蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算

第22卷第4期2007年7月

热能动力工程

JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER

Vol. 22, No. 4Jul. , 2007

文章编号:1001-2060(2007) 04-0450-07

蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算

范红梅, 仲兆平, 金保升, 李锋

(东南大学能源与环境学院, 江苏南京210096)

摘要:对蜂窝状催化剂内部的对流、传质、化学反应过程进行分析研究。建立壁面区域的控制方程, 由几何对称性及扩散平衡写出边界条件, 生成自适应网格, 利用有限差分法对控制方程进行离散, 求壁面NO 浓度分布; 建立蜂窝状催化剂通道内部区域的控制方程, 由几何对称性及扩散平衡写出边界条件, 采用交替方向隐式(ADI) 算法对控制方程进行离散; 最后通过方程式联立并求解, 得到对于给定温度、气流速率、一定的脱硝效率和可接受氨泄漏量的条件下最佳NH 3/NO 比的计算式。实例计算得出:SCR 反应仅发生在靠近催化剂壁面的一薄层内, 其余部分均为死区; 由催化剂单个孔内NH 3和NO 沿轴向的浓度分布情况, 得到各断面上NH 3的浓度下降比NO 来得快, 主要由于NH 3在高温下被氧化而导致的结果; 由一定NO 进气浓度、温度和气流速率下的最佳NH 3/NO 比, 得出最合适的NH 3给气流量与NO 不是等摩尔。关

键

词:蜂窝状催化剂; 脱硝; 数值计算

引言

NH 3作还原剂选择性催化还原NO x 的方法(SC R-DeNO x ) , 因其成熟可靠、脱氮效率高、选择

性好、性价比高, 已被应用在固定源排气净化过程中, 并实现了工业化运行。SCR 商业催化剂多采用整体式蜂窝状和板式两种形态。由于蜂窝状催化剂具有许多通道, 降低了压降, 同时具有高的比表面积, 高反复利用率, 耐磨损和耐灰尘沉积等特性, 在燃煤烟气脱硝装置中广泛应用

[1~2]

。尾气中NH 3

残留是SCR 系统的关键操作问题之一。过量NH 3的给入不仅造成原料浪费, 同时也会造成对周围大气的污染, 因此在实际SCR 运行过程中应控制NH 3的给入量, 使得剩余在烟气中的NH 3浓度不应超过31795mg/m

3[3]

中图分类号:TK16;TQ039 文献标识码:A

符号说明

D e ) 组分有效扩散系数/cm #s

-1

。

文中详细地考虑了蜂窝状催化剂内部发生对流、传质和化学反应过程, 根据假设建立了三维数学模型, 通过计算得到:SCR 系统脱硝过程中, 蜂窝状催化剂壁面区域内NO 浓度分布以及蜂窝状催化剂通道内部区域NH 3和NO 沿轴向的浓度分布情况, 及在一定的NO 进气浓度、温度和气流速率下, 最佳的NH 3/NO 比值。

;

D g ) 组分分子扩散系数/cm 2#s -1; L ) 气体动力粘度/Pa#s; r ) 反应速率表达式; L ) 催化剂通道长度/m;

L c ) 催化剂通道断面湿周, 等于4倍的催化剂通道边长/m;s ) 催化剂通道断面面积/m2; P NH ) N H 3的反应浓度/mg #m

-3

1 蜂窝状催化剂脱硝过程3-D 数学模型的

;

P NO ) NO 的反应浓度/mg#m -3; P i, j ) i, j 节点的反应物浓度/mg#m -3; V SP ) 空间速度/h

-1

建立

1. 1 假设

蜂窝状催化剂单孔通道如图1所示, 为了使问题简化, 做如下假设:

(1) 由于反应物浓度较低, 反应过程中产生的热量很少, 认为整个过程是等温的。

(2) 认为尾气和反应气体是预混合的, 在整个催化剂断面上气流是均匀分布的, 催化剂断面上各

;

k 1) SCR 主反应(NO被NH 3还原) 的反应速率常数; k 2) SCR 副反应(NH3氧化成N 2) 的反应速率常数; p NH p NH x NO

3out

) 计算氨泄漏量;

) 可接受标准氨泄漏量, 为一定值;

3out, s tandard

stan dar d

) 给定NO x 的标准转化率;

收稿日期:2006-10-19; 修订日期:2006-12-24

基金项目:教育部新世纪优秀人才基金资助项目(NCET-05-0469) (, ,

第4期范红梅, 等:蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算#451 #

通道是均匀一致的, 这样整个催化剂断面上的物理化学过程就简化为分析其中一个通道。

(3) 假设扩散过程符合FIC K 定律, 和对流作用

相比, 气相中反应物的轴向扩散可以忽略。

(4) SCR 反应符合E -R 机理模型[4], 在NO 被NH 3还原的同时, 考虑NH 3氧化的副反应[5]

。

D e D e k 2p NH 3

22K NH 3p NH 3

9p NO 9p NO

=k 1p NO +1+K NH 3p NH 39y 9x

92p NH 39x

92p NH 39y

=k 1p NO

K NH 3p NH 31+K NH 3p NH 3

边界条件(边界Ñ、Ò、Ó) 由于几何对称性, 得:

9p s 9p s 9p s

===0(3、4、5)

图1 蜂窝状催化剂单孔通道示意图

1. 2 建立蜂窝状催化剂壁面区域的控制方程及边界条件

蜂窝状催化剂壁面区域如图2所示(其中N 为xy 平面上与x 轴成45b 角的方向) 。由反应物扩散

速率与催化剂壁面内的反应速率相等, 建立反应物S (NO、NH 3) 的物料恒算式得:92p s 92p s 92p s

D e ++=r

9x 29y 29z 29s 9p s 9p s 9p s

其中:m , m

222

9p s 9p s 9p s 92p s

则:m , m 9x 9z 9y 9z 式(1) 可以简化为:

边界Ô, 边界左侧和右侧扩散平衡:

9p s 9p s

D e |壁面=D g |气相(6) 1. 3 建立蜂窝状催化剂通道内部区域的控制方程及边界条件

(1)

图3 蜂窝状催化剂通道区域B 示意图蜂窝状催化剂通道区域如图3所示。考虑入口边界层长度, 在上述假设条件下, 对反应物S (NH 3、NO) 建立3-D 稳定传质模型:

9p s 9p s 9p s

+u y (x , y , z ) +u z (x , y , z ) 92p s 92p s 92p s

=D g ++(7)

9x 29y 29z 29p s 9p s 9p s 9p s

其中:m , m 92p s 92p s 92p s 92p s 则:m , m

9x 29z 29y 29z 2

由于入口段长度和整个通道长度相比短得多, u x (x , y , z )

同时u z m u x (u z m u y ) , 通过验证, 在x -y 方向上对流项可以忽略, 则式(7) 简化成如下形式:

9p NO 92p NO 92p NO D g

=(+) u z (x , y ) 9x 29y 2

92p NH 392p NH 3

D g

=(+) u z (x , y ) 9x 29y 2

由于对称性, 边界条件可以写成如下形式:

9p NH 3

边界Ñ、Ó:

9p s 9p s

==0(9)

9p s 9p s

+=r (2) 9x 29y 2

式中:r ) Eley -Rideal(ER) 反应机理的速率反应方程

表达式。

图2 蜂窝状催化剂壁面区域A 示意图对于复合反应, 如果各个反应的反应速率已知, 则按组分A i 计算的复合反应的反应速率, 应等于各个反应所消耗或生成组分A i 的速率之代数和[5~6]

(8a) (8b)

。

如果考虑在NO 被NH 3还原的同时, 进行NH 3氧化

#452 #热能动力工程2007年

其中:N ) x 、y 平面上与x 轴成45b 角的方向。

边界Ò, 边界左侧和右侧扩散平衡:D e

9p s 9p s

|壁面=D g |气相

(10)

式(8) 为3-D 空间抛物线型偏微分方程, 采用交替方向隐式(ADI) 算法进行求解[8]。对于区域B 中不规则部分(边界Ó) 采用梯形边界逼近真实边界的方法[7], 如图3所示。控制式(8a) 可以离散成如下形式:

+1/2n

P n NO i, j -P NO i, j

n n

P n NO i -1, j -2P NO i, j +P NO i +1, j D g

=(u z (x, y, z ) ($x ) 2n +1/2

n +1/2

2 数值计算方法

2. 1 壁面区域的控制方程及边界条件的离散

网格划分:在区域A 的右上角浓度梯度变化较大, 因此网格点分布必须选择变步长的, 为了在区域

A 获得一个合理的数值解, 采用自适应网格, 即在浓度梯度大的区域增加网格节点生成密网格, 相反, 在浓度梯度小(或浓度梯度几乎不发生变化) 的区域减少网格的生成, 如图2所示。对于区域A 中不规则部分(边界Ñ) 采用梯形边界逼近真实边界的方法[7]

。

n +1/2

P NO -2P NO +P NO ($y) 2

) (16a)

+1n +1/2

P n NO i, j -P NO i, j

n +1/2

+1n +1n +1

P n NO i -1, j -2P NO i, j +P NO i +1, j D g

=(u z (x, y, z ) ($x ) 2n +1/2

n +1/2

P NO i, j -1-2P NO i, j +P NO i, j +1

) (16b) ($y) 参照文献[9]的数值计算公式u z (x , y ) , 确定通

道内任意点(x , y , z ) 的流速。显式的稳定性条件受到步长$z 的约束。为了保证数值计算的稳定性, 在z 轴方向选择一个合适的步长。对于控制式(8) 其稳定条件为[7~8]:

[

($x ) 2

, 其中k =4

D g

。蜂窝状催化剂内孔区域的控制方程的

u z (x , y , z )

边界条件离散, 可由式(9) 和式(10) 得:

图4 蜂窝状催化剂壁面区域A 节点划分示意图图4为蜂窝状催化剂壁面区域A 节点划分示意图。用有限差分近似表达式对式(2) 进行离散, 这里以求壁面NO 浓度分布为例。取任意一个节点(i, j ) 对x 、y 变量进行二级泰勒展开得到对壁面区域的控制方程的离散形式:

P NO +i +1, j a(a +b) b (a +b ) P NO i -1, j +P NO +i, j -1a c (a c +b c ) b c (a c +b c ) P NO i, j +1-2

(ab +a c b c ) P NO i, j -2D =0(11)

对壁面区域控制方程的边界条件进行离散:

由式(3) ~式(6) 得:P NO i, j +1=P NO i, j -1P NO i +1, j =P NO i -1, j P NO i, j =P NO i +1, j +1D e

P NO i, j -P NO i -1, j

=D g

P NO i +1, j -P NO i, j

(12) (13) (14) (15)

P NO i, j =P NO i +1, j +1P NO i, j +1=P NO i, j -1P NO i +1, j -P NO i, j

d x

浓度的计算

p z =

u p d s/Q u d s Q

z z

s L

(17a) (17b)

D e 9P NO

D g 壁面

(18)

|气相=

2. 3 蜂窝状催化剂通道内部区域平均浓度及壁面

(19)

p z , wall =p dl

L c 0z

(20)

3 最佳NH 3/NO 比的确定

最佳的NH 3/NO比即为NH 3的给入量能够使NH 3和NO 的反应进行到催化剂通道的末端, 而催化剂出口处的浓度又要求不超过可接受的氨泄漏量(3. 795mg/m 3) 。通过以下式子联立, 得到对于给定温度、气流速率、一定的脱硝效率和可接受氨泄漏量的条件下的最佳NH 3/NO 比:

(p NH 3out -p NH 3out, standar d ) 2y 0[p NO -p (1-x NO s tandard ) ]2y 0

(21) (22)

ah ah

2. 2 蜂窝状催化剂通道内部区域的控制方程及边

第4期范红梅, 等:蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算#453 #

4 计算实例以确定最佳NH 3/NO 比

4. 1 实例条件

国内某电厂300MW 机组, 烟气流量1010466

m 3/h, SCR 反应器设计条件:反应器中空速V SP =6890h -1, 烟气温度380e , 烟气流速5. 55m/s, 反应器入口NO x 浓度(以NO 2计) :[450mg/m 3, 反应器出口NO x 浓度:[45mg/m 3, NH 3的消耗量:175kg/h, 要求NH 3的泄漏量[3. 795mg/m 3。SCR 反应器中蜂窝状催化剂布置情况如下:SCR 反应器总共布置三层催化剂, 其中一层为预备层。每层的催化剂布置6套@7套, 每套框架的催化剂单元数为8个@8个, 每个蜂窝状催化剂单元断面尺寸为:150m m @150m m, 长度为606m m, 催化剂单元断面正方形通道数目为21@21, 通道尺寸为6mm @6mm, 催化剂通道壁厚为1. 1mm 。

4. 2 计算结果与讨论

4. 2. 1 蜂窝状催化剂壁面区域NO 的浓度分布

由图5所示催化剂壁面的浓度梯度, 表明反应只发生在靠近催化剂壁面的一个薄层中,

而且经过

化剂壁面区域的薄层厚度将越小。同时图中还可以看出, 除了在催化剂通道的拐角处, NO 在y 轴方向的浓度梯度几乎为零, 即9p NO /9y U 0。4. 2. 2 蜂窝状催化剂通道内气体浓度分布

图5 380e 时催化剂壁面NO 浓度分布曲线图(图中等值线标注的浓度值单位为mg/m 3) 计算得出反应速率常数越大, 则发生反应的催化剂壁面的薄层厚度越小, 即在整体式蜂窝状催化剂孔内传质的情况下, 由于在催化剂壁面的孔内NH 3和NO 的反应速率远远大于其相应的扩散速率, 这意味着反应物尚未扩散到催化剂颗粒中心, 便提早全部反应掉。这样在内扩散控制时出现死区, 即有一部分催化剂完全没有被利用。从图中可以看出380e 时催化剂被利用的薄层的厚度仅为0. 29mm, 约占催化剂半壁厚的52%, 其余部分均为死区。通过计算得到:随着催化剂壁面反应物浓度的减小以及反

(, 图6 蜂窝状催化剂通道内NO 气体浓度分布

#454 #热能动力工程2007年

当计算条件的出口烟气温度为380e ; NO 入口的起始浓度为450mg/m 3; NH 3/NO比为1. 0; 空速为6890h -1时, SC R 反应器中蜂窝状催化剂单通道内气体浓度分布如图6和图7

所示。

化而导致的结果。图7(d) 在距离第二层催化剂断面出口40mm 处NH 3的壁面浓度接近于零, 催化剂通道内只剩下NO, 即NH 3和NO 停止反应, 因此从

该断面处一直到催化剂通道的出口断面, NO 的浓度分布几乎不发生变化。此时NO 的转化率约为87%。如果有足够的NH 3能保证NH 3和NO 的反应进行到催化剂通道的末端, NO 的转化率还可以进一步提高。下面把NH 3/NO 比提高到1. 1:1, 其它条件不变再进行计算。

4. 2. 3 沿着催化剂长度方向各断面NH 3和NO 的浓度

图8 沿催化剂长度方向NH 3和NO 的浓度分布为了能更好地反映各断面上NH 3和NO 的浓度分布与发展情况, 进一步计算得到该电厂300MW 机组, 出口烟气温度为380e 时, NO 入口的起始浓度为450mg/m3; H 3/NO 比为111, 空速为6890h -1

时, SCR 反应器中沿着催化剂长度方向各断面NH 3和NO 的中心浓度、壁面浓度及平均浓度的分布及

图7 蜂窝状催化剂通道内NH 3气体浓度分布比较图6和图7可以看出各断面上NH 3浓度的

, NH 3发展曲线, 如图8和图9所示。图8可以看出NH 3和NO 的壁面浓度比同断面上的中心浓度、平均浓度来得低。从催化剂通道的入口断面至入口断面3

第4期范红梅, 等:蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算

4. 2. 4 最佳NH 3/NO 比的确定

#455 #

化剂通道壁面的反应气体浓度发生了骤降(从450mg/m 3下降359mg/m3) , 这是由于蜂窝状催化剂通道入口处外扩散阻力很大而造成的。在该断面以后

的断面外扩散的影响趋于平稳。此时, 反应速率和传质速率相比增加很快, 催化剂壁面反应物的浓度持续下降, 直到传质过程成为速率控制步骤, 此后脱硝速率降低。从图8中可以看出在催化剂通道长度的50%处(第一层催化剂出口断面处) , NO 的转化率达77%, 在后面50%的催化剂通道长度上, 脱硝速率则大大降低。计算得到:从催化剂入口断面到传质过程成为速率控制步骤的断面之间的距离随SCR 反应速率的升高, 反应器内气流速度的减小而减小。如图9所示, 为了追求高的NO 转化率,

把

在出口烟气温度为380e 、NO 入口的起始浓度为450mg/m 、空速为6890h 时, 计算出不同NH 3/NO 比条件下NH 3的泄漏量与NO 的转化率, 绘制成图10。从图10可以看出当NH 3/NO 比为1102时, 氨气的泄漏量达到可接受的值(3. 795m g/m 3) , 通过作图可以得到此时NO 的最大转化率为90%, 即1. 02是计算条件下的最佳NH 3/NO比, 这与该电厂300MW 机组的SCR 反应器的设计要求(NH 3/NO 比为1104, NH 3的泄漏量[3. 795mg/m 3, NO 的转化率达90%以上) 基本一致。通过计算得到的最佳NH 3/NO比与设计值相比略小一些, 可能有以下原因造成:(1) 由于目前国内使用的脱硝催化剂均为进口产品, 国外厂商不对外公布具体催化剂的反应速率常数, 在这里根据估算, 可能与实际催化剂的速率常数有些差异; (2) 数值模拟过程中使用的NH 3氧化反应速率值参照国外数据, 可能与实际值存在一定误差。

[10]

-1

图9 第一、二层催化剂沿气体长度方向NH 3的浓度分布曲线

NH 3/NO比提高到111:1, 此时NO 的转化率达95%, 氨泄漏量则达到15. 18mg/m3, 这表明多余的一部分NH 3没有参加反应而逸出, 从而对周围环境造成二次污染。因此, 所谓的最佳NH 3/NO 比即为NH 3的给入量能够使NH 3和NO 的反应进行到催化剂通道的末端, 而催化剂出口处的浓度又要求不超过可接

(3 (1) 考虑了蜂窝状催化剂内部发生对流、传质和

化学反应过程, 根据假设建立了3-D 数学模型, 通过e 图10 380e 、P NO, 0=450mg/m3、空速V sp =6890h -1时, NO 转化率和NH 3泄漏量

5 结论

#456 #热能动力工程2007年

的厚度约占催化剂半壁厚的52%, 其余部分均为死区。随着反应温度的升高、催化剂壁面反应物浓度的减少, 发生反应的催化剂壁面区域的薄层厚度就越小。因此, 在满足机械强度条件下可以适当减少催化剂壁面的厚度, 以节省催化剂原料的使用。

(2) 通过计算蜂窝状催化剂通道内气体浓度分布, 得到各断面上NH 3的浓度的下降比NO 来得快, 主要是由于NH 3在高温下被氧化而导致的结果。最佳的NH 3/NO比即为NH 3的给入量能够使NH 3和NO 的反应进行到催化剂通道的末端, 而催化剂出口处的浓度又要求不超过可接受的氨泄漏量(3. 795mg/m ) 。

(3) 通过对国内某电厂SCR 反应器的数值计算, 得到在一定的NO 进气浓度、温度和气流速率下最佳的NH 3/NO比值。从计算结果可以看出最合适的NH 3流量与NO 不是等摩尔, 其最主要的原因是存在NH 3氧化的副反应。另外, 通过分析得到影响最佳NH 3/NO比主要因素有以下几个:催化剂的形状(最主要的是催化剂的长度) ; 温度; 气流速率; 实际应用中还与NH 3和NO 的混合是否均匀有关(即与喷氨系统有关) 。参考文献:

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(编辑渠源)

(上接第442页)

表1 不同燃烧状态关联维的均值和方差

均值

稳定燃烧不稳定燃烧

6. 73105. 9697

方差0. 00390. 0029

比不稳定燃烧时的关联维大得多, 因此, 提出采用关联维作为锅炉炉膛火焰燃烧状态识别的特征参数。采用关联维判别火焰的燃烧状态, 采样频率仅需1kHz, 数据存储容量为1024@10bit, A/D 转换器的有效位数为10, 对嵌入式微处理器的硬件配置要求不高, 便于实施。文中所提出的燃烧诊断方法为发展新型光学式火焰检测器提供了参考依据。参考文献:

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动信号特征分析[J]. 现代电力, 2006, 23(1) :10-14.

样本信号的采样频率仅为1kHz, 对应的采样周

期为1ms; 采样数据点的个数为1024, 采样时间窗口的总长度为1. 024s 。因此, 响应时间稍稍大于1s, 算法有较高的实时性。

5 结论

采用相空间重构理论对实测火焰时间序列信号进行了定性分析和定量计算, 结果表明:在稳定燃烧状态下, 火焰信号的二维相平面图比较宽, 关联维在6. 5855~6. 8415之间; 在非稳定燃烧状态下, 火焰信号的二维相平面图比较窄, 关联维在5. 8843~610907之间。两种工况下, 火焰时间序列信号的相空间图和关联维明显不同, 稳定燃烧时的关联维总

(编辑渠源)

#472 #热能动力工程2007年

can reach 0. 74V. When the current density is 45mA/cm 2, the output voltage can reach 0. 65V and the cell can main -tain a continuous and stable operation for 20hours. A pyrolysis and direct carbon fue-l cell combined system is proposed and with C 10H 22serving as an example, an analysis was performed of the combined system having a maximal power genera -tion efficiency of 76. 5%.This indicates that the system in question will have a brilliant application prospect in future centralized power plants. Key words:direct carbon fuel cell, graphite, fusible hydroxide, open -circuit voltage 蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算=Numerical Calculation of a Honeycomb -shaped C atalyst Denitration Process [刊, 汉]/FANHong -mei, ZHONG Zhao -ping, JIN Bao -sheng, et al (College of Energy Source and Environment under the Southeast University, Nanjing, China, Post C ode:210096) //Journal of Engineering for Ther mal Energy &Power. -2007, 22(4). -450~456

An analytic study was conducted of the convec tion, mass transfer and chemical reaction process occurring inside a honey -comb -shaped catalyst and a control equation established for the wall surface areas. B oundary conditions were written out on the basis of the geometrical symmetry and diffusion balance with sel-f adaptive meshes being generated. A discretization of

the control equation was performed by using a finite difference method to seek a solution of NO concentration distribution on wall surfaces. Established was a c ontrol equation for the inner areas in the honeycomb -shaped catalyst passage and written out were the boundary conditions on the basis of the geometrical sym metry and diffusion balance. A discretization of the control equation was conducted by using an alternating -direction implicit (ADI) algorithm. Finally, simultaneous e -quations were set up and a solution was sought. Obtained was an optimum NH 3/NO -ratio -based formula for a given tem -perature, air -flow velocity and certain denitration efficienc y as well as under the condition of an acceptable am monia leak -age rate. A specific -case calculation shows that SCR (selective catalytic reduction) reaction only occurs in a thin layer close to the catalyst wall surface and the others are all dead zones. From the concentration distribution of the NH 3and NO in a catalyst single hole along the axial direction, it can be shown that the concentration of NH 3in various sections drops quicker than the concentra tion of NO, a result mainly caused by NH 3being oxidized at a high temperature. From the opt-i

mum NH 3/NOratio at a certain NO admission concentration, temperature and air -flow velocity, one can c onclude that the most suitable NH 3gas -feeding flow rate is not equimolar with the a mount of NO. Key words:honeycomb -shaped catalyst, denitration, numerical calculation

湿法烟气脱硫喷淋塔的实验与反应模型研究=A Study of Experimental and Reaction Models for the Spray Towers of We-t method Flue -gas Desulfuration [刊, 汉]/ZHAO Jian -zhi, JI NG Bao -sheng, Z HONG Zhao -ping (Educa -tion Ministry Key Laboratory on Clean Coal Power Generation and C ombustion Technology under the Southeast University,

Nanjing, China, Post Code:210096) , SUN Ke -qin (Suyuan Environment Protec tion Engineering Stock Co. Ltd. , Nanjing, China, Post Code:210024) //Journal of Engineering for Thermal Energy &Po wer. -2007, 22(4). -457~462Established was a spray -tower test stand for limestone/gypsumwe -t method flue -gas desulfuration. An e xperimental study was performed of the mechanism governing the impact of important operating parameters on the desulfuration efficiency of a spray tower. The test results show that it is possible to raise the desulfuration efficienc y by e mploying the following mea -sures:raising liquid -gas ratio and slurry pH value, lowering the flue gas te mperature and its flow speed, reducing SO 2con -centra tion of the inlet flue gas and performing a forced oxidation. The spray slurry was divided into two e xisting forms:namely, spray liquid droplets and tower -wall liquid film. Models for them were respectively set up. The desulfuration pro -cess of the spray liquid droplets was calculated by using a Gerbec liquid -droplet desulfuration model. The flow of tower -wall liquid film was divided into two states, na mely, laminar flow and undulatory laminar flow. A new reac tion model for calculating desulfuration in the spray tower has been developed. The calculation results obtained by using the model show that relative to the Gerbec liquid -droplet model, the calculation results of the reaction model under discussion are in better a gree ment with the e xperimental data. Key w ords:flue gas desulfuration, spray tower, desulfuration efficienc y, tower -wall liquid film, reaction model

第22卷第4期2007年7月

热能动力工程

JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER

Vol. 22, No. 4Jul. , 2007

文章编号:1001-2060(2007) 04-0450-07

蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算

范红梅, 仲兆平, 金保升, 李锋

(东南大学能源与环境学院, 江苏南京210096)

键

词:蜂窝状催化剂; 脱硝; 数值计算

引言

NH 3作还原剂选择性催化还原NO x 的方法(SC R-DeNO x ) , 因其成熟可靠、脱氮效率高、选择

[1~2]

。尾气中NH 3

3[3]

中图分类号:TK16;TQ039 文献标识码:A

符号说明

D e ) 组分有效扩散系数/cm #s

-1

。

;

D g ) 组分分子扩散系数/cm 2#s -1; L ) 气体动力粘度/Pa#s; r ) 反应速率表达式; L ) 催化剂通道长度/m;

L c ) 催化剂通道断面湿周, 等于4倍的催化剂通道边长/m;s ) 催化剂通道断面面积/m2; P NH ) N H 3的反应浓度/mg #m

-3

1 蜂窝状催化剂脱硝过程3-D 数学模型的

;

P NO ) NO 的反应浓度/mg#m -3; P i, j ) i, j 节点的反应物浓度/mg#m -3; V SP ) 空间速度/h

-1

建立

1. 1 假设

蜂窝状催化剂单孔通道如图1所示, 为了使问题简化, 做如下假设:

(1) 由于反应物浓度较低, 反应过程中产生的热量很少, 认为整个过程是等温的。

(2) 认为尾气和反应气体是预混合的, 在整个催化剂断面上气流是均匀分布的, 催化剂断面上各

;

k 1) SCR 主反应(NO被NH 3还原) 的反应速率常数; k 2) SCR 副反应(NH3氧化成N 2) 的反应速率常数; p NH p NH x NO

3out

) 计算氨泄漏量;

) 可接受标准氨泄漏量, 为一定值;

3out, s tandard

stan dar d

) 给定NO x 的标准转化率;

收稿日期:2006-10-19; 修订日期:2006-12-24

基金项目:教育部新世纪优秀人才基金资助项目(NCET-05-0469) (, ,

第4期范红梅, 等:蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算#451 #

通道是均匀一致的, 这样整个催化剂断面上的物理化学过程就简化为分析其中一个通道。

(3) 假设扩散过程符合FIC K 定律, 和对流作用

相比, 气相中反应物的轴向扩散可以忽略。

(4) SCR 反应符合E -R 机理模型[4], 在NO 被NH 3还原的同时, 考虑NH 3氧化的副反应[5]

。

D e D e k 2p NH 3

22K NH 3p NH 3

9p NO 9p NO

=k 1p NO +1+K NH 3p NH 39y 9x

92p NH 39x

92p NH 39y

=k 1p NO

K NH 3p NH 31+K NH 3p NH 3

边界条件(边界Ñ、Ò、Ó) 由于几何对称性, 得:

9p s 9p s 9p s

===0(3、4、5)

图1 蜂窝状催化剂单孔通道示意图

1. 2 建立蜂窝状催化剂壁面区域的控制方程及边界条件

蜂窝状催化剂壁面区域如图2所示(其中N 为xy 平面上与x 轴成45b 角的方向) 。由反应物扩散

速率与催化剂壁面内的反应速率相等, 建立反应物S (NO、NH 3) 的物料恒算式得:92p s 92p s 92p s

D e ++=r

9x 29y 29z 29s 9p s 9p s 9p s

其中:m , m

222

9p s 9p s 9p s 92p s

则:m , m 9x 9z 9y 9z 式(1) 可以简化为:

边界Ô, 边界左侧和右侧扩散平衡:

9p s 9p s

D e |壁面=D g |气相(6) 1. 3 建立蜂窝状催化剂通道内部区域的控制方程及边界条件

(1)

9p s 9p s 9p s

+u y (x , y , z ) +u z (x , y , z ) 92p s 92p s 92p s

=D g ++(7)

9x 29y 29z 29p s 9p s 9p s 9p s

其中:m , m 92p s 92p s 92p s 92p s 则:m , m

9x 29z 29y 29z 2

由于入口段长度和整个通道长度相比短得多, u x (x , y , z )

同时u z m u x (u z m u y ) , 通过验证, 在x -y 方向上对流项可以忽略, 则式(7) 简化成如下形式:

9p NO 92p NO 92p NO D g

=(+) u z (x , y ) 9x 29y 2

92p NH 392p NH 3

D g

=(+) u z (x , y ) 9x 29y 2

由于对称性, 边界条件可以写成如下形式:

9p NH 3

边界Ñ、Ó:

9p s 9p s

==0(9)

9p s 9p s

+=r (2) 9x 29y 2

式中:r ) Eley -Rideal(ER) 反应机理的速率反应方程

表达式。

(8a) (8b)

。

如果考虑在NO 被NH 3还原的同时, 进行NH 3氧化

#452 #热能动力工程2007年

其中:N ) x 、y 平面上与x 轴成45b 角的方向。

边界Ò, 边界左侧和右侧扩散平衡:D e

9p s 9p s

|壁面=D g |气相

(10)

+1/2n

P n NO i, j -P NO i, j

n n

P n NO i -1, j -2P NO i, j +P NO i +1, j D g

=(u z (x, y, z ) ($x ) 2n +1/2

n +1/2

2 数值计算方法

2. 1 壁面区域的控制方程及边界条件的离散

网格划分:在区域A 的右上角浓度梯度变化较大, 因此网格点分布必须选择变步长的, 为了在区域

。

n +1/2

P NO -2P NO +P NO ($y) 2

) (16a)

+1n +1/2

P n NO i, j -P NO i, j

n +1/2

+1n +1n +1

P n NO i -1, j -2P NO i, j +P NO i +1, j D g

=(u z (x, y, z ) ($x ) 2n +1/2

n +1/2

P NO i, j -1-2P NO i, j +P NO i, j +1

) (16b) ($y) 参照文献[9]的数值计算公式u z (x , y ) , 确定通

[

($x ) 2

, 其中k =4

D g

。蜂窝状催化剂内孔区域的控制方程的

u z (x , y , z )

边界条件离散, 可由式(9) 和式(10) 得:

P NO +i +1, j a(a +b) b (a +b ) P NO i -1, j +P NO +i, j -1a c (a c +b c ) b c (a c +b c ) P NO i, j +1-2

(ab +a c b c ) P NO i, j -2D =0(11)

对壁面区域控制方程的边界条件进行离散:

由式(3) ~式(6) 得:P NO i, j +1=P NO i, j -1P NO i +1, j =P NO i -1, j P NO i, j =P NO i +1, j +1D e

P NO i, j -P NO i -1, j

=D g

P NO i +1, j -P NO i, j

(12) (13) (14) (15)

P NO i, j =P NO i +1, j +1P NO i, j +1=P NO i, j -1P NO i +1, j -P NO i, j

d x

浓度的计算

p z =

u p d s/Q u d s Q

z z

s L

(17a) (17b)

D e 9P NO

D g 壁面

(18)

|气相=

2. 3 蜂窝状催化剂通道内部区域平均浓度及壁面

(19)

p z , wall =p dl

L c 0z

(20)

3 最佳NH 3/NO 比的确定

(p NH 3out -p NH 3out, standar d ) 2y 0[p NO -p (1-x NO s tandard ) ]2y 0

(21) (22)

ah ah

2. 2 蜂窝状催化剂通道内部区域的控制方程及边

第4期范红梅, 等:蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算#453 #

4 计算实例以确定最佳NH 3/NO 比

4. 1 实例条件

国内某电厂300MW 机组, 烟气流量1010466

4. 2 计算结果与讨论

4. 2. 1 蜂窝状催化剂壁面区域NO 的浓度分布

由图5所示催化剂壁面的浓度梯度, 表明反应只发生在靠近催化剂壁面的一个薄层中,

而且经过

(, 图6 蜂窝状催化剂通道内NO 气体浓度分布

#454 #热能动力工程2007年

所示。

化而导致的结果。图7(d) 在距离第二层催化剂断面出口40mm 处NH 3的壁面浓度接近于零, 催化剂通道内只剩下NO, 即NH 3和NO 停止反应, 因此从

4. 2. 3 沿着催化剂长度方向各断面NH 3和NO 的浓度

时, SCR 反应器中沿着催化剂长度方向各断面NH 3和NO 的中心浓度、壁面浓度及平均浓度的分布及

图7 蜂窝状催化剂通道内NH 3气体浓度分布比较图6和图7可以看出各断面上NH 3浓度的

, NH 3发展曲线, 如图8和图9所示。图8可以看出NH 3和NO 的壁面浓度比同断面上的中心浓度、平均浓度来得低。从催化剂通道的入口断面至入口断面3

第4期范红梅, 等:蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算

4. 2. 4 最佳NH 3/NO 比的确定

#455 #

化剂通道壁面的反应气体浓度发生了骤降(从450mg/m 3下降359mg/m3) , 这是由于蜂窝状催化剂通道入口处外扩散阻力很大而造成的。在该断面以后

把

[10]

-1

图9 第一、二层催化剂沿气体长度方向NH 3的浓度分布曲线

(3 (1) 考虑了蜂窝状催化剂内部发生对流、传质和

化学反应过程, 根据假设建立了3-D 数学模型, 通过e 图10 380e 、P NO, 0=450mg/m3、空速V sp =6890h -1时, NO 转化率和NH 3泄漏量

5 结论

#456 #热能动力工程2007年

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(编辑渠源)

(上接第442页)

表1 不同燃烧状态关联维的均值和方差

均值

稳定燃烧不稳定燃烧

6. 73105. 9697

方差0. 00390. 0029

[1] 华彦平, 邹煜, 吕震中. 现代燃煤电站锅炉火焰检测综述[J ].

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动信号特征分析[J]. 现代电力, 2006, 23(1) :10-14.

样本信号的采样频率仅为1kHz, 对应的采样周

期为1ms; 采样数据点的个数为1024, 采样时间窗口的总长度为1. 024s 。因此, 响应时间稍稍大于1s, 算法有较高的实时性。

5 结论

(编辑渠源)

#472 #热能动力工程2007年

蜂窝状催化剂脱硝过程数值计算

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