基于模拟的火电厂SCR法烟气脱硝流场系统设计研究

摘要

我国因燃煤排放的污染物而导致的环境问题日益突出。其中，氮氧化物（NOx）是近年来被广为关注的主要大气污染物之一。我国有65％左右的NOx是由于火电厂煤粉燃烧所产生的，有效地控制NOx的生成与排放已成为一个刻不容缓的任务。因此，积极研发高效低成本的脱硝技术，以满足越来越严峻的环保要求，具有重要意义。
　　SCR法脱硝装置对反应器入口烟气流场分布有较为严格的要求，特别是脱硝效率超过80%时，烟气流场分布要求更为严格。工程设计中常由于现场空间等因素的限制，SCR反应器及入出口烟道布置困难，使反应器入口烟气流场分布偏差较大，导致催化剂出口NOx和NH3的浓度场不均匀，出现部分区域NOx含量很低而NH3逃逸量很大，或部分区域NH3逃逸较少但NOx含量较高的情况，这会影响系统总体的脱硝效果并给系统的经济稳定运行带来很大的危害。对于SCR法烟气脱硝工程设计，采用流场模拟实验研究，改善烟气均匀度，提升脱硝效率和降低氨的逃逸很有必要。
　　基于以上原因，本论文工作以SCR烟气脱硝技术的实际应用为目标，课题采用ANSYS软件包模拟研究了SCR脱硝系统内的流体流动特性，研究内容主要包括确定流动紊乱区域位置、确定导流板和整流装置位置及其结构尺寸，进而计算各种运行条件下（100%BMCR、75%THA和50%THA）系统内速度场及浓度场的分布及压力损失情况。通过数值模拟反复优化导流叶片的形状及位置，最终提出满足现有技术指标要求的导流板结构。
　　搭建了1:12的物理模型试验台，分别完成了SCR脱硝系统烟花示踪试验、压损测试试验、玻璃微珠模拟飞灰气固两相特性试验和飞灰沉积特性试验等。
　　最后，通过分别完成10%BMCR、75%BMCR和50%BMCR工况下物理模型实验数据与 ANSYS数值模拟结果的对比分析，以最终确定SCR脱硝系统内的导流板布置方式是合理的，并确定流向、流速、压损、温度等指标的影响因素。
　　本课题研究过程取得的主要创新成果如下：
　　（1）CFD计算和冷模实验的结果吻合地很好，为最终确定系统的优化提供了理论依据和可能的解决方案，以确保在尽量减少压力损失和防止系统堵灰的情况下，SCR装置的最大运行效率；
　　（2）总结了选择性催化还原（SCR）脱硝装置的结构优化部分设计要点。并针对SCR反应器仿真试验和CFD计算主要存在的问题，提出了一种对反应物不均匀性对脱硝性能的影响，并结合本文实例给出了部分的注意要点；
　　（3）通过数值模拟试验及冷态物理模型试验相互印证，验证了数学模型的正确性，通过数学模型及物理模型结果的对比，本课题取得了该火电厂SCR脱硝反应器流场的结构的最优化布置方式。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2 SCR法脱硝介绍

1.3研究对象概况

1.4研究内容及内容

第二章 流场系统数值模拟理论研究

2.1 流体力学介绍

2.2实际项目CFD数值模拟方案

2.3 CFD建模原则及理论基础

2.4网络划分及边界条件

第三章 流场系统数值模拟实验

3.1设计方案与目标

3.2 实验过程

3.3 优化后的设计方案数值验算

3.4 优化方案后的SCR装置压力损失验算

3.5 本章小结

第四章 流场系统物理模型试验研究

4.1 研究设想与试验目的

4.2冷态物理模型试验介绍

4.3 物理模型试验结果

4.4 本章小结

第五章 研究过程分析

5.1 科研过程综述

5.2 流场系统的评价指标

5.3 控制指标

5.4 CFD数值模拟及物理模拟结果结论

5.5 CFD数值模拟结果与物理模型实验结果对比

5.6导流系统最终方案

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢