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燃煤电厂SCR烟气脱硝装置的冷模实验和CFD数值计算研究

作　者: 朱文斌
导　师: 吴国江；何安定
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力工程
关键词: 氮氧化物选择性催化还原冷模实验数值计算燃煤电厂优化
分类号: X701.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

目前我国仍主要依靠煤炭为主要的一次能源,煤炭燃烧产生的烟气中含有烟尘、硫氧化物(SOX)、氮氧化物(NOX)和CO2等污染物,这些污染物排入大气,已经造成了严重的环境问题,是我国经济可持续发展急待解决的重要问题。“十一五”期间及以后相当长的时间内节能减排都将是我们工作的重点。从2005年开始,国内燃煤电厂烟气脱硝市场进入指数增长期,大量的新建和改造火电厂均需要安装采用选择性催化还原(SCR)技术的烟气脱硝装置。选择性催化还原(SCR)技术是目前普遍采用的烟气脱硝技术,约占整个市场份额的90%。本文详细介绍了国内、国际氮氧化物(NOX)排放及控制的现状,以及选择性催化还原(SCR)技术的基本应用原理。目前,燃煤电厂的氮氧化物(NOX)排放量约占全国整个排放量的60%以上,所以其减排量至关重要。在实际工程应用中,选择性催化还原(SCR)反应器第一层催化剂层入口的烟气流速和氨气浓度分布关系到整个装置的运行效率。通常在工艺设计过程中均需对整个反应器进行冷模实验(FMT)和CFD数值计算研究,以保证必须的催化剂入口烟气流速和氨气浓度分布。但是目前可以提供这一研究工作的主要是国外供应商,需要较高的研究费用,同时这也不利于我们对选择性催化还原(SCR)脱硝系统的核心设计技术的掌握。针对厦门嵩屿电厂燃煤电站锅炉选择性催化还原(SCR)脱硝反应器,我们搭建了1/12原型大小的物理流体模型,在冷态条件下进行了实验。同时对该反应器进行了CFD数值计算研究,通过多个方案的计算和分析寻优,获得了最终的优化方案。结果表明,CFD计算和冷模实验的结果吻合地很好,为最终确定系统的优化提供了理论依据和可能的解决方案,以确保在尽量减少压力损失和防止系统堵灰的情况下,SCR装置的最大运行效率。国内燃煤电厂选择性催化还原(SCR)烟气脱硝装置正大量上马,但是相关的设计基准却没有跟上,当然建立起一整套该装置的CFD数值计算研究和冷模实验研究的相关规范也显得尤为重要。本文最后总结了选择性催化还原(SCR)脱硝装置的结构优化部分设计要点。并针对SCR反应器FMT仿真和CFD计算主要存在的问题,结合本文实例给出了部分的注意要点。

全文目录

中文摘要  4-6
ABSTRACT  6-18
第一章绪论  18-28
  1.1 氮氧化物(NOX)的生成和控制  18-20
  1.2 国内氮氧化物(NOX)排放及控制的现状  20-22
  1.3 国际氮氧化物(NOX)排放及控制的现状  22-23
  1.4 选择性催化还原（SCR）技术在燃煤电厂烟气脱硝工程中的应用  23-24
  1.5 选择性催化还原(SCR)反应器 FMT 及 CFD 数值计算研究现状及存在的问题  24-26
  1.6 本文的研究内容  26-28
第二章选择性催化还原（SCR）技术及烟气脱硝系统  28-38
  2.1 选择性催化还原（SCR）原理  28-32
  2.2 选择性催化还原（SCR）烟气脱硝系统构成  32-36
    2.2.1 SCR 反应器  33-34
    2.2.2 喷氨格栅（AIG）  34-35
    2.2.3 SCR 反应器的吹灰装置  35
    2.2.4 液氨储存和氨的制备  35-36
    2.2.5 脱硝控制系统  36
    2.2.6 电气系统  36
  2.3 选择性催化还原（SCR）烟气脱硝系统的关键技术  36-37
  2.4 本章小节  37-38
第三章实际 SCR 项目介绍和 FMT 物理模型搭建  38-50
  3.1 项目主要设计参数  39-40
    3.1.1 SCR 装置入口烟气参数  39
    3.1.2 SCR 反应器设计参数  39-40
  3.2 项目布置情况  40-44
  3.3 相似和模化准则  44-45
  3.4 物理模型  45-46
  3.5 实验要求  46-47
  3.6 实验过程  47-50
第四章计算流体力学(CFD)理论基础及应用  50-62
  4.1 计算流体力学理论基础  50-56
    4.1.1 统一的流体动力学方程组  50-51
    4.1.2 二阶封闭湍流模式方程组  51-53
    4.1.3 蜂窝式催化剂的多孔介质模型  53-55
    4.1.4 通用微分方程  55
    4.1.5 离散化方法  55-56
  4.2 计算流体力学（CFD）的发展和应用  56-57
  4.3 FLUENT 软件简介  57-58
  4.4 实际项目 CFD 计算  58-62
第五章冷模实验和 CFD 数值计算结果分析  62-78
  5.1 基本方案研究  62-66
    5.1.1 基本方案流场速度分布  63-64
    5.1.2 基本方案示踪气体分布  64-66
  5.2 优化方案的选择  66-71
    5.2.1 不对称扩张段的优化方案  66-67
    5.2.2 不同方案的研究  67-71
  5.3 最终实验方案  71-76
    5.3.1 最终流场速度分布  73-75
    5.3.2 最终示踪气体分布  75-76
    5.3.3 最终系统阻力  76
    5.3.4 系统积灰的研究  76
  5.4 本章小节  76-78
第六章结论与建议  78-83
  6.1 选择性催化还原（SCR）脱硝装置的优化  78-80
    6.1.1 选择性催化还原（SCR）脱硝装置的结构优化设计要点  78-79
    6.1.2 选择性催化还原（SCR）脱硝装置的烟道系统设计要点  79-80
  6.2 FMT 仿真及CFD 计算过程中有关问题的注意要点  80-81
    6.2.1 FMT 仿真注意要点  80-81
    6.2.2 CFD 计算注意要点  81
  6.3 有关 SCR 装置设计的建议  81-83
参考文献  83-85
致谢  85-86
论文发表  86

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