玻璃窑炉烟气脱硝系统CFD数值模拟及结构优化设计

论文摘要

随着我国氮氧化物排放标准的实施，工业炉窑烟气脱硝面临着巨大的挑战。作为工业炉窑之一的玻璃炉窑，其氮氧化物的排放与治理也非常受到重视。如何有效地提高玻璃炉窑烟气脱硝效率，降低氮氧化物的排放量已成为大气环境治理工作者主要的研究问题。应用数值模拟方法对玻璃炉窑烟气脱硝系统进行结构优化，为烟道外形结构、静态混合器及导流片布置的设计提供理论指导，这对提高烟气脱硝系统脱硝效率及保护环境具有重要的意义。本文建立了玻璃炉窑烟气脱硝系统的三维物理模型，采用标准k-ε模型、物质组分输运模型及多孔介质模型对玻璃炉窑烟气脱硝系统内烟气速度和氨浓度分布进行了数值模拟并对其结构进行了优化，得到如下结论：（1）提出了玻璃炉窑烟气脱硝系统结构优化设计方案，即首先进行烟道外形结构的优化设计，其次进行静态混合器布置方式的优化设计，最后进行导流片布置方式的优化设计。（2）脱硝系统烟道结构对烟气流场具有重要影响。玻璃炉窑SCR脱硝系统左侧垂直烟道采用渐扩烟道结构时，催化剂床层速度相对标准偏差为18.4%，采用渐缩结构时为9.8%；而采用等截面结构设计时，催化剂床层速度相对标准偏差仅为8%左右。（3）喷氨口正下方安装静态混合器可以明显改善催化剂床层氨浓度分布的均匀性。同时，静态混合器大小对催化剂层入口处氨浓度分布影响很大，静态混合器越大则氨浓度分布越均匀，静态混合器可以采用单层布置也可以采用双层布置。（4）导流板布置方式对脱硝系统内烟气流速分布与氨浓度分布有重要影响。为了改善烟道内烟气流场分布的均匀性，提出了在烟道内侧导流片出口处加竖直板及导流片由外到内弧度依次减小的优化方案，数值模拟结果表明采用此方案明显改善了催化剂层处的流场与氨浓度分布的均匀性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 烟气脱硝技术发展现状
• 1.2.1 烟气脱硝技术国内外发展现状
• 1.2.2 烟气脱硝技术工程应用现状
• 1.2.3 玻璃窑炉烟气处理技术发展现状
• 1.3 烟气脱硝系统优化设计发展现状
• 1.4 课题研究的内容
• 第二章 选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术概述
• 2.1 SCR 烟气脱硝技术概述
• 2.1.1 SCR 烟气脱硝技术的脱硝原理
• 2.1.2 SCR 烟气脱硝技术工艺流程
• 2.2 SCR 催化剂
• 2.2.1 催化剂的结构类型
• 2.2.2 催化剂的组成成分
• 2.2.3 防止催化剂中毒和失活
• 2.3 影响 SCR 过程的主要因素
• 2.3.1 催化剂
• 2.3.2 接触时间
• 2.3.3 反应温度
• 2.3.4 n（NH3）/n（NOX）
• 2.3.5 混合强度
• 2.3.6 H2O、飞灰、SO2等副产物
• 第三章 烟气脱硝系统数值模拟的数学模型
• 3.1 流体流动的控制方程
• 3.1.1 质量守恒方程
• 3.1.2 动量守恒方程
• 3.1.3 能量守恒方程
• 3.2 湍流模型
• 3.2.1 湍流模型的分类
• 3.2.2 本论文选取的湍流模型
• 3.3 物质输运模型
• 3.3.1 物质输运方程
• 3.3.2 湍流模型的质量扩散
• 3.4 多孔介质模型
• 3.4.1 多孔介质模型的限制
• 3.4.2 多孔介质模型的动量方程
• 第四章 烟气脱硝系统数值模拟过程
• 4.1 烟气脱硝系统物理模型
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 模拟参数
• 4.2 数值模拟步骤及方法
• 4.2.1 数值模拟步骤
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 边界条件
• 4.3 烟气脱硝系统优化目标
• 4.4 原系统模型数值模拟计算结果与分析
• 第五章 烟气脱硝系统结构优化设计的数值模拟结果分析
• 5.1 SCR 脱硝系统烟道外形结构的优化设计及结果分析
• 5.2 SCR 脱硝系统静态混合器的优化设计与结果分析
• 5.3 SCR 脱硝系统导流片结构与布置方式的优化设计及结果分析
• 5.3.1 单层静态混合器时的最优方案
• 5.3.2 双层静态混合器时的最优方案
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间论文发表情况）
• 详细摘要