火电厂SCR烟气脱硝系统计算流体动力学仿真研究

论文摘要

火电厂烟气脱硝(硝—NOx,以一氧化氮、二氧化氮为主的氮氧化物总称)是继烟气脱硫之后我国控制火电厂污染物排放的又一个重点领域。本文围绕被众多国家采用的选择性催化还原法(SCR)脱硝技术这一主题,简要介绍了氮氧化物的危害及来源、燃煤电厂采用的氮氧化物控制技术以及国内外氮氧化物治理情况,并着重阐述选择性催化还原法烟气脱硝技术的原理、脱硝系统构成、反应器的布置方式、催化剂以及影响SCR脱硝系统的主要因素等内容。然后,以300MW燃煤机组的SCR脱硝系统为研究对象,进行实例仿真研究,最后是总结与展望。本文的核心内容是SCR脱硝系统计算流体动力学(CFD)仿真计算。研究进入脱硝反应器之前烟气中的氮氧化物与还原剂氨气混合均匀程度和烟气速度分布,因为这两个因素很大程度上决定了火电厂烟气脱硝系统能否达到高脱硝率与低氨气逃逸率。利用计算流体力学仿真软件FLUENT,选择合理的数学模型,确定各种参数,对脱硝系统烟道的流场进行CFD仿真,计算结果显示烟道的速度、压力与浓度分布情况。研究结果表明:格栅型混合器的使用能够增强气体径向混合,改善烟气与氨气混合的均匀程度,在催化剂层入口前截面处氨气分布基本均匀。在SCR脱硝系统中安装四组导流板,可以大大改善整个烟道速度场的均匀性,同时添加导流板的烟道压力损失还要小于未添加导流板的情况,并在催化剂层入口前截面处的速度均匀程度明显改善。同时,对涡轮型混合器的混合作用进行仿真研究。此外,还通过对SCR烟气脱硝系统出口烟道的CFD仿真,优化出口烟道形状,尽量降低烟道压力损失,节约能源,降低成本。利用计算流体力学仿真软件FLUENT对SCR脱硝系统进行CFD仿真,可以将烟道内任意位置的速度、压力及浓度分布可视化输出。在经过流态模型实验的验证后,这些信息可用于优化混合器、导流板的结构参数,以达改善烟气与氨气混合浓度场、速度场均匀程度的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 氮氧化物的危害
• 1.2 大气中氮氧化物的来源
• 1.3 燃煤电厂氮氧化物控制技术
• 1.3.1 低氮燃烧技术
• 1.3.2 烟气脱硝技术
• 1.4 国内外氮氧化物治理情况
• 1.4.1 国外情况概述
• 1.4.2 我国燃煤电厂氮氧化物排放与治理情况概述
• 1.5 本文主要工作
• 第二章 选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术
• 2.1 选择性催化还原技术概述
• 2.2 选择性催化还原（SCR）脱硝技术原理
• 2.3 SCR脱硝系统
• 2.4 SCR反应器的布置方式
• 2.4.1 高尘烟气段SCR布置
• 2.4.2 低尘烟气段SCR布置
• 2.4.3 尾部SCR布置
• 2.5 催化剂
• 2.6 影响SCR系统性能的主要因素
• 第三章 计算流体动力学仿真及其软件介绍
• 3.1 计算流体动力学CFD求解过程及软件结构
• 3.1.1 计算流体动力学概述
• 3.1.2 计算流体动力学的特点
• 3.1.3 CFD软件求解流程及软件结构
• 3.2 FLUENT软件介绍
• 3.2.1 FLUENT概述
• 3.2.2 FLUENT软件所采用的离散化方法——有限体积法
• 3.2.3 GAMBIT网格生成软件
• 3.2.4 FLUENT求解器
• 3.3 FLUENT软件的优点
• 第四章 SCR烟气脱硝系统CFD仿真采用的数学模型
• 4.1 基本方程
• 4.2 湍流模型
• 4.3 多组分传输模型
• 4.4 多孔介质模型
• 4.5 FLUENT流场计算方法
• 第五章SCR脱硝系统烟道仿真
• 5.1 研究对象描述
• 5.2 脱硝系统局部入口烟道混合与均流CFD仿真
• 5.2.1 几何模型
• 5.2.2 网格划分与边界条件
• 5.2.3 流场仿真结果与分析
• 5.2.4 小结
• 5.3 整体SCR脱硝系统烟道CFD仿真
• 5.3.1 几何模型
• 5.3.2 网格划分与边界条件
• 5.3.3 整体脱硝烟道CFD仿真分析
• 5.3.4 小结
• 5.4 SCR脱硝涡轮型混合器CFD仿真研究
• 5.4.1 几何模型
• 5.4.2 网格划分与边界条件
• 5.4.3 流场仿真结果与分析
• 5.4.4 小结
• 5.5 脱硝系统出口烟道结构优化设计
• 5.5.1 问题的提出与描述
• 5.5.2 几何模型
• 5.5.3 网格划分、边界条件与模型的选取
• 5.5.4 CFD仿真结果比较与讨论
• 5.5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表和完成的学术论文