由于没考虑氨气氧化的副反应，因此模拟得到的脱硝效率比试验值略高。endprint

5結论

针对某电厂SCR备用层催化剂的脱硝性能进行了试验与数值模拟研究，得到如下结论：

（1）试验测得脱硝效率为45.8%，氨逃逸为2.1×10-6，满足《强检要求》规定的初始脱硝效率比设计脱硝效率大5%（即大于45%）的要求。

（2）利用数值模拟的方法得到脱硝效率为 46%，氨逃逸为1.55×10-6，与实验结果吻合较好，说明了数值模拟的可靠性，可为试验测试提供一定参考。

参考文献：

[1]

孙克勤，钟秦.火电厂烟气脱硝技术及工程应用＼[M＼].北京：化学工业出版社，2006.

＼[2＼]张强.燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用＼[M＼].北京：化学工业出版社，2007.

＼[3＼]雷达，金保升.电站选择性催化还原系统速度场测量方法＼[J＼].中国电机工程学报，2009，29（35）：89～95.

＼[4＼]汤元强，吴国江，赵亮. SCR脱硝系统喷氨格栅优化设计＼[J＼].热力发电，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