回转式空气预热器作为SCR反应器的数值模拟研究

摘要

煤炭是我国最重要的基础能源，也是消费最多的能源形式。另外，煤炭也是火电机组的主要燃料，而火电机组发电仍占据了全国总装机容量的主导地位。因此，火电机组煤炭燃烧过程中产生的污染是我国主要的污染源之一，解决其燃烧所带来的污染问题也是治理环境污染工程中的重中之重;其中煤炭燃烧过程中产生的氮氧化物是主要的大气污染物之一。
　　当前，现役燃煤电厂正在大规模建设脱硝装置，主要采用的脱硝方式是在省煤器与空气预热器之间加装SCR脱硝装置。但是SCR技术存在一定的负面影响，其费用昂贵，系统复杂，逃逸氨引起各类问题，尤其会增加空气预热器的阻塞和腐蚀危害;另外，SCR装置的存在也会增大烟气阻力，使得进入空气预热器的烟气负压增大，从而导致空气预热器漏风增大。目前，SCR催化剂有高中低温催化剂，应用最多的是高温催化剂，中低温催化剂研究较多，成果也很丰富，但是投入应用较少。空气预热器中的烟气温度范围在370～120℃左右，该烟温既能满足高温催化剂的活性温度窗口，也能满足中低温催化剂的活性温度窗口。基于以上问题，提出在空气预热器中进行脱硝的研究，即将脱硝和热量回收均在空气预热器中进行，这样能够简化电厂结构布置、节省空间的同时，也能解决因装置脱硝系统所带来的负面影响。
　　本文针对空气预热器脱硝的思路主要进行了以下探究:
　　(1)选定回转式空气预热器作为空气预热器脱硝的模型，可以把蓄热元件视为基材，从而在其表面实现脱硝催化剂的涂覆。
　　(2)针对回转式空气预热器中的温度场分布，采用Fluent软件进行数值模拟。将空气预热器转子部分简化为多孔介质模型进行计算，得出了回转式空气预热器中不同位置蓄热元件温度的变化曲线。蓄热元件从烟气侧吸热温度升高及向一次风和二次风进行放热温度降低的过程中其壁温先呈线性升高再线性降低的趋势变化。所研究的回转式空气预热器蓄热元件的温度分布情况能够为催化剂的选取涂覆提供依据。
　　(3)针对回转式空气预热器的蓄热元件DU3、NF6板型的二维流动模型进行数值模拟。根据温度区间的不同，高温段蓄热元件选取锰铈钛催化剂（摩尔比为Mn∶Ce∶Ti=40∶13∶100）进行涂覆，分析催化剂涂覆厚度分别为0.05mm～0.20mm时的传热性能;中温段选取锰铈钛催化剂(摩尔比为Mn∶Ce∶Ti=40∶7∶100)进行涂覆，分析催化剂涂覆厚度分别为0.05mm～0.20mm时的传热性能;低温段也选取锰铈钛催化剂(摩尔比为Mn∶Ce∶Ti=40∶7∶100)进行涂覆，分析催化剂涂覆厚度分别为0.05mm～0.30mm时的传热性能。通过对高温段、中温段和低温段蓄热元件涂覆催化剂后的传热性能进行分析，可以看出催化剂的涂覆削弱了蓄热元件的传热性能，但是整体的影响幅度不大。催化剂涂覆厚度均为0.20mm时，非稳态计算时间5s时高温段、中温段和低温段模型出口处平均温度分别升高了0.06％、0.09％、0.12％。所以脱硝催化剂可以涂覆在空气预热器蓄热元件的表面上实现脱硝和换热一体化。
　　(4)回转式空气预热器脱硝适应性结构调整。空气预热器的蓄热元件表面涂覆脱硝催化剂会使得转子的孔隙率减小，对于DU3模型当催化剂涂覆厚度为0.10mm～0.20mm时，相应地空隙减小了3.33％～6.25％。为了实现回转式空气预热器内脱硝的同时也不影响其整体的换热效率，可以通过增加蓄热元件的整体高度（保持空气预热器转子的原有直径大小）的方式进行调整。对于蓄热元件的DU3模型，高温段(催化剂涂覆厚度为0.20mm)的蓄热元件高度应增加7.53％左右，中温段（催化剂涂覆厚度为0.20mm）的蓄热元件高度应增加8.08％左右;而对于NF6板型的低温段（催化剂涂覆厚度为0.30mm）相应高度应增加13.03％左右。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景意义

1．2 火电厂常用空气预热器

1．2．1 管式空气预热器

1．2．2 回转式空气预热器

1．3 电厂脱硝技术

1．3．1 脱硝技术

1．3．2 SCR脱硝技术

1．3．3 SCR脱硝催化剂

1．4 SCR脱硝对空气预热器的影响

1．4．1 对空气预热器腐蚀和堵塞的影响

1．4．2 对空气预热器漏风的影响

1．4．3 对空气预热器的蓄热元件的影响

1．5 主要研究内容

1．5．1 本文研究意义

1．5．2 本文主要研究内容

2 空气预热器脱硝模型的选定与数值模拟理论基础

2．1 空气预热器脱硝模型的选定

2．2 回转式空气预热器中脱硝的优势

2．3 数值模拟理论基础

2．3．1 离散化简述

2．3．1 Fluent模拟流程

3 回转式空气预热器的温度分布

3．1 回转式空气预热器温度场的研究方法

3．2 多孔介质模型

3．2．1 多孔介质的特性

3．2．2 多孔介质非热平衡计算

3．3 回转式空气预热器的数值模拟过程

3．3．1 回转式空气预热器模型假设与简化

3．3．2 边界条件设置

3．3．3 物性参数的设置

3．3．4 非稳态迭代计算

3．4 回转式空气预热器数值模拟结果分析

3．5 本章小结

4 脱硝催化剂对蓄热元件传热的影响

4．1 蓄热元件结构

4．2 蓄热元件数值模拟过程

4．2．1 蓄热元件模型假设与简化

4．2．2 蓄热元件内的流动分析

4．2．3 数值模拟过程的设置

4．3 催化剂涂覆对于蓄热元件传热性能的影响

4．3．1 高温段蓄热元件

4．3．2 中温段蓄热元件

4．3．3 低温段蓄热元件

4．4 本章小结

5 脱硝空气预热器的结构调整

5．1 蓄热元件催化剂涂覆对于空气预热器结构的影响

5．2 回转式空气预热器的结构调整

5．2．1 增加蓄热元件高度

5．2．2 增大转子直径

5．3 本章小结

6 全文总结

附录

参考文献

致谢