SCR脱硝反应器数值模拟及性能优化研究

发布时间：2017-06-12 12:08

  本文关键词：SCR脱硝反应器数值模拟及性能优化研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：烟气SCR脱硝技术是一种运行稳定、高效的烟气脱硝技术,也是目前火电厂应用最为广泛的烟气脱硝技术。脱硝反应器是SCR脱硝工艺的核心和关键设备,研究高效可靠的的SCR脱硝反应器具有十分重要的意义。本文以火电厂600MW脱硝反应器的典型结构为研究对象,利用COMSOL软件对其进行数值模拟优化研究,得出如下结论:(1)建立了SCR脱硝反应器湍流流动、传热以及传质反应的三维模型,对模型以及网格划分进行了考核。通过考核,选取1m的模型和50万网格能够满足计算精度要求。热态模拟结果可以得出:反应器主体结构中流速呈现左边小右边大的分布状态,且以一定的入射角度进入催化剂层,在催化剂表面两侧烟气入射角度较大,约为90o即垂直进入,而在中间靠右部位烟气入射角度较小,最低约为70o;反应器主体结构左侧温度较高,而右侧温度较低,温度相差约为3K左右;在催化剂层内温度分布也是呈现左侧温度较高,而右侧温度较低,且温度变化比较均匀;催化剂层内NH3和NO分布呈现左侧较高右侧较低的分布状态;反应器出口NO平均浓度为1.02×10-3mol/m3,NH3出口平均浓度为9.24×10-4mol/m3,计算出脱硝反应器的脱硝效率为66.06%,氨逃逸率为22.81%。(2)对脱硝反应器催化剂层脱硝性能的影响因素进行了数值分析研究,研究结果表明:随着烟气流速的升高,催化剂层的脱硝效率由77.88%下降到60.67%,氨的逃逸率由1.27%增加到21.99%,压力损失由253Pa增加到591Pa;脱硝效率随着温度的升高先升高后降低,在温度为550K时达到最高;而氨逃逸率随着温度的升高逐渐降低,当烟气温度超过500K时,氨逃逸率变化不明显;氨氮比从0.9增加到1.2,催化剂层的脱硝效率由67.47%增加到74.66%,同时氨逃逸率由7.05%增加到22.37%;催化剂层高度由1.6m增加到2.4m,催化剂层脱硝效率由64.01%提高到73.89%;氨逃逸率由17.82%降低到5.91%;压力损失由337Pa增加到506Pa;以催化剂层的操作参数(烟气温度T、氨氮比x0、烟气速度v)和结构参数(催化剂长度L)为研究变量,建立了多目标优化模型,得到最优结果对应的各参数值:T=550.3K、x0=0.93、L=2.3m、v=2.0m/s。优化值相比于初始值脱硝效率提高了11%左右,氨逃逸率降低82%左右,压力损失降低8.4%左右。(3)喷氨孔直径由30mm逐渐增加到70mm,反应器的脱硝效率由66.06%逐渐增加到71.71%,氨逃逸率由25.85%降低到20.20%,当喷氨孔直径增加到60mm时,脱硝效率和氨逃逸率变化已经不明显;随导流板1安装高度的增加,脱硝反应器的脱硝效率先升高后降低,氨的逃逸率先降低后升高,且当安装高度增大到12.0m时,脱硝效率和氨逃逸率变化不明显;随导流板1竖直偏移距离的增大,脱硝反应器的脱硝效率先减小然后又增大,其中最小值与最大值的相对误差分别为1.7%和9.2%;随导流板2安装高度的增加,脱硝反应器的脱硝效率逐渐降低,氨的逃逸率逐渐增加,且当安装高度增大到12.55m时,脱硝效率和氨逃逸率变化已经不明显;随导流板2竖直偏移距离的增大,脱硝反应器的脱硝效率先减小然后又增大,其中最小值与最大值的相对误差分别为3.2%和8.2%;催化剂层安装高度的增加,脱硝反应器的脱硝效率先逐渐增加然后又逐渐减小,其中最小值与最大值的相对误差分别为1.5%和3.5%。(4)建立了脱硝反应器多目标优化模型,优化结果表明:结构参数r=0.061m、H1=11.550m、H2=11.050m时达到最优,最优值脱硝效率为78.02%、氨逃逸率为13.02%,压力损失为421.95Pa,相比于初始值脱硝效率提高了15.7%左右,氨逃逸率降低43%左右,压力损失几乎没有变化。
【关键词】：SCR 反应器 数值模拟 多目标优化
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X773
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-23
• 1.1 研究背景及意义12
• 1.2 火电厂NO_x产生与控制技术12-14
• 1.2.1 氮氧化物的产生12-13
• 1.2.2 火电厂氮氧化物控制技术13-14
• 1.3 SCR烟气脱硝还原技术概述14-18
• 1.3.1 SCR工艺系统14-15
• 1.3.2 SCR系统的布置15-17
• 1.3.3 SCR脱硝反应器17-18
• 1.4 国内外研究现状18-22
• 1.4.1 实验研究现状18-20
• 1.4.2 数值模拟研究现状20-22
• 1.5 本文主要研究内容22-23
• 2 火电厂SCR脱硝反应器数值计算模型23-29
• 2.1 SCR脱硝反应过程23-24
• 2.2 数值计算模型24-28
• 2.2.1 守恒方程24
• 2.2.2 湍流流动模型24-25
• 2.2.3 化学组分输运模型25
• 2.2.4 多孔介质模型25-26
• 2.2.5 SCR脱硝化学反应模型26-28
• 2.3 本章小结28-29
• 3 SCR脱硝反应器的热态模拟29-42
• 3.1 研究对象29-30
• 3.2 模型建立及网格划分30-31
• 3.3 边界条件及求解参数设置31-32
• 3.4 网格独立性考核32-34
• 3.5 计算单元独立性考核34
• 3.6 结果分析34-40
• 3.6.1 流场分析34-36
• 3.6.2 温度场和压力场分析36-38
• 3.6.3 催化剂层浓度场分析38-40
• 3.7 本章小结40-42
• 4 脱硝反应器催化剂层参数优化分析42-53
• 4.1 前言42-43
• 4.1.1 研究对象42-43
• 4.1.2 控制方程43
• 4.2 操作参数对反应器脱硝性能的影响43-46
• 4.2.1 烟气速度对催化剂层脱硝性能的影响44
• 4.2.2 烟气温度对催化剂层脱硝性能的影响44-45
• 4.2.3 氨氮比对催化剂层脱硝性能影响45-46
• 4.3 催化剂结构参数对催化剂脱硝性能的影响46-47
• 4.4 催化剂层多目标优化研究47-51
• 4.4.1 多目标优化47-48
• 4.4.2 催化剂层操作参数和结构参数的优化48-49
• 4.4.3 优化参数设置49
• 4.4.4 优化结果分析49-51
• 4.5 本章小结51-53
• 5 脱硝反应器结构尺寸参数优化研究53-82
• 5.1 结构参数对脱硝反应器脱硝性能的影响53-78
• 5.1.1 导流板1安装高度对脱硝性能的影响53-57
• 5.1.2 导流板2安装高度对脱硝性能的影响57-61
• 5.1.3 不同喷氨孔直径对脱硝性能的影响61-65
• 5.1.4 导流板2竖直偏移距离对脱硝性能的影响65-69
• 5.1.5 导流板1竖直偏移距离对脱硝性能的影响69-74
• 5.1.6 催化剂层安装位置对脱硝性能的影响74-78
• 5.2 脱硝反应器多目标优化研究78-80
• 5.2.1 脱硝反应器结构参数多目标优化78-79
• 5.2.2 多目标优化参数设置79
• 5.2.3 优化结果分析79-80
• 5.3 本章小结80-82
• 6 总结与展望82-85
• 6.1 结论82-83
• 6.2 创新点83
• 6.3 展望83-85
• 参考文献85-88
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果88-89
• 致谢89

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