选择性催化脱硝反应器预分布系统的数值模拟和实验研究

论文摘要

氮氧化物是引起光化学烟雾、酸雨等破坏地球生态环境和损害人类身体健康的一系列问题的主要污染物。随着我国对NOx的控制标准日益严格,选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术,因其脱硝效率高,技术成熟,得到了广泛的应用。现今,国内SCR的烟气脱硝技术的研究仍处于起步阶段,已经建成和在建脱硝装置,大多采用国外引进的技术建设,因此研发具有自主知识产权的SCR脱硝技术具有重要的意义。本文以600MW电厂选择性还原反应器预分布系统为研究对象,采用计算流体力学(CFD)模拟和实验测定,考察了六种不同设计工况下预分布器内的速度场和浓度场,评价了不同位置的导板对于速度和浓度场的影响,并在数值模拟的基础上搭建SCR系统冷态模型实验,用于验证数值模型的正确性及可靠性,以期为SCR工艺设计提供参考。本文得出了以下主要结论：(1)距离催化剂层越近的整流装置对于催化剂上层的速度分布优化作用越大；对于均匀喷氨的SCR反应器而言,喷氨格栅上游的速度场越均匀,反应器入口处浓度分布越好。(2)各工况添加导流板和喷氨格栅给系统带来的压降均小于200Pa,这给静态混合器和催化剂的压降范围提供了较大的裕度。其中格栅状导板的添加是导致系统压降升高的主要原因,前端导板的合理配置是降低格栅状导板压降的关键。(3)越是靠近下游的导流板对催化剂上层的入射角的改善作用越大,同时添加了C、D两处导流板的工况入射角均在±10°以内,从而大大减少了气流对催化剂的横向冲刷。(4)在本文涉及的实验系统中当Re>50000时,速度与浓度相对标准偏差均不随Re的变大而变化。(5)通过冷模实验,验证了经过数值模拟优化的两场在催化剂表面分布的相对标准偏差均小于15%,满足SCR系统运行的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 引言
• 1.1 NOx的来源
• 1.2 NOx控制技术
• 1.2.1 燃煤电厂NOx控制技术
• 1.2.2 汽车行业NOx控制技术
• 1.3 选择性催化还原（SCR）技术
• 1.3.1 SCR技术的发展概况
• 1.3.2 数值模拟技术发展概况
• 1.3.3 SCR技术的反应原理
• 1.3.4 影响SCR脱硝性能的因素
• 1.4 SCR预分布系统优化设计研究
• 1.5 课题研究的内容与意义
• 第二章 SCR系统的数值模型和模拟方法
• 2.1 模拟对象
• 2.1.1 物理原型
• 2.1.2 数值几何模型
• 2.1.3 喷氨格栅结构
• 2.1.4 导流板的设置
• 2.2 SCR系统过程的数学模型
• 2.2.1 湍流模型
• 2.2.2 组分运输模型
• 2.2.3 多孔介质模型
• 2.3 边界条件的设置
• 2.3.1 实际尺寸模型
• 2.3.2 实验台尺寸模型
• 2.4 网格的划分及无关性验证
• 2.5 模型求解方法
• 第三章 SCR系统流动和混合的数值模拟及优化
• 3.1 数值模拟方案设计
• 3.2 数值计算评价方法
• 3.3 速度场分析
• 3.4 浓度场分析
• 3.5 压降分析
• 3.6 入射角分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 SCR预分布系统流动和混合实验
• 4.1 实验装置
• 4.1.1 模型结构
• 4.1.2 喷氨格栅
• 4.1.3 导流板和催化剂模拟层的设置
• 4.1.4 测点的分布
• 4.2 实验流程
• 4.3 实验参数的设定
• 4.3.1 速度场分布与雷诺数的关系
• 4.3.2 风机参数
• 4.3.3 测量设备
• 4.4 实验结果讨论
• 4.4.1 速度场分析
• 4.4.2 浓度场分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 研究结论
• 5.1.1 流动和混合数值模拟研究
• 5.1.2 流动和混合实验研究
• 5.2 研究建议
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表学术论文
• 作者及导师简介