SCR反应的数值模拟及优化研究

发布时间：2017-06-13 18:05

  本文关键词：SCR反应的数值模拟及优化研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国到目前为止火力发电还是电力来源的主要组成部分。在环境保护要求日益严苛的情况下,烟气脱硝要求越来越高。烟气SCR脱硝技术是一种效率高、成本合理、应用广泛的技术。其中的催化反应是重中之重,所以研究SCR反应是必要的。本文围绕SCR反应进行研究,采用Comsol和Aspen软件从反应动力学和流程两方面进行研究:1)在标准SCR反应的基础上加入副反应氨氧化反应,研究三维孔道反应之前,先进行了反应动力学的模拟和考核,然后将反应动力学耦合在三维孔道上,加入流动、传热、传质建立模型。在三维模型中考察了操作参数温度、烟气流速、氨氮比、孔道体积对脱硝效率及选择性参数的影响。也分析了在孔道的各个截面上的浓度分布和温度分布。氨氮比最优条件是1.1,最优反应温度是650K左右。2)研究了催化剂的形状参数对脱硝效率的影响,形状参数分别是催化剂孔道长度和催化剂孔道边长,发现这两个参数与脱硝效率呈正相关关系。孔道长度300mm就基本完成反应。催化剂孔道长度每增加100mm,脱硝效率增加约4%,催化剂孔道边长每增加2mm,脱硝效率能提高10%左右。在形状模拟之后,对其进行分布优化。建立了优化模型,分别以中心流速和反应速率为优化目标,用SNOPT方法进行优化,最后分别得到优化后的分布形状。3)从流程的角度对SCR反应进行了模拟,首先用Aspen软件对反应器进行模拟计算,分析了不同操作参数对脱硝效率的影响。反应器在半径0.5m时,长度1米就能完成反应。氧气含量大于10%对脱硝效率的影响减弱,到15%往后就基本消除。不同物性方法对脱硝效率有影响,尤以UNIFAC影响较大。随着温度的增加,脱硝效率先增大后减小,最优值在520K左右。PID动态模拟的参数P值越高,控制越好,I值越高,偏差越大,但稳定更快。随着控制的进行,反应器整个浓度趋于均匀。4)本文最后建立了快速SCR反应模型分析操作参数对脱硝效率的影响,特别是NO2含量对脱硝效率的影响。其中也包括了氧气含量和水蒸气含量对脱硝效率的影响。O2浓度超过2%时,氧气浓度对SCR反应基本上没有影响,但在氧气浓度小于2%时,随着氧气浓度的增加,SCR的脱硝效率也在增加;随着H2O的浓度增加,SCR脱硝效率下降;在NH3足量的情况下,当反应物中NO2与NO等量时,脱硝效率最优。
【关键词】：标准 SCR 反应 催化剂 快速 SCR 反应 优化 孔道模拟
【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4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10-13
• 1.2 脱硝方法13-15
• 1.2.1 燃烧处理13-14
• 1.2.2 燃烧后处理14-15
• 1.3 国内外研究现状15-19
• 1.3.1 实验研究现状15-16
• 1.3.2 模拟研究现状16-19
• 1.4 本文的主要研究内容19-20
• 2 三维SCR反应的数值模拟20-37
• 2.1 反应动力学基础20
• 2.2 多相催化反应基础20-22
• 2.3 数学模型建立22-29
• 2.3.1 化学反应过程23
• 2.3.2 计算模型与条件23-25
• 2.3.3 模型假设25
• 2.3.4 方程及边界条件25-26
• 2.3.5 数学模型的定解条件26-27
• 2.3.6 网格考核27-28
• 2.3.7 模型考核28-29
• 2.4 结果与讨论29-35
• 2.4.1 本征动力学模拟结果29-30
• 2.4.2 三维孔道反应模拟结果30-35
• 2.5 本章小结35-37
• 3 催化剂结构及分布参数对SCR脱硝性能的影响37-51
• 3.1 催化剂孔道长度和边长长度对脱硝效率的影响37-39
• 3.2 以反应中心流速为优化目标的催化剂分布优化39-45
• 3.2.1 优化模型理论39-40
• 3.2.2 模型建立40-41
• 3.2.3 网格考核41-42
• 3.2.4 模拟结果42-45
• 3.3 以反应速率为优化目标的催化剂分布优化45-50
• 3.3.1 优化模型45-47
• 3.3.2 参数设置47-48
• 3.3.3 模拟结果48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 4 流程方向的SCR反应的模拟51-65
• 4.1 Aspen软件中SCR反应模拟51-56
• 4.1.1 反应器长度对脱硝效率的影响53
• 4.1.2 氧浓度对脱硝效率的影响53-54
• 4.1.3 不同的物性方法对脱硝效率的影响54-55
• 4.1.4 温度对脱硝效率的影响55-56
• 4.2 SCR反应还原剂流量PID参数动态仿真模拟56-63
• 4.2.1 SCR反应的PID控制56-57
• 4.2.2 PID参数的调整57-58
• 4.2.3 模型描述58-60
• 4.2.4 网格考核60-61
• 4.2.5 结果与讨论61-63
• 4.3 本章小结63-65
• 5 快速SCR脱硝反应的数值模拟65-71
• 5.1 SCR反应模型65-66
• 5.2 结果与讨论66-70
• 5.2.1 O_2浓度对脱硝效率的影响66-67
• 5.2.2 H_2O浓度对脱硝效率的影响67-68
• 5.2.3 NO_2/NO_x值对脱硝效率的影响68
• 5.2.4 氨氮比对脱硝效率的影响68-70
• 5.3 本章小结70-71
• 6 结论与展望71-74
• 6.1 结论71-72
• 6.2 创新点72
• 6.3 展望72-74
• 参考文献74-77
• 致谢77-78
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果78

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