烟气脱硝结构化催化剂与反应器的数值模拟

论文摘要

用氨气做还原剂的选择性催化还原(SCR)方法具有很好的有效性、选择性和经济性,因此在烟气脱硝技术中被广泛应用。在此技术中,结构化催化剂由于能够提供多方面的优点而得到应用,如压降低、外比表面积大、不易聚积灰尘,尤其是蜂窝堇青石结构化催化剂。本文建立三维SCR结构化催化剂与反应器的数学模型,使用FLUENT软件进行数值模拟。为了使SCR流动系统内流场更加均匀和控制氨气泄漏,考察了SCR流动系统的内构件和气体混合行为之间的关系,并对SCR流动系统的内构件进行了优化。结构化催化剂的结构对SCR脱NO的传递和反应特性有着重要的作用,因此本文对传统颗粒填充床反应器和五种孔道形状、两种类型的蜂窝堇青石结构化催化剂的传递和反应特性进行了全面的对比。首先,在SCR流动部分加入导流构件可以提高速度分布的均匀性,但对NH3浓度的分布不利。因此,研究了四种喷嘴直径(如1.0mm、1.5mm、2.0mm和混合直径)的喷氨格栅(AIG),并且发现喷嘴A3、A4、B3和B4的直径为1.0mmm,其它喷嘴直径为1.5mm的混合喷嘴直径对于NH3浓度的分布是最合适的。在SCR反应器部分,蜂窝式堇青石催化剂、孔道为平行排列的板式催化剂和孔道为十字交叉排列的板式催化剂的两层催化剂之间的合适的空间长度分别为100mm、1000mm和12mm。因此,在节省SCR反应器空间方面十字交叉的孔道布置排列优于平行排列的孔道布置。其次,通过对传统颗粒填充床反应器和两种类型的结构化催化剂的传递和反应特性的对比得出,结构化催化剂比传统颗粒填充床反应器拥有较低的压降和较高的有效因子,并且涂层催化剂看上去比挤出催化剂更适合于SCR的脱NO过程。最后,通过对结构化催化剂五种孔道形状的传递和反应特性的对比得出,圆形孔道拥有最好的传热与传质,但是在涂层催化剂中烟气脱硝过程为化学反应为控制,因此正三角形孔道拥有最高的NO转化率。所以,正三角形孔道在以后的烟气脱硝涂层催化剂设计和优化中更值得关注。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 引言
• 1.1 SCR脱硝技术
• 1.1.1 SCR技术的反应原理
• 1.1.2 SCR技术的主要反应
• 1.2 SCR脱硝技术的工艺设计
• 1.2.1 SCR系统中的导流板与混合器
• 1.2.2 喷氨格栅
• 1.3 结构化催化剂
• 1.3.1 结构化催化剂的结构
• 1.3.2 结构化催化剂的分类及选择
• 1.4 SCR系统中的数学模型
• 1.5 本课题研究的意义及主要内容
• 第二章 SCR流动系统内部构件的优化
• 2.1 模型描述
• 2.1.1 SCR流动模型
• 2.1.2 SCR催化剂模型
• 2.2 网格无关性和模型可靠性的验证
• 2.2.1 网格无关性的验证
• 2.2.2 模型可靠性的验证
• 2.3 优化模型对气流分布的影响
• 2.4 喷氨格栅结构的优化
• 2.5 催化剂层间结构的优化
• 2.6 本章小结
• 第三章 结构化催化剂的传递特性
• 3.1 模型描述
• 3.2 实验验证
• 3.3 热量传递
• 3.3.1 结构化催化剂内温度的分布
• 3.3.2 径向有效导热系数
• 3.3.3 努赛尔特数
• 3.4 质量传递
• 3.4.1 结构化催化剂内浓度的分布
• 3.4.2 修伍德数
• 3.5 动量传递
• 3.6 本章小结
• 第四章 结构化催化剂的反应特性
• 4.1 坦克莱准数
• 4.2 有效因子
• 4.3 NO转化率
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介