SCR多元催化劑脫硝性能試驗研究及數(shù)值模擬

1、東南大學碩士學位論文SCR多元催化劑脫硝性能試驗研究及數(shù)值模擬姓名:劉濤申請學位級別:碩士專業(yè):熱能工程指導教師:金保升20060401 東南大學碩士學位論文第一章緒論其中擔載cu作為活性成分時脫硝效率最好,在溫度為270"C乖J-NO的轉化率達90%以上1181。南京理工大學鐘秦、曲紅霞制備了組分為W03,、720捫fi02的SCR催化劑,并從溫度、接觸時間、催化劑中V20,的量和NH3投入量對SCR反應的影響幾個方面作了研究。他們認為適宜反應溫度、接觸時間、V205的量和n(NH3/n(NOx燃310"(2、200ms、4.5%和I.I/。從1979年世界上第一個工業(yè)規(guī)

2、模的脫NOx裝置在日本的Kudamatsu電廠投入運行,至2003年底,全世界應用SCR煙氣處理技術的電站燃煤鍋爐容量已超過178.IGW(當時中國國內只有后石電廠一臺l×600MW,占O.3%。其中日本安裝有SCR裝置的23.IGW,歐洲安裝有SCR裝置的約有55GW,美國安裝有SCR裝置的約有100GW(圖1-3U2。全世界生產(chǎn)電站工業(yè)用的催化劑主要有以下幾種:1、蜂窩式約占世界催化劑市場70%左右,主要生產(chǎn)商為歐洲Argillon:FrauenthalmASF;美國Cormetech公司;日本Sakai,shokubai公司。主要運用于高灰分的燃煤電廠。2、板式約占世界催化劑市

3、場25%左右,主要生產(chǎn)商為歐洲Argillon;日本日立BHKK公司。主要用于燃煤電廠和燃油,氣電廠.3、波紋式約占世界催化劑市場5%左右,主要生產(chǎn)商為歐洲Topsoe;日本Hitach公司。主要用于燃氣和燃油電廠。 圖1-3SCR裝置的工業(yè)運用圖1.4不同形狀工業(yè)催化劑所占市場份額§1.4數(shù)值模擬在煙氣脫硝領域中的應用B.Roduit、A.Balker等采用有限元法(FEM對蜂窩狀催化劑建立了三維模型。他們認為蜂窩狀催化劑的通道斷面通常為正方形或三角形,不適用簡單的一維動力學模型,管口處附面層對充分發(fā)展段的氣流速度有一定影響。他們從傳質平衡方程和濃度平衡方程中計算出了外部傳質系數(shù)。

4、在考慮附面層影響以及氧化副反應的前提下對實際柴油機尾氣采用蜂窩狀催化劑脫硝進行了三維模型模擬,通過數(shù)值模擬計算比對,他們認為在溫度為140C450"C,空速比在1480073900h.1的時 工業(yè)板式催化劑是以不銹鋼網(wǎng)、帶做基材,把活性物質敷設在不銹鋼網(wǎng)、帶上,然后煅燒成形;蜂窩式催化荊 則是用模具均勻擠出,然后煅燒成形?，F(xiàn)在使用的大多數(shù)蜂窩狀催化劑不是采用基材,而是把載體材料本身作為基材制成蜂窩狀;波紋板式則是用采用超細纖維板,浸漬并添加活性物質的工藝手段成形。圖牟l工業(yè)中實際運用的催化劑表4.2催化劑規(guī)格催化劑端面幾何形狀催化劑規(guī)格(nun端面開孔數(shù)方孔蜂窩60×60&

5、#215;20016孔圓孔蜂窩60×60X20016孔斜扳60×60X20032孔波紋板60×60×20032孔數(shù)值模擬的靈活性,允許對于幾何布置的變動和修改,這比純物理模型變動省時、省費用;而且數(shù)值模擬可以把尺寸定義的和實際尺寸相同,邊界條件輸入更加便捷;如果建模方法選擇得當?shù)脑?求解結果還是可以比較精確描述實際模型流動和反應的情況。結合現(xiàn)有的試驗條件,在顆粒狀催化劑實驗的基礎上本文建立了以下四種催化劑模型并模擬了幾種形狀催化劑的流場(表4.2,對比幾種不同形狀的催化劑流動阻力瓤壓損。催化荊的截面積是受試驗臺和材料用量制約,四種形狀的催化劑縱向節(jié)距基本

6、相等,考慮蜂窩圓孔內壁為曲面,所以蜂窩圓孔的橫向節(jié)距略大于蜂窩方孔。催化劑縱向開孔節(jié)距為2mm。 圖4-2模擬催化劑端面幾何形狀圖4.3模擬的催化劑體具體反應流程圖見圖4-14,反應催化劑是裝在長為1330ram的不銹鋼簡體里,催化荊長度為200ram在反應器體積不變的情況的,模擬不同結構的催化劑,比較不同結構催化劑反應器阻力的差異和脫硝效率的差異; 圖44SCR小反應器試驗臺尺寸及物理模型§4.3數(shù)學模型及控制方程流動與傳熱過程都受到最基本的3個物理規(guī)律的支配,即質量守恒、動量守恒及能量守恒,其數(shù)學表達式就是常說的控制方程,以偏微分方程的形式表達出來。流動與傳熱問題所需求解主要變量

7、的控制方程可以表示成如下通用形式:div(pU#=div(r,gmd礦+S。4-1式中:廬為通用變量,可以代表u,v,T等求解變量;廠為廣義擴散系數(shù);&為廣義源項.這里引入“廣義”二字,表示處在廠一與S位置上的項不必是原來物理意義上的量,而是數(shù)值計算模型方程中的一種定義,不同求解變量的控制方程之間區(qū)別除了邊界條件與初始條件外.就在于廠與S一的表達式不同。式中也包括了質量守恒方程,只要令;l,s.=0即可。對于湍流采用標準的k-c模型描述。氣體流動模型包括三維的連續(xù)性方程,動量方程以及k和c的兩個輸運方程,它們可統(tǒng)一表達為以下形式: 東南大學碩士學位論文第四章SCR反應器數(shù)值模擬 1、波

8、紋催化劑截面網(wǎng)格2、斜板催化劑截面網(wǎng)格3、蜂窩方孔催化劑截面網(wǎng)格4、蜂窩圓孔催化劑截面網(wǎng)格圖4.5模擬反應器生成的網(wǎng)格§4.4數(shù)值模擬求解采用標準ke湍流模型模擬氣相湍流模型,半經(jīng)驗的公式分離式耦合解算器(segregated求解,其基本思路是假定初始壓力場,利用壓力場求解動量方程,得到速度場。然后利用速度場求解連續(xù)方程,使壓力場得到修正,在求解湍流方程和其他標量方程。判斷當前時間步長上是否收斂,若不收斂則繼續(xù)迭代計算。其中壓力修正法選擇壓力耦合方程組的半隱式方法Iv。§4.5模擬結果分析反應氣體從上部入口處流入,改變反應器入13速度vtRe數(shù),得到如圖4-6反應器流場的變

9、化。反應器上端彎管部分對流動影響還是較大的,在速度高的時候,氣流由于慣性產(chǎn)生貼邊。但由于催化劑入口前段是保持一定長度,所以對催化劑層影響不是很大,且四種不同結構催化劑的入口反應條件相同。Z X圖4.6反應器內部流場矢量圖§45.2速度特性由于幾種催化劑制作方式不一樣,所以結構外形不同,蜂窩狀催化劑是采用整體煅燒,擠壓成型的方法,波紋板催化劑是采用玻璃纖維加強的TiOz為底材,然后在表面通過浸潰法添加v20,和w03等活性物質。板式也是采用超薄不銹鋼網(wǎng)帶浸漬成的。而由于脫硝反應大都在催化劑表面發(fā)生反應,蜂窩和板式催化劑在表面發(fā)生磨損后還可以繼續(xù)保持活性,但是波紋板催化劑的活性卻降低的很

10、快,所以波紋板式催化劑在高灰燃煤電廠上的應用受到限制。圖4_弘圖4-10是在反應器入口速度為15m/s(催化劑層入口截面平均速度為4.2m/s時,不同催化劑的XY截面視圖(取催化劑長度 圖4-7波紋板XY截面速度等勢線圖圖4-8蜂窩方孔XY截面速度等勢線圖 圖4_9斜板XY截面速度等勢線圖圖4-10蜂窩圓孔XY截面速度等勢線圖的一半做剖面。從速度等勢線特性圖中可以看出在波紋板、斜板四角邊緣速度梯度較大,說明相對蜂窩狀催化劑,波紋板,斜板的死區(qū)易造成催化劑積灰,且由于波紋板式的銳角結構及連接處的緩坡使得 圖4-11四種板型的速度矢量圖(反應器入口速度為v=ISm/s積灰要相對嚴重一些,而蜂窩狀催化劑內部氣流分布均勻,無溝流現(xiàn)象,比較適應反應速度快,空速高的場合,整個反應處于均勻傳質的控制過程;此外,從圖4-11可以看出由于波紋和斜板式的銳角存在,單孔通道在長度入口處會有速度偏轉,在這種情況下容易產(chǎn)生孔內旋流,這個擾動有助于煙氣中的NH3和NOx混合。一般來說這個數(shù)量級下的壓力變化對SCR反應影響并不大,不會影響SCR反應級數(shù),但是壓降對催化劑積灰還是有影響。同時壓力高也需要催化劑能承受一定的抗壓強度。在反應效率近似相等的情況下,阻力越大,催化劑堵塞可能性就越大;另外壓力差過大還會造成風機電耗上升,降低鍋爐效率。設計良好形狀的催化劑則可以消除部分阻力影響。改變入