SCR反应器入口速度与氨分布不均匀性对脱硝性能的影响

北极星环保网讯:摘要：选择性催化还原(ivecatalyticreduction，SCR)反应器入口参数的不均匀分布会影响其脱硝性能。文中首先建立了SCR催化剂模块单通道内流动传质与反应模型，通过数值模拟获得了各种参数条件下单通道的脱硝性能；在此基础上研究了多通道催化剂床层入口速度和氨的不均匀分布对SCR脱硝性能的影响。

研究表明：入口速度和还原剂的不均匀分布会增加反应器出口的氮氧化物浓度与氨逃逸；不同分布形态对脱硝性能的影响有差异；随分布相对偏差的增加，脱硝效率降低、氨逃逸增加，氨分布偏差的影响最为重要；降低空速和提高氨氮比均能增加脱硝效率，但提高氨氮比同时也会造成更多的氨逃逸。在此基础上提出了满足NOx超低排放需求的入口速度和还原剂分布相对偏差限值设定方法。

关键词：氮氧化物；选择性催化还原；脱硝；氨逃逸；不均匀分布；入口速度

氮氧化物(NOx)是我国重要的大气污染物之一。2015年12月印发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》中建议全国的燃煤电厂力争在2020年前将氮氧化物的排放量控制在50mg/m3(标准状态)以下，比现行的200mg/m3(重点地区和新建机组100mg/m3)排放标准严格许多[1-2]。

这对全国燃煤机组的脱硝工作提出了新的要求。目前燃煤电厂普遍采用低氮燃烧技术与选择性催化还原(ive catalytic reduction，SCR)烟气脱硝技术相结合的方式来控制NOx的排放[3]，其中低氮燃烧技术可将原烟气中的NOx浓度降低50%左右[4]，而SCR脱硝技术则是保证烟气排放达标的关键[5]。

SCR技术采用氨作为还原剂，可达到90%以上的脱硝效率，同时产生少量的氨逃逸[6]。SCR的脱硝性能不仅与催化剂活性、反应温度、空速、氨氮比等因素有关，还和反应器内流场和浓度场的分布有很大关系[7-8]。为了控制分布不均匀带来的影响，业内在设计SCR系统时会对反应器入口的速度和还原剂分布偏差进行限制，譬如入口速度分布相对偏差小于15%，还原剂分布相对偏差小于5%。

这些限制可以保障SCR装置排放满足现行标准，但对于未来50mg/m3甚至更低的NOx排放需求，是否需要调整偏差限值，如何调整，需要开展相关的研究工作。

本文在其他影响因素(催化剂性能、反应温度等)不变的条件下，采用数值模拟的方法研究了SCR反应器入口速度和还原剂氨分布不均匀性对其脱硝性能的影响，在此基础上提出了满足超低NOx排放需求的入口速度和氨分布相对偏差限值的设定方法。

1研究方法

前人在SCR脱硝系统数学建模上做出了很多重要的工作[9-10]，但工业用SCR催化剂多数是蜂窝状结构，整个催化剂由许多互不相通的方形孔道构成，入口截面的速度和还原剂的不均匀分布会使得进入每一个单元孔道内的氨氮比以及空速不尽相同，影响脱硝效率。

单孔道脱硝过程是评价整个催化剂脱硝性能的基础。因此，本文首先建立单孔道的SCR反应模型，数值模拟获得运行参数对其脱硝性能的影响规律；在此基础上给定几种典型分布，分析不均匀分布对催化剂整体脱硝性能的影响。

1.1SCR催化剂单通道反应模型

SCR脱硝反应是还原剂NH3在一定的温度和催化剂作用下有选择性地将烟气中的NO转化为N2和H2O的过程，SCR脱硝技术的温度区间一般为300~400℃，在该温度区间范围内，主要有以下2步反应发生[5]：

反应(1)是主要的脱硝反应，同时，在反应的合理温度窗口内还会发生NH3和O2的相关副反应(2)。

燃煤电厂普遍采用的是钒基SCR催化剂，其催化反应遵循E-R机理[11-13]，即NH3首先吸附在催化剂表面，然后再与NO进行反应。因此反应(1)的反应速率方程为[14]：

同时，因为氨氧化的存在，则氨的总反应速率方程为[14]

式中：A为反应的指前因子；E为反应的活化能；R为理想气体常数，8.314J/(mol⋅K)；T为温度，K。

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