一、研究背景及意义

中国是典型的煤炭型污染国家，大气污染一直是制约中国可持续发展战略实施的重大环境问题之一。火力发电厂等燃煤企业是中国最主要的烟气排放源，也是烟气污染治理的重点。当前，我国电力行业进入了一个新的发展阶段，为达到2020年经济总量在2000年的基础上翻两番的目标，电力需求量将大幅增长，预计届时全国总装机容量必须达到9亿-10亿千瓦才能满足经济发展的要求。因此，如果火力发电厂排放的大气污染物得不到有效控制，我国将面临十分严峻的大气环境问题，电力行业的可持续发展也将成为一纸空谈。我国的电能供给主要以燃煤发电为主，燃煤过程中所产生的氮氧化物主要为NO、NO₂以及N₂O^[1]。随着环保要求的日益严格，燃煤电厂加装脱硝装置是大势所趋。对于电站锅炉尾部烟气NO_X的脱除，选择性催化还原系统(SCR)是最佳方式^[2-4]。

二、国内外SCR脱硝技术

相较于发达国家而言，我国无论是在燃煤技术应用方面还是在脱硝技术应用方面均存在一定的差距，以至于我国燃煤电厂所排放的NO_X已经抵消了近年来针对SO₂的控制效果。具体来说：（1）在脱硝装置建设方面来看，我国已建脱硝机组在2008年已超过1亿千瓦。这种建设现状是由政府规定的氮氧化物排放标准与燃煤机组建设时的环境影响评价审批共同作用形成的。这说明燃煤电厂烟气脱硝已经成为我国经济发展和环境保护所需要重点考虑的问题之一。（2）在脱硝工艺选择方面来看，我国绝大部分燃煤机组所使用的脱硝工艺为SCR方法，这种方法实现结构简单、脱硝效率可以超过90%，且不会在脱硝过程中生成副产物，因而不会形成二次污染，是国际中应用最为广泛的脱硝方法。统计数据表明，基于SCR工艺的烟气脱硝机组占我国总脱硝机组的比例超过90%。（3）在SCR烟气脱硝技术设计与承包方面来看，现代烟气脱硝市场中，我国国内的承包商基本已经具备了脱硝系统的设计、建造、调试与运营能力，可基本满足国内燃煤电厂的烟气脱硝系统建设需求。（4）在SCR关键技术和设备方面来看，虽然我国大部分燃煤电厂仍旧以引进国外先进技术为主，但是在引进的同时同样注意在其基础上进行消化、吸收和创新，部分企业或公司还开发了具有自主知识产权的SCR关键技术。在相关设备研发方面，可实现国产的设备有液氨还原剂系统、喷氨格栅设备、静态混合器设备等，但是诸如尿素水热解系统、声波吹灰器、关键仪器仪表等还未实现国产化。

SCR 工艺自1978 年在日本成功地实现工业应用以后，工艺技术与催化剂的生产技术一直在不断地进步与完善，形成了由触媒化成与界化学为代表的蜂窝式和板式2 种主流结构与技术。在日本的生产能力并没有太多扩大可是技术已经向美国、欧洲及亚洲的韩国、中国台湾省及中国内地输出^[5]。

三、数值模拟方法

数学模型是一种简便而又高效的研究方法，建立三维SCR数学模型^[6]，建立合理的反应和扩散模拟^[7]，运用CFD模拟设计^[8,9]，在SCR系统中同时考虑三维流动和详细反应的耦合，以此研究烟气脱硝中最为重要的的流场分布^[10,11]。

SCR系统的效率取决于反应器中烟气和氨气分布的速度和浓度场是否均匀^{[12,13 ]}。结合多孔介质模型和组分输运方程，对燃煤电站SCR系统进行了数值模拟，得到了不同情况下的速度场和浓度场。结果表明：安装角叶叶栅和整流栅，反应器内催化剂入口烟气速度不均匀性小于15％。采取不同形式的导流板，锅炉内流场会不同，通过调整叶栅和选用不同的导流板以及对内部进行优化来调整流场，在最佳流场的前提下，涡旋混合器可确保反应器中氨气和烟气的充分混合^[14-22]。

文献[23][24]以某660MW火电机组SCR装置为研究对象，采用计算流体动力学软件STAR#8212;CCM＋对其进行一体化的模型建立、网格划分和模拟计算等工作，为了验证模拟结果，搭建了一个1：12的物理模型进行冷态模拟实验，结果表明数值模拟结果与冷态实验结果吻合较好。针对原模型设计方案存在的问题，通过调整烟道内部导流装置，改善喷雾角度，达到SCR系统烟气气流速度场、氨气浓度场均匀性分布的要求。

文献[25]利用数学方法建立SCR烟气脱硝系统模型并利用实际运行数据验证了模型的有效性，MKPLS模型反映了SCR系统输入输出变量间的非线性关系。将MKPLS模型与预测控制方法相结合，构成喷氨量最优控制系统，仿真实验结果表明该方法在提高脱硝率的同时基本没有增加氨逃逸量，避免了过量喷氨，实现了喷氨量的精确控制。