SCR烟气脱硝催化剂模型的建立与研究

摘要

氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一，不仅对人类和动植物的健康有危害作用，还会造成酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏和温室效应等诸多环境问题。选择性催化还原技术(SCR)是目前国内外火电厂烟气脱硝的主流工艺，具有经济高效、运行稳定等优点。随着NOx排放标准的日趋严格，SCR烟气脱硝技术必将得到更为广泛的推广。SCR催化剂是SCR烟气脱硝技术的核心所在，对SCR催化剂建立数学模型并进行模拟研究具有经济、快捷和实用等特点，对于更好地认识SCR催化反应及进行SCR催化剂优化设计均具有积极的意义。
　　 本文针对目前已商业化的V2O5-WO3/TiO2催化剂建立了催化剂单孔道数学模型。模型以E-R机制为动力学基础，同时考虑了氨氧化的副反应及孔道内反应的放热效应。经过模拟结果与相关实验结果对照，证明了模型的合理性。利用该模型计算了孔道内的浓度和温度分布，模拟研究了不同运行参数及催化剂结构参数对脱硝效率的影响。模拟计算结果表明，沿孔道方向反应物浓度逐渐降低，而温度略有提高。在反应温度为320～380℃、氨氮比为1.0～1.05和空速为3200h-1的运行条件下，单孔道SCR的NO转化率可达到65％以上。另外，通过对催化剂孔形状和孔节距大小的模拟计算发现，催化剂孔节距在设计时应小于10mm为宜，而蜂窝式催化剂较板式和波纹板式具有更高的脱硝效率。
　　 本文还以目前实验研究中较普遍的MnOx-CeO2催化剂为模拟研究对象，以幂函数反应速率模型为其动力学基础，建立了低温SCR催化剂反应模型，计算了氨氮比、空速、O2浓度、NO入口浓度及催化剂形状等不同参数对催化剂脱硝效率的影响，并模拟了催化剂孔道和壁面的反应物浓度分布情况。计算结果显示，当反应温度大于150℃时，该催化剂的脱硝效率可达90%以上。运行时的氨氮比应控制在0.9-1.0之间，可同时满足SCR反应需求和氨逃逸率的控制要求。当NO入口浓度从500mg/m3增加到2500mg/m3时，催化剂的脱硝效率略有降低，但总体保持在85%以上。沿孔道方向反应物浓度逐渐降低，且在催化剂孔道前1/4段降低幅度较大，而催化剂壁厚的增加会导致催化剂壁面的实际利用率降低，另外低温催化剂与中温催化剂相比所需的反应壁厚应更小，计算结果显示壁厚小于1mm即可满足脱硝需求，这为实际工业应用中低温SCR催化剂的设计提供重要的参考。