蜂窝式催化剂选型计算

蜂窝式催化剂选型计算编制：姬明林一、知识准备1.1烟气相关知识1.1.1烟气状态（1）标态/工况：标态：1个大气压、0℃条件下；一般用N标识，例如：烟气流量单位Nm3/h。工况：实际工作条件（温度、压力）下。（2）干基/湿基：是否计入水汽量；计入水汽量的为湿基；例如：NOX的浓度为550mg/Nm3（干基），表示的是：计算NOX浓度时，其分母（烟气流量）中扣除了水汽含量。故其湿基浓度要小于干基浓度。（3）实际氧/6%O2/8%O2/10%O2：按多少氧含量折算的参数（浓度、体积流量等）。1.1.2烟气换算（1）压力P、体积V、温度T三者关系：理想气体方程（克拉伯龙方程）：PV=nRT其中：n—物质的量，mol；n=质量（g)/分子量

R—气体常数，R=8.314J/(mol·K)P—气体压力，Pa

V—气体体积，m3

T—气体温度，K；T=t(℃)+273.15K说明：

在脱硝之前，某点位置，一般烟气的压力是恒定的，则体积V与温度T成正比。将工况换算为标态时，可利用公式：VN/V1=(273+0)/(273+T1），式中V1、T1表示工况烟气参数。（2）含氧量折算：燃煤电厂NOX浓度一般按6%O2折算：

NOX浓度折算：折算后NOX浓度=实际浓度×（21-6）/（21-实际氧）

烟气流量折算：折算后流量=实际流量×（21-实际氧）/（21-6）（3）干基、湿基换算：在进行浓度换算时，主要涉及分母上烟气流量是否含有水汽量。在进行NOX浓度检测时，取样点温度较高，取样检测时，烟气温度必然会降低，甚至降低至常温，若烟气量中含有水分过多，则有可能冷凝，为了保证检测的准确度，一般检测时，都先除尘、除湿，仅检测干基烟气。1.2催化剂相关知识（1）尺寸数据序号孔数孔径

mm孔距

mm内壁厚

mm外壁厚

mm开孔率比表面积

m2/m3孔截面积

m2/条1158.59.81.32.20.7233400.016321689.21.220.7283640.01643177.58.651.151.80.7233850.01634187.18.21.11.70.7264090.01635196.757.7511.70.7314330.01646206.47.411.50.7284550.01647216.17.050.951.50.7294780.01648225.86.70.91.50.7244990.01639235.556.40.851.50.7245220.016310245.36.150.851.50.7195430.016211255.15.90.81.50.7235670.0163说明：（1）比表面积计算时，不计算催化剂外侧四周、两端面的面积。外侧四周在模块箱中被硅酸铝纤维板覆盖，不与烟气接触；两端面已经硬化，几乎不参与催化作用，仅抗耐磨。（2）模块箱内催化剂单体排列：12×6，共72条；模块箱外形最大尺寸1910×970（上侧，底部略小）。（3）结合烟气在催化剂孔的停留时间、烟尘沉降、SCR投资成本等因素，催化剂孔内烟气流速一般控制在6-7m/s范围。因此，可以据此计算单层催化剂模块数量的最大值和最小值。（4）在洁净环境下：催化剂孔内流速越高，则单位长度压差越大；催化剂单体越长，则单层催化剂压差越大。（5）流体压差与流速的关系：ΔP=(2/R)4/3·ρg·n2u2LΔP——压差

R——圆孔半径

ρ——密度

g——重力加速度

n——糙率，其大小视内壁光洁程度

u——流速

L——沿程长度（流道长度、催化剂长度）对稳定生产的催化剂来说，若孔数、温度一定，则变量仅有u、L两个参数。21孔，378℃时：ΔP=2.73·u2L（根据西安热工院检测数据测算）。2.1烟气参数二、数据收集序号项目单位数值备注1烟气流量Nm3/hr

标态，实际氧，湿基2大气压Pa

当地平均3烟气温度（脱硝时）℃

范围，或长期运行值4烟气含水汽量%

均值，干基，燃煤锅炉一般6-8%5烟气含NOX量mg/Nm3

以NO2计，标态，干基，电厂6%氧/玻璃厂8%氧/水泥厂10%氧6烟气含O2量%

干基，燃煤锅炉一般5%左右7烟气含尘量g/Nm3

标态，实际氧，干基2.2烟尘参数备注：注意碱金属、碱土金属的含量。序号项目单位数值备注1CaO含量mg/Nm3

标态、干基、氧折算2Na2O含量mg/Nm3

标态、干基、氧折算3K2O含量mg/Nm3

标态、干基、氧折算4As2O3含量mg/Nm3

标态、干基、氧折算2.3目标参数备注：注意其它要求，例如：反应器尺寸、模块箱排列、催化剂层数设计、密封材料（模块箱之间、模块箱与反应器内壁之间）、运载和装载工具（液压小车、翻转小车、吊架等）。序号项目单位数值备注1烟气含NOX量，≤mg/Nm350以NO2计，标态，干基，电厂6%氧≤100/玻璃厂8%氧≤7002SO2/SO3转化率，≤%1

3氨逃逸，≤ppm3以NH3计，干基三、选型计算3.1催化剂孔数确定序号含尘浓度（g/Nm3）单块孔数壁厚（mm）115及以下22×220.8~0.85215~2021×21320~2520×20425~3019×19530~3518×181.0~1.1635~4017×17740及以上15×153.2催化剂活性系数K0——催化剂初始活性系数，m/hKe——3年末催化剂活性系数,m/hKe=衰减系数×K0衰减系数取值：温度越高，K0衰减越快，但催化剂活性越高。根据第三方检测数据：378℃，21孔，K0=36.2m/h

接近于钒钛体积催化剂钒含量0.5%时的数据。序号温度，℃衰减系数备注1390-4000.65

2380-3900.75

3350-3800.80

4310-3500.85

3.3氨氮摩尔比（MR）脱硝理论计算需要加入的氨气摩尔数与烟气中总NOX理论需要的氨气摩尔数的比值。脱硝理论计算需要氨气摩尔数=与NOX反应的量+氨逃逸的量。NOX浓度是以NO2计算的，实际上，其中含NO约95%，含NO2约5%。脱硝反应主要化学反应式：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O摩尔比=1：12NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O摩尔比=1：2氨逃逸一般要求≤3ppm（以NH3计，干基，6%O2）；按作理想气体进行换算，1molNH3的体积为22.4L。总NOX理论需要的氨气摩尔数：按烟气入口NOX浓度计算所需要的NH3量。例如：试计算氨氮摩尔比。烟气参数表目标参数表：序号项目单位数值备注1烟气流量Nm3/hr471094标态，实际氧，湿基2大气压Pa1010003烟气温度（脱硝时）℃3694烟气含水汽量%10.3干基5烟气含NOX量mg/Nm3450.00以NO2计，标态，干基，6%O26烟气含O2量%3.47干基7烟气含尘量g/Nm330标态，实际氧，干基序号项目单位数值备注1烟气含NOX量，≤mg/Nm350以NO2计，标态，干基，6%O22SO2/SO3转化率，≤%1

3氨逃逸，≤ppm3以NH3计，干基3.4面速度（AV）烟气标态流量（实际氧、湿基，m3/h）与催化剂总表面积的比值，单位m/hr。物理意义：催化剂每平方米的表面积能处理的烟气量。催化剂总表面积=总体积×比表面积说明：不考虑催化剂两端面面积和外侧四周面积。3.5空塔速度（Ugs）烟气标态流量（实际氧、湿基，m3/s）与催化剂层截面积的比值。物理意义：SCR反应器内，在催化剂层截面上的烟气流速，接近SCR反应器内部的空速。3.6体积空速（SV）烟气标态流量（实际氧、湿基，m3/h）与催化剂总体积的比值。单位：1/h。3.6催化剂计算的公式其中：

K为活性系数，用Ke代入；

η为脱硝效率，%；η=NOX进出口浓度之差/入口浓度×100%面速度AV=Q/(V·β）其中：

Q——烟气标态流量（工况，m3/h）

V——催化剂总体积（m3)

β——比表面积（m2/m3）根据上式，可以推导出催化剂体积计算的公式。3.7计算方法的探讨3.7.1理论计算的假设/前提在我们推导、计算的过程中，想当然地作了以下假设：（1）活性系数K，是表征催化剂催化能力的系数，仅与温度有关。（2）在计算过程中假定了MR和η。3.7.2催化剂活性系数K（1）传质速率hm——传质系数Asurface——催化剂通道的面积VNOx——NOX传质速率

CNOx·gas——气相NOX浓度CNOx·surface——催化剂表面NOX浓度对NH3而言，也是如此。（2）反应速率Kchem——反应速率常数Asurface——催化剂通道的面积UNOx——NOX反应CNOx·surface——催化剂表面NOX浓度（3）活性系数KSCR活性系数K，是一个同时体现催化剂反应系统传质和化学反应速率的综合性特征值，其大小不仅取决于催化剂的本征物化特性，而且还取决于催化反应系统的诸多条件。例如：烟气温度、O2含量、H2O含量、MR、u等。3.7.3催化剂活性K的测量实际应用中，Kchem、hm都难以测量，于是使用可以测量的参数对K进行表征：计算hm的半经验公式：dh——流道的水力直径；D——扩散系数u——流道内的流速；