SCR反应动力学模拟

第02卷第02期2015年4月工业技术创新Ⅴol02No.02Apr.2015SCR反应动力学模拟张东伟,张营帅,李敏2(1.郑州大学,化工与能源学院,河南郑州,450001;2.国网电力研究院,河南郑州,450001)摘要:NO、是主要的大气污染物之一。目前SCR(选择性催化还原脱硝技术)是最有效、发展最为成熟、应用最多的一种烟气脱硝技术。本文对以V2O5催化剂活性组分、NH3为还原剂的SCR反应进行了动力学模拟,分析了反应动力学中氨氮比、温度对反应的影响;发现了在反应进行的过程中孔道1/3处反应比较剧烈,比较适宜的反应温度为700K左右,随着氨氮比的增加,适宜的反应温度范围越来越小,适宜的氨氮比范围在1.3~1.4之间;随着反应温度的升高,选择性参数越来越小。关键词:SCR;反应温度;氨氮比;反应动力学中图分类号:TK16文献标识码:A文章编号:2095-8412(2015)02-145-05工业技术创新Url:http://www.china-iti.comDol:10.14103/j.issn.2095-8412.2015.02.004Computer Simulation of Reaction Kinetics of SelectiveCatalyytic reductioDongwei Zhang, Yingshuai Zhang, Min li(I. School of Chemical Engineering and Enhengzhou University, 450001, China2. State Grid Electric Power Research Institute, Zhengzhou, 450001, China)Abstract: NOx is one of the main atmospheric pollutants. SCr(selective catalytic reduction) is the moston V2Os with NH, as reductant has been studied. During the operation of SCR reaction, the influence oftemperature and mole ratio of nH, /NO of reaction has been analyzed. results indicate that SCr reactsharply in the channel 1/3, more proper temperature is about 700K, as mole ratio of NH,/NOx increasesproper temperature range becomes smaller and smaller; proper mole ratio of NH /NOx is between 1.3 and1.4; as the temperature rises, optional parameter becomes smallerKey words: SCR; Reaction temperature; Mole ratio of NH /NOx; Reaction kinetics引言SCR)技术。SCR技术是添加还原剂在催化剂的作用下将氮氧化物(NO)还原成N2和HO近年来,随着社会的发展,氮氧化物(NO3)为了提高SCR反应的效率,刘涛等人研究了新对空气的污染日益严重,已经成为我国大气环境的的催化剂一一载体为纳米级锐钛型TO2,活性成分为主要污染物之一。目前工业上广泛应用的控制NO的V2O3-WO2CeO2、MoO2)-TiO2下反应温度和氨氮比对方法是选择性催化还原( selective catalytic reduction,脱硝效率的影响。上海中国煤化工用CNMHG·145·工业技术创新 Industrial Technology Innovation第02期CFD模拟研究了烟道导流板对烟气入口处速度分布的度。NH3量太小,SCR反应不完全,NO脱除效率达影响。沈雅萓用CFD模拟了柴油机中喷射位置、喷不到;NH3量太大,NH3会被氧化或直接排放到外环射角度、喷嘴距离等结构参数对NO转化率的影响。境,导致二次污染。本文主要是模拟这一过程以期吴学智等人用CFD优化了SCR内部整流格栅、喷氨得到合适的还原剂NH3的量,在模拟中NH3的量以格栅。重庆大学杜云贵等人用 Fluent模拟了主反应氨氮比的形式出现,以及对应情况下的合适反应温即NO脱除的反应动力学,没有考虑副反应即还原剂度。的氧化对主反应的影响。 Mun Kyu Kim等6模拟了以乙醇为还原剂的SCR反应,研究了温度、空速对SCR2SCR催化还原机理反应的影响。本文主要用软件研究了在250C下SCR反应的动SCR催化机理是利用氨气或尿素等还原剂在烟气力学行为,主要考虑了氨气氧化副反应对NO脱除的中氧气的作用下将NO快速还原成无害的N2和H2O。影响。与无催化剂的反应相比,反应温度大大降低。氮氧化物的催化还原反应是在催化反应器中进行的,主1问题描述要反应方程式如下4MH3+4MO+O2=4N2+6H2O(1)SCR流程就是燃烧尾气进入SCR反应器,在SCR4MH2+30,=2N,+6HO反应器入口喷入还原剂NH3,然后在反应器中反应。4MH3+2N+2MO2=4N2+6H2O(3)SCR反应的主要影响因素就是还原剂NH3的量和温NH3Catalyst●→"H2O+ NONoNFCleanGas→NINONON●H图1SCR反应机理图通过上面的反应方程式可以看出还原moNO.3反应动力学需要1 moI nh还原,在排放的NO3中NO含量通常在85%~95%之间,所以在NO的催化还原反应中反主反应速率方程应(1)是主要反应,由于研究的反应温度的关系,反应(2)是主要的副反应,化学反应(3)的优先=kCNO 1+acNE级比(1)的高,所以NO2迅速的反应完成,反应气k,=A exp(流通过催化反应器后大部分NO转化成N2和HO。反应机理按ER机理进行。王桂芳等:SCR反应动力学模拟第02期主要副反应速率方程2=k2ER选择性参数五724模型选择及参数设置实际催化反应器包含一系列长但不宽的通道,图3参考文献中X一1时的合适反应温度与本文模拟的合适温度比较这些通道之间不会发生质量传递但存在热量传递,通道中的速度假设为常数,所以模型设置为plug从图2,不同氨氮比下的反应速率与温度的关系图中可以看出,NO还原速率在700K附近达到最大表1气体进口参数值,然后下降。通过查阅文献得知,对于催化剂ⅤO3-wO3/TiO2,SCR系统脱硝效率较高的温度范围温度流速是523~723K。对于文献给出的温度范围与本文模523K0.3m/s拟的结果进行比较如图3。参考文献中X。=1时的合适表2气体进口流率[mos反应温度与本文模拟的合适温度比较图所示。模拟结果与文献值是基本相符的。但本文模拟的结果最1.55×10271×106.86×1037.34×105佳温度偏高,可能原因是参考文献中考虑了除氨气氧化以外的其他副反应。随着氨氮比的增加,最大氨氮比:Ⅹ。=1,1.2,1.4,1.6,1.8,2催化剂孔道半反应速率所需的温度在增加。氨气浓度越高,在催化剂表面所吸附的氨就越多,越有利于NO的还原反表3反应常数应,放热会增多,温度相应也会升高。达到最大反应速率后开始下降,是因为此时的温度更有利于氨A[l/sEJ/mol气的解吸,即吸附的氨气量小于解吸的氨气量。所主反应以NO还原反应速率开始下降副反应68×1085×10268×10-243×10605模拟结果雾08Xn=1.8temperature[K]中国煤化工temperature(KI图2不同氨氮比下的反应速率与温度的关系CNMHG·147·工业技术创新 Industrial Technology Innovation第02期从图4,不同氨氮比下选择性参数与温度的关系氨氮比比文献值略高。图可以看出,在温度保持500K的情况下,随着氨氮比X从1增加到2,选择性参数S从6降到3,而且X从1增到1.2,S从6降到5降了1,而X从1.8增加到2,SX, =1.3 rate2Xo =1.4 rate 1从3.3降到3降了0.3,X越低,S的降幅越大。是因为35X。=14rate2随着氨气量的增加,副反应速率也迅速增加且增加的速率比主反应的速率增加的速率要快,随着温度哥的升高选择性参数也在降低。选择性参数S三2,即15可认为主反应处于有利地位,从图4,不同氨氮比下选择性参数与温度的关系图可以看出,当氨氮比等于2的时候最高的有利温度大概在530K左右;而当氨氮比等于1的时候,最高有利温度在620K左右,氨氮图7主反应和副反应初始速率与温度的关系比相差1温度相差大概90K左右4.4从图7主反应和副反应初始速率与温度的关系图可以看出,在低温时,催化剂活性低,NO的脱除速36率也会随之降低。持续升髙温度对主反应NO还原有限制,在700K附近主反应速率达到极值,副反应的速率随温度的升高而一直在增大。所以在反应器中填充的催化剂负载最好有良好的导热性能,来保证催化器中温度能维持在700K附近。由图7,主反应和副反应初始速率与温度的关系图也可证明图4。不同0050×1021010°1.5x10°20x10°2.5x10°30x10635x10°40x10°45x10氨氮比下选择性参数与温度的关系图中选择性参数volume[(m 3]图5不同氨氮比下选择性参数沿孔道轴向变化随温度的升高而逐渐降低的理论原因。X=13■一X。=1420k1036.0x10volume[m]图6进口处的局部放大0050×10310×1015x10°20x10°25x10°30×10°35x10640x1045x10°从图5不同氨氮比下选择性参数沿孔道轴向变化图可以看出在氨氮比在1.3~1.4时更适合SCR反应。图8反应器内温度随反应器轴向位置的变化理论上1mo的NO3需要lmol的NH3去脱除,NH量不足会导致NO的脱除效率降低。但NH过量时,多余由图8反应器内温度随反应器轴向位置的变化图的NH会发生氧化反应或逃逸。文献查阅中由于考可以看出在催化器进口体积1×103m3处温度最高达虑了NH3的逃逸量所以文献值中的合适氨氮比是1,到533K左右,由于NO还原反应是放热反应所以在反而本文没有考虑NH逃逸,只考虑了NH氧化,所以应温度最高的位置应THa中国煤化工处温CNMHG148·王桂芳等:SCR反应动力学模拟第02期度最高,在考虑材料温度耐受性时要着重考虑此处作者简介的温度。张东伟(1985-),男,讲师,博士,主要从事外场强化传热和新型制冷技术的研6结论究。已发表SCI文章3篇,中文核心E文E-mail: zhangdwazmeducn(1)在不考虑NH3的逃逸量时,氨氮比在134之间对SCR反应有利2)由于持续高温对NH3氧化有利而对脱除NO不利,催化反应在反应器入口到1/3处是反应的黄金地带,反应温度越高选择性参数越低;在相同的温度下,氨氮比越高,选择性参数越小(3)SCR反应是先吸附再反应最后脱附的过程,在此过程中温度除了影响反应过程也影响吸附和脱附过程,且反应活化需要一定的温度而SCR反应是放热反应,综合所有因素,反应温度在700K左参考文献[]刘涛,金保升,李锋等纳米级TO2多元催化剂对NH3选择性催化还原NOx试验研究[J能源研究与利用,2005,0000318[2]许嫒媛,袁景淇.SCR脱硝反应器入口烟气均流导流优化设计CFD仿真[C] Proceedings of the29 th chinese control[3]沈雅萱数值模拟在柴油机SCR系统开发中的应用[DJ河北河北工业大学,20124]昊学智,鞠付栋聂会建等基于CFD的SCR脱硝装置内构件的优化设计研究门环境工程,2014,(32)[]杜云贵吴其荣邓佳佳等SCR烟气脱硝催化剂的化学动力学模拟研究[热力发电,2010,39(2),52-55[6] Mun Kyu Kim, Pyung Soon Kim, Hyuk Jae Kwon etal. 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