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《山东大学》 2011年
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脱硝反应器流场与反应物混合模拟优化

陈莲芳  
【摘要】:氮氧化物(NOx)是重要的大气污染物,90%以上源于矿物燃料的燃烧过程,70%来自于煤的燃烧。NOx的存在直接或间接地对人体、植物、建筑物和环境造成显著危害。随着我国经济的快速发展,NOx排放量将继续增加,2020年将达到2639万吨,而一系列环保排放标准对NOx排放提出了越来越严格的要求,开发高效可靠的NOx治理技术迫在眉睫。选择性催化还原(SCR)技术具有高效、可靠、结构简单等优点,在欧洲和日本等得到广泛应用,我国对烟气脱硝技术的研究处于起步阶段。提高脱硝效率、延长催化剂寿命是目前的研究热点。利用计算流体力学软件对SCR脱硝系统进行数值模拟仿真,可为脱硝反应器烟道、导流板及喷射系统的设计和改进提供重要依据和设计参数。 本文将气体扩散理论和表面化学反应理论应用于烟气脱硝应过程,建立了催化剂作用下NH3还原NOx的脱硝反应速率模型,探讨了改善SCR性能的方法与措施。提出用非均布导流板优化入口烟道流场和用放射排列直板导流板结合整流器优化反应器流场的方案,并应用于国内某660MW机组SCR系统,通过不同方案的模拟比较,确定了该机组入口烟道、反应器的流场优化方案和采用AIG实现还原剂与烟气混合的方案,并对变工况性能进行了模拟分析。主要内容如下: 建立了SCR脱硝速率模型。SCR脱硝过程中存在大量的化学反应,但在一般锅炉烟气成分组成和一般反应条件下,反应:4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O占主导地位;SCR微观脱硝过程包括外传质过程,内传质过程和表面化学反应过程;一定的反应条件下,反应速度与烟气中反应物浓度及催化剂微孔面积成正比,反应阻力由三部分组成:外传质阻力,内传质阻力和表面化学反应阻力。 分析了催化剂和AIG安装后入口烟道流场的流场分布,安装催化剂使系统总阻力有较大增加,上游入口烟道Y向速度分布不均匀;安装AIG后入口烟道Y向速度分布趋于均匀,AIG上游流速均匀性提高,同时也使系统阻力有一定的增加;安装导流板后入口烟道流场得以优化,同时阻力增加,适当布置非均布导流板可以在阻力增加不多的情况下使AIG上游截面速度偏差系数CV≤15%,满足NH3、NOx均匀混合的需要;烟气流向急剧改变引起的对烟道壁面的局部高速冲刷可以通过安装防磨导流板实现。 对放射排列直板导流板结合整流器优化脱硝反应器流场的方案进行了模拟分析。结果表明,仅对入口烟道进行优化而SCR反应器不采取优化措施,催化剂入口流场分布不均,从左到右的流速依次增大,不能满足速度分布偏差系数CV≤15%的要求;安装整流格栅可以改善流场均匀性,改善程度与格栅间距和高度关系密切,间距需要适中,在格栅间距一定的条件下,随着格栅高度的增加,流场均匀性提高,系统阻力增加;整流格栅与其上游布置的非均布直板导流板结合,能进一步消除由于离心力导致的SCR反应器催化剂入口速度左低右高的现象,满足SCR反应器要求的速度分布偏差系数CV≤15%的要求。 分析了SCR脱硝系统不同AIG布置方案时入口烟道内烟气与还原剂的混合效果,结果表明,在喷嘴喷管数量一定的情况下喷管单层布置方案混合均匀性优于喷管双层布置方案,流动阻力高于双层布置方案;单层布置时喷管布置方向对混合效果影响不大,喷管总数较少时,喷管X向布置混合效果略优于Z向布置,随着喷管数量增多,混合效果差别也越来越小。喷管布置方向对流动阻力影响也比较小,喷管X向布置时流动阻力略小于喷管Z向布置,随着喷管数量增多差别越来越小;不管是单层布置还是双层布置,混合效果均随着喷嘴数量的增多而改善。而流动阻力均随着喷嘴数量的增多而增大。 模拟分析了SCR系统变工况流场分布和混合效果,结果表明,入口烟道出口截面和SCR反应器第一层催化剂入口截面平均速度均随负荷变化而变化,系统的流动阻力也随之变化,但AIG上游截面和反应器第一层催化剂入口截面的速度分布偏差系数均变化不大,且均满足CV≤15%,说明按BMCR工况设计的SCR系统结构布置在机组负荷变化时能够很好地满足系统对流场速度分布均匀性的要求;当煤种变化时,理论燃烧空气量变化,过量空气系数也发生变化,烟气中的NOx浓度也发生变化,按设计NH3/NOx摩尔比喷氨,NH3在烟气中的质量浓度分布均匀性偏差系数基本不变,与BMCR工况基本相同,且均≤5%,说明按BMCR工况设计的AIG系统布置方案在机组负荷变化时能够满足系统对NH3/NOx均匀性的要求。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X701.3

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