选择性催化还原SCR脱硝反应器数学模型及仿真.pdf

重庆市电机工程学会 2008 年学术会议论文 选择性催化还原SCR脱硝反应器数学模型及仿真 周响球，杨 晨 (重庆大学动力工程学院，重庆 400044) 摘要：对引进的选择性催化还原（SCR）脱硝反应器中主 要的化学反应过程进行了数字模拟。建立了 SCR 反应器 的集总参数动态数学模型，其中分别建立了催化剂表面 NH3 的吸附-解吸附质量平衡模型、反应器中各气体成份 的质量平衡模型以及总体能量平衡模型。模拟时考虑了烟 气中 NOx 浓度、NH3/NOx 摩尔比、烟气温度、烟气流量、 负荷等因素对脱硝效率的影响。 关键词：选择性催化还原 SCR；NOx；动态数学模型 1 引言 随着电力工业的发展，特别是燃煤电厂的发 展，烟气中 NOx 的排放量相应增加，由此造成的 大气污染问题将日益严重，对燃煤电厂的排烟要 求更高。面对日益严峻的环境压力，必须找出有 效的脱氮途径。SCR 选择性催化还原脱硝技术是 目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术。国内 对 SCR 反应器的开发和应用起步较晚，对 SCR 反应的内部机理缺乏了解。引进国外脱氮设备的 投资及运行费用很大，且通常工艺复杂，操作与 维护困难，难于大范围推广应用。在开发 SCR 技 术的过程中，应用计算机仿真技术进行优化设计 和性能仿真分析，将会大大减少花费，节约人力。 为引进国外 SCR 脱硝技术的消化吸收进行了初 步的基础研究，为进一步认识其内部机理，为国 内自主开发烟气脱硝系统提供依据与指导。 2 SCR反应脱除NOx的化学原理 [1,2] SCR 的化学反应机理比较复杂，主要是 NH3 在一定的温度和催化剂的作用下，有选择地把烟 气中的 NOx 还原为 N2 和 H2O。催化剂的作用是 降低 NOx分解反应的活化能，使其反应温度降低 至 250-450℃之间。其主要发生的反应可表示如 下： 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (1) 4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O (2) 其中第一个反应是最主要的，因为烟气中几 乎95%的NO是以NO的形式存在。在没有催化剂 的情况下，这些反应只能在很窄的温度范围内 (980℃左右)进行。通过选择合适的催化剂，反应 温度可以降低，并且可以扩展到适合电厂实际使 用的290-430℃范围。 反应条件发生改变时，主要有NH3氧化为N2 的副反应发生： 4NH3+3O2→2N2+6H2O (3) 3 SCR反应器的数学模型 由于 SCR 反应器中存在有催化剂参入的复 杂化学反应，按照反应器仿真与性能分析的要求， 为了建立符合工程应用要求的 SCR 反应器动态 数学模型。本文进行了一些简化和基本假设： ①不考虑反应器结构和尺寸对化学反应的影 响；②假设催化剂均匀分布于反应器中，反应器 中各处的化学反应速率分布均匀；③由于反应器 壁面上加装了保温层，忽略反应器与外界环境的 传热，假定反应器与外界绝热；④流入和流出反 应器的烟气流动、温度、速度分布均匀；⑤反应 器内流动为均匀流，不考虑温度、浓度等参数差 异和物质交换；⑥忽略反应器前后的压力损失， 认为反应器前后压力不变，不考虑压力对反应速 率的影响；⑦认为烟气是理想气体，主要成分是： NOx（NO、NO2）、SO2、H2O、N2、O2、CO2 组 成。 3.1 动力学数学模型方程 3.1.1 NH3在催化剂表面的吸附与解吸附过程 反应过程中，催化剂对 NH3的吸附过程和解 吸附过程动力学研究已经被认为是符合以前的动 力学实验，可以用 Langmuir 的等温吸附方程[3] 604 选择性催化还原 SCR 脱硝反应器数学模型及仿真 来表示吸附和解吸附速率，经验吸附和解吸附率 表达式[4,5,6]可以表示为： 0 a a a N H 3 N H 3 Er k ex p R T C (1 θ ? ?= ?? ? ? ? ? ) ? （4） NH3 d0 dd RT Eexpkr θ?? ? ? ? ? ? ?= （5） 上式中 和 分别表示催化剂对 NH3 的吸附和解吸附率：s-1， ar dr NH3θ 为催化剂表面 NH3 的覆盖率， 和 分别为 NH3 吸附与解吸 附率常数：m3·mol-1·s-1、s-1， 为反应器中 NH3 的摩尔浓度：m3·mol-1，R 为理想气体常数： mol·kJ-1·K-1，T 为反应器内的温度：K， 和 分别为 NH3吸附与解吸附活化能：kJ·mol-1。式中 可 以 用 Temkin-type[7] 表 示 为 ： ，其中 为零覆 盖时 NH3解吸附活化能：kJ·mol-1， 0 ak 0 dk N H 3C a