SCR烟气脱硝系统流场与浓度场的数值模拟及实验研究

摘要

氮氧化物（NOx）是热力发电及其它涉及高温燃烧行业生产过程排放出的一种气态污染物，因而得到广泛地关注和研究。在工程上，通常将能够抑制、预防NOx生成的技术统称为NOx控制技术，而将能够分解、脱除NOx的技术统称为脱硝技术。 为了控制热力发电厂及其他行业的NOx排放、保护大气环境，我国自本世纪伊始逐步引进和推广烟气脱硝技术。其中，选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）作为目前国际上公认最为成熟、应用最广的烟气脱硝技术，自然成为我国引进和消化的重点。但是，以氨气为NOx还原剂的SCR技术，在脱硝效率、氨气利用率和系统适应性等方面还远非完善，这方面存在的问题不仅影响烟气脱硝系统的经济性，而且还会引起附加污染排放。 研究表明，影响SCR烟气脱硝系统脱硝效率、氨气利用率的因素主要包括两个方面，一是催化剂的化学活性与表面特性，二是氨气与烟气的混合效果，目前人们对于前者已经进行了较多的研究，但对于后者的研究则还很不充分。根据流体力学与传热、传质学的原理，氨气与烟气的混合效果控制属于一种气流混合动力学问题。通常，由于流道结构缺陷、混合方式不合理，均可引起混合气流的成分偏析、催化床工作条件的恶化，从而形成还原剂氨气的无效排放，进而引起相应的经济性和附加污染排放问题。 本研究结合国内外的相关研究成果，在全面研究SCR烟气脱硝系统流道内部构造、烟气流动特性、气体扩散动力学条件的基础上，以商用计算流体力学软件FLUENT为平台，以国内某火电厂SCR烟气脱硝系统为研究对象，综合考虑流动与传质效应，对该系统流道内的速度场和氨气浓度场进行数值模拟，研究了不同流道结构条件下的流场分布情况、不同喷氨格栅条件下的氨气浓度分布情况，提出了相应的流道优化和喷氨格栅技术方案，并且预测了优化后的技术效果。 数值模拟结果表明，该系统内的流场分布存在较为严重的偏流问题，需要设置导流装置，以改善其流动均匀性。设置在拐角处和反应器上方的导流板的数量和结构形式，对于流道内的流场分布影响明显，导流板数量越多，流场分布越好，但系统的压损也越大，其间存在优化问题。此外，喷氨格栅的喷口设置也是一个关键，需要根据流道系统的具体条件进行设计，使之与流道得流场分布情况相吻合，方能达到最佳摩尔比。 然后，在数值模拟的基础上，以欧拉相似原理为前提，搭建了冷态模拟实验台，通过对SCR反应器入口与出口速度、浓度的实际测量，得到浓度分布状况，从而实现模拟计算结果的验证和完善。 本研究获得的初步成果，不仅可以为SCR烟气脱硝系统的流道优化、脱硝反应强化、氨气利用率提高以及附加污染物控制提供理论依据，而且可以为特定SCR烟气脱硝系统的流道结构与喷氨格栅结构设计提供技术方法。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 氮氧化物的危害

1.1.2 氮氧化物的生成

1.1.3 我国NOx污染的发展趋势

1.2 燃煤电厂NOx的排放与控制对策

1.2.1 我国燃煤电厂NOx的排放

1.2.2 我国目前电力工业NOx控制情况

1.2.3 各国对燃煤电厂NOx排放所采取的控制对策

1.3 氮氧化物的控制

1.3.1 低氮燃烧控制技术

1.3.2 烟气脱硝技术

1.4 SCR技术在国内外的应用和发展

1.4.1 SCR在国外的发展

1.4.2 SCR在国内的发展

1.5 课题主要研究内容

第二章 烟气脱硝的选择性催化还原技术

2.1.选择性催化还原法的概述

2.1.1 原理

2.1.2 SCR工艺流程

2.1.3 SCR脱硝系统

2.2 影响SCR脱硝性能的因素及对策

2.2.1.催化剂活性

2.2.2 催化剂再生

2.2.3 NH3/NOx的摩尔比

2.2.4 混合强度

2.2.5 SO2氧化率

2.2.6 空间速度

2.2.7 烟气温度

2.2.8 脱硝运行维护总结

2.3 对我国烟气脱硝研究的几点建议

第三章 选择性催化还原(SCR)系统模拟的数学模型

3.1 使用数值模拟方法研究SCR的优点

3.2 SCR系统模型选择

3.2.1 模型概括

3.2.2 湍流模型

3.2.3 组分输运模型

第四章 SCR系统数值模拟及设计

4.1 物理模型

4.2 模拟条件和步骤

4.3 导流装置的确定

4.3.1 无导流板的速度分布

4.3.2 导流装置的安装

4.4 喷氨格栅的设计

4.4.1 模拟条件

4.4.2 模拟结果及分析

4.5 小结

第五章 SCR系统均流模型实验研究

5.1 实验目的

5.2 实验参数

5.2.1 空气流量及风机压力

5.2.2 示踪气体相关参数

5.3 实验装置

5.4 实验方案

5.5 实验结果及分析

第六章 总结

6.1.主要结论

6.2 展望

参考文献

致 谢

作者在攻读硕士期间发表的论文