电厂SCR反应器模拟优化

王滨 王建

摘 要：电厂锅炉等产生的NOX是我国NOX排放的主要来源之一，降低锅炉的NOX排放是十分紧迫的环保任务。本文以某电厂SCR反应器为例，对整体反应器进行喷氨模拟优化。

关键词：SCR反应器；催化脱硝；模拟优化

1 引言

目前我国的烟气脱硝技术主要是选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）和SNCR/SCR联合脱硝[1]。SCR是指在催化剂的作用下，还原剂（以NH3为例）与氮氧化物 NOx反应，生成無污染的 N2和水。其主要的反应原理如下：

4NH3 +4NO +O2 →4N2 +6H2O

4NH3 +2NO2+O2 →3N2 +6H2O

在不添加催化剂的条件下，氨与氮氧化物的化学反应温度为980℃，加入催化剂反应温度可降低到320～400℃[2]。本文设计了SCR反应器，并对反应器喷氨情况进行模拟优化。

2 研究对象

SCR 喷氨口及总体结构图如图2.1～2.2所示。

3 边界条件

对于烟道内使用组分输运数学模型，根据某电厂的数据得到烟气组分为CO2、水蒸气、NO、N2，各组分质量分数如表3.1所示，本文只考虑NO，不考虑其他氮氧化物。烟气以12.3896m/s的速度进入烟道，初始温度为647.15K。

4 反应器整体模拟结果

4.1喷氨速率对除氮效率影响

加入化学反应对反应器进行热态模拟，分别设置喷氨速度为7、8、9、10、11、12m/s（氨氮比分别为0.695、0.793、0.894、0.993、1.092、1.192），得到一系列结果如图4.1所示：

从图4.1可以看出，反应器整体压降在氨氮比为0.793时迅速降低，出口NO平均质量分数随着氨氮比的增加大体下降，但在0.993的时候有所上升，而出口NH3平均质量分数随着氨氮比的上升均匀上升。综合三种曲线可得，氨氮比为0.894左右（喷氨速度为9m/s）时结果最优，这与其他文献中比较相符[3]。

4.2喷氨口分区域速度优化模拟

先采用喷氨速度为10m/s，在不添加化学反应的情况下对反应器进行冷态模拟，得到催化剂上层氨气分布云图如图4.3（a）所示。并根据云图对各喷氨口速度进行分区域调整。从图中可以看出，NH3在左右两侧壁面处浓度较小，中心区域浓度较大，因此调大对应壁面氨气喷速并且调小中心喷口氨气喷速同时保证每秒喷氨总质量不变，具体喷速情况如图4.2所示：

得到优化前后反应器整体压降及出口NO质量分数如表4.1所示，优化前后催化剂上层NH3分布云图如图4.3所示：

综上可以看出优化后脱氮效率有所提高，出口NO质量分数降低了0.062%。可根据思路继续对速度分区域调整以求达到出口NO质量分数进一步降低。

5 总结

本文模拟了三种烟道，选择其中一种温度场、压力场以及出口NO分布最均匀的一种设计了整体SCR反应器，并对反应器进行模拟。模拟结果得到氨氮比为0.894左右氨逃逸率、除氮率、反应器压降等综合效果最好。另外本文通过对喷氨口喷氨速度进行分区域优化，验证了这种方法的可行性，为其他SCR反应器模拟优化提供了切实可行的优化思路。

参考文献

[1] 张国梁，海勃湾电厂330MW燃煤机组SCR脱硝技术改造，2017，华北电力大学.第 55页.

[2] 周英贵，大型电站锅炉SNCR/SCR脱硝工艺试验研究、数值模拟及工程验证，2016，东南大学.第 211页.