SCR多元催化剂脱硝性能试验研究及数值模拟

1、东南大学硕士学位论文SCR多元催化剂脱硝性能试验研究及数值模拟姓名:刘涛申请学位级别:硕士专业:热能工程指导教师:金保升20060401 东南大学硕士学位论文第一章绪论其中担载cu作为活性成分时脱硝效率最好,在温度为270"C乖J-NO的转化率达90%以上1181。南京理工大学钟秦、曲红霞制备了组分为W03,、720扪fi02的SCR催化剂,并从温度、接触时间、催化剂中V20,的量和NH3投入量对SCR反应的影响几个方面作了研究。他们认为适宜反应温度、接触时间、V205的量和n(NH3/n(NOx燃310"(2、200ms、4.5%和I.I/。从1979年世界上第一个工业规

2、模的脱NOx装置在日本的Kudamatsu电厂投入运行,至2003年底,全世界应用SCR烟气处理技术的电站燃煤锅炉容量已超过178.IGW(当时中国国内只有后石电厂一台l×600MW,占O.3%。其中日本安装有SCR装置的23.IGW,欧洲安装有SCR装置的约有55GW,美国安装有SCR装置的约有100GW(图1-3U2。全世界生产电站工业用的催化剂主要有以下几种:1、蜂窝式约占世界催化剂市场70%左右,主要生产商为欧洲Argillon:FrauenthalmASF;美国Cormetech公司;日本Sakai,shokubai公司。主要运用于高灰分的燃煤电厂。2、板式约占世界催化剂市

3、场25%左右,主要生产商为欧洲Argillon;日本日立BHKK公司。主要用于燃煤电厂和燃油,气电厂.3、波纹式约占世界催化剂市场5%左右,主要生产商为欧洲Topsoe;日本Hitach公司。主要用于燃气和燃油电厂。 图1-3SCR装置的工业运用图1.4不同形状工业催化剂所占市场份额§1.4数值模拟在烟气脱硝领域中的应用B.Roduit、A.Balker等采用有限元法(FEM对蜂窝状催化剂建立了三维模型。他们认为蜂窝状催化剂的通道断面通常为正方形或三角形,不适用简单的一维动力学模型,管口处附面层对充分发展段的气流速度有一定影响。他们从传质平衡方程和浓度平衡方程中计算出了外部传质系数。

4、在考虑附面层影响以及氧化副反应的前提下对实际柴油机尾气采用蜂窝状催化剂脱硝进行了三维模型模拟,通过数值模拟计算比对,他们认为在温度为140C450"C,空速比在1480073900h.1的时 工业板式催化剂是以不锈钢网、带做基材,把活性物质敷设在不锈钢网、带上,然后煅烧成形;蜂窝式催化荆 则是用模具均匀挤出,然后煅烧成形。现在使用的大多数蜂窝状催化剂不是采用基材,而是把载体材料本身作为基材制成蜂窝状;波纹板式则是用采用超细纤维板,浸渍并添加活性物质的工艺手段成形。图牟l工业中实际运用的催化剂表4.2催化剂规格催化剂端面几何形状催化剂规格(nun端面开孔数方孔蜂窝60×60&

5、#215;20016孔圆孔蜂窝60×60X20016孔斜扳60×60X20032孔波纹板60×60×20032孔数值模拟的灵活性,允许对于几何布置的变动和修改,这比纯物理模型变动省时、省费用;而且数值模拟可以把尺寸定义的和实际尺寸相同,边界条件输入更加便捷;如果建模方法选择得当的话,求解结果还是可以比较精确描述实际模型流动和反应的情况。结合现有的试验条件,在颗粒状催化剂实验的基础上本文建立了以下四种催化剂模型并模拟了几种形状催化剂的流场(表4.2,对比几种不同形状的催化剂流动阻力瓤压损。催化荆的截面积是受试验台和材料用量制约,四种形状的催化剂纵向节距基本

6、相等,考虑蜂窝圆孔内壁为曲面,所以蜂窝圆孔的横向节距略大于蜂窝方孔。催化剂纵向开孔节距为2mm。 图4-2模拟催化剂端面几何形状图4.3模拟的催化剂体具体反应流程图见图4-14,反应催化剂是装在长为1330ram的不锈钢简体里,催化荆长度为200ram在反应器体积不变的情况的,模拟不同结构的催化剂,比较不同结构催化剂反应器阻力的差异和脱硝效率的差异; 图44SCR小反应器试验台尺寸及物理模型§4.3数学模型及控制方程流动与传热过程都受到最基本的3个物理规律的支配,即质量守恒、动量守恒及能量守恒,其数学表达式就是常说的控制方程,以偏微分方程的形式表达出来。流动与传热问题所需求解主要变量

7、的控制方程可以表示成如下通用形式:div(pU#=div(r,gmd矿+S。4-1式中:庐为通用变量,可以代表u,v,T等求解变量;厂为广义扩散系数;&为广义源项.这里引入“广义”二字,表示处在厂一与S位置上的项不必是原来物理意义上的量,而是数值计算模型方程中的一种定义,不同求解变量的控制方程之间区别除了边界条件与初始条件外.就在于厂与S一的表达式不同。式中也包括了质量守恒方程,只要令;l,s.=0即可。对于湍流采用标准的k-c模型描述。气体流动模型包括三维的连续性方程,动量方程以及k和c的两个输运方程,它们可统一表达为以下形式: 东南大学硕士学位论文第四章SCR反应器数值模拟 1、波

8、纹催化剂截面网格2、斜板催化剂截面网格3、蜂窝方孔催化剂截面网格4、蜂窝圆孔催化剂截面网格图4.5模拟反应器生成的网格§4.4数值模拟求解采用标准ke湍流模型模拟气相湍流模型,半经验的公式分离式耦合解算器(segregated求解,其基本思路是假定初始压力场,利用压力场求解动量方程,得到速度场。然后利用速度场求解连续方程,使压力场得到修正,在求解湍流方程和其他标量方程。判断当前时间步长上是否收敛,若不收敛则继续迭代计算。其中压力修正法选择压力耦合方程组的半隐式方法Iv。§4.5模拟结果分析反应气体从上部入口处流入,改变反应器入13速度vtRe数,得到如图4-6反应器流场的变

9、化。反应器上端弯管部分对流动影响还是较大的,在速度高的时候,气流由于惯性产生贴边。但由于催化剂入口前段是保持一定长度,所以对催化剂层影响不是很大,且四种不同结构催化剂的入口反应条件相同。Z X图4.6反应器内部流场矢量图§45.2速度特性由于几种催化剂制作方式不一样,所以结构外形不同,蜂窝状催化剂是采用整体煅烧,挤压成型的方法,波纹板催化剂是采用玻璃纤维加强的TiOz为底材,然后在表面通过浸溃法添加v20,和w03等活性物质。板式也是采用超薄不锈钢网带浸渍成的。而由于脱硝反应大都在催化剂表面发生反应,蜂窝和板式催化剂在表面发生磨损后还可以继续保持活性,但是波纹板催化剂的活性却降低的很

10、快,所以波纹板式催化剂在高灰燃煤电厂上的应用受到限制。图4_弘图4-10是在反应器入口速度为15m/s(催化剂层入口截面平均速度为4.2m/s时,不同催化剂的XY截面视图(取催化剂长度 图4-7波纹板XY截面速度等势线图图4-8蜂窝方孔XY截面速度等势线图 图4_9斜板XY截面速度等势线图图4-10蜂窝圆孔XY截面速度等势线图的一半做剖面。从速度等势线特性图中可以看出在波纹板、斜板四角边缘速度梯度较大,说明相对蜂窝状催化剂,波纹板,斜板的死区易造成催化剂积灰,且由于波纹板式的锐角结构及连接处的缓坡使得 图4-11四种板型的速度矢量图(反应器入口速度为v=ISm/s积灰要相对严重一些,而蜂窝状催化剂内部气流分布均匀,无沟流现象,比较适应反应速度快,空速高的场合,整个反应处于均匀传质的控制过程;此外,从图4-11可以看出由于波纹和斜板式的锐角存在,单孔通道在长度入口处会有速度偏转,在这种情况下容易产生孔内旋流,这个扰动有助于烟气中的NH3和NOx混合。一般来说这个数量级下的压力变化对SCR反应影响并不大,不会影响SCR反应级数,但是压降对催化剂积灰还是有影响。同时压力高也需要催化剂能承受一定的抗压强度。在反应效率近似相等的情况下,阻力越大,催化剂堵塞可能性就越大;另外压力差过大还会造成风机电耗上升,降低锅炉效率。设计良好形状的催化剂则可以消除部分阻力影响。改变入