摘要：采用試驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了某電廠SCR預(yù)留層催化劑的脫硝性能，結(jié)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(shù)值模擬得到的脫硝效率為46%，氨逃逸為1.55×10-6；數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：SCR催化劑；脫硝效率；試驗；數(shù)值模擬

中圖分類號：X506

文獻標(biāo)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(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，NOx、SO2、粉塵的排放限值分別為：50 mg/Nm3、35 mg/Nm3、10 mg/Nm3，國內(nèi)絕大部分機組通過選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的目的。目前針對SCR脫硝系統(tǒng)的研究大多采用單一的試驗方法＼[3＼]或單一的數(shù)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(shù)值模擬相結(jié)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(nèi)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(shè)計保證值為：當(dāng)裝置進口煙氣中NOx的含量不大于600 mg/m3（標(biāo)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(biāo)干，6%O2），氨逃逸率小于3×10-6，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%。

當(dāng)前脫硝裝置的運行現(xiàn)狀為：在設(shè)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(zhuǎn)化率為1.27%；計算得到催化劑活性值為27. 0m/h。從運行指標(biāo)來看，催化劑已到達化學(xué)壽命末期。

根據(jù)該電廠簽署的《脫硝催化劑技術(shù)協(xié)議》：脫硝裝置設(shè)計煙氣量為1171800 Nm3/h（濕態(tài)），設(shè)計溫度為404℃。加裝預(yù)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(zhì)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(zhuǎn)化率不高于2.0%。

當(dāng)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(biāo)干，6%O2）條件下，如三層催化劑需達到86.2%設(shè)計脫硝效率，則要求加裝預(yù)留層催化劑的脫硝效率達到40%，根據(jù)《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(yīng)比設(shè)計脫硝效率大5%，因此針對本項目，預(yù)留層催化劑的初始脫硝效率在入口NOx濃度為150 mg/m3（標(biāo)干，6%O2）時，考核脫硝效率應(yīng)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(jù)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(yīng)器內(nèi)，并確保催化劑與反應(yīng)器內(nèi)壁之間密封良好，連接系統(tǒng)管路，通入N2，調(diào)節(jié)氣體流量，檢查系統(tǒng)的密封性；再次，將煙氣混合器和反應(yīng)器加熱至模擬工況點溫度（404℃），待煙氣溫度達到設(shè)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(shù)穩(wěn)定，記錄數(shù)據(jù)（圖1）。

3.2實驗結(jié)果

試驗測得脫硝效率為45.8%，滿足《強檢要求》規(guī)定的初始脫硝效率比設(shè)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(guān)要求。

4數(shù)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(wǎng)格劃分如圖2所示。

4.2數(shù)學(xué)模型

煙氣在煙道內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流，控制方程包括連續(xù)性方程、能量方程、動量方程、標(biāo)準(zhǔn)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(shù)；S為廣義源項。

并以多孔介質(zhì)模型代替催化劑單元。

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

上

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

周宇昊：SCR催化劑脫硝性能的試驗研究與數(shù)值模擬

能源及節(jié)能

4.3邊界條件

煙氣入口速度為充分發(fā)展的湍流，反應(yīng)器出口為壓力出口條件，入口NOx濃度150 mg/m3（標(biāo)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(yīng)器入口煙氣參數(shù)見表1。

4.4模擬結(jié)果及討論

假設(shè)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(yīng)。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(nèi)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(jié)果與試驗值相近，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。而本文由于沒考慮氨氣氧化的副反應(yīng)，因此模擬得到的脫硝效率比試驗值略高。endprint

5結(jié)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(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)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(guī)定的初始脫硝效率比設(shè)計脫硝效率大5%（即大于45%）的要求。

（2）利用數(shù)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(jié)果吻合較好，說明了數(shù)值模擬的可靠性，可為試驗測試提供一定參考。

參考文獻：

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

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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