《燃煤电厂SCR烟气脱硝装置的冷模实验和CFD数值计算研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃煤电厂SCR烟气脱硝装置的冷模实验和CFD数值计算研究.pdf（82页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、上海交通大学硕士学位论文燃煤电厂SCR烟气脱硝装置的冷模实验和CFD数值计算研究姓名：朱文斌申请学位级别：硕士专业：动力工程指导教师：吴国江;何安定20081101上海交通大学工程硕士学位论文 中文摘要-IV-燃煤电厂 SCR 烟气脱硝装置的冷模实验冷模实验 和 CFD 数值计算数值计算研究 中文摘要 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
2、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
3、值计算研究，以保证必须的催化剂入口烟气上海交通大学工程硕士学位论文 中文摘要-V-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
4、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。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，优化上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT-VI-FLOW MODEL TEST AND CFD NUMERICAL CALCU
5、LATION STUDY FOR FLUE GAS SCR REACTOR OF COAL-FIRED POWER PLANT ABSTRACT Nowadays,China still depends on coal as the main preliminary energy,the gas produced by combustion of the coal contains much contamination,such as:dust,SOX,NOX and CO2,etc.The contamination ejects directly into the atmosphere,a
6、nd has brought serious environment problem.This is the important problem for our economy sustainable development and we need to solve it urgently.Saving energy and reducing emission are our key tasks during the Eleventh five-year and will keep for a long time after.Since 2005,the DeSOX market has be
7、en coming into an index increasing period for coal-fired power plant,a lot of newly-built and retrofit power plants need to install SCR(Selective Catalytic Reduction)reactor.上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT-VII-SCR is the widely adopted technology for flue gas DeNOX,sharing approx.90%of the whole market.This
8、 paper particularly introduces the actuality of NOX emission and control both for home and other countries,and also introduces the basic application principle of SCR technology.At present,our coal-fired power plants NOX emission account for more than 60%of the total emission of the country,so it bec
9、omes very critical to reduce the emission from coal-fired power plants.In real projects application,the flue gas velocity and the ammonia concentration distribution at the inlet of the first catalyst layer in SCR reactor impact the operation efficiency of the whole system.Usually during the process
10、design,FMT(Flow Model Test)and CFD(Computational Fluid Dynamics)should be studied and calculated,so as to guarantee the flue gas velocity and the ammonia concentration distribution at the entrance of the first layer of catalyst in SCR reactor.But now,this kind of research is mainly provided by overs
11、eas suppliers,which costs much,and it also does not avail for us to master the key cores of SCR DeNOx system.For Song Yu SCR reactor,we built a 1/12 scale physical model,and completed the test under the cool condition.At the same time,we studied the CFD calculation,through various schemes calculatio
12、n and analysis we got the final optimization design.The conclusions between CFD calculation and FMT match very well,providing the theory evidence and the 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT-VIII-possible solutions for the final optimization design,thus ensure the maximum operating efficiency of the SCR while mi
13、nimizing the pressure losses and preventing dust accumulation.A lot of SCR reactors are just under erection,but relative design standards are still short.Certainly,it shows a great importance to establish a series of regulations for CFD and FMT studies of SCR reactor.Finally,this paper summarizes so
14、me essential points in the structure optimization design for SCR DeNOx Reactor.Regarding to some issues existing in the FMT and CFD simulating for SCR reactor,this paper presents some key points based on the example.KEY WORDS:NOx，SCR，flow model test，CFD，coal-fired power plant，optimization 上海交通大学工程硕士
15、学位论文 附图目录-XIII-附图目录 图 1 不同技术的 NOx 控制能力.2 图 2 日本国内 NOx 排放标准变化趋势.6 图 3 选择性催化还原（SCR）原理示意图.11 图 4 选择性催化还原（SCR）反应器布置图.12 图 5 SCR 催化剂单元结构型式.14 图 6 SCR 基本系统流程图.15 图 7 SCR 反应器.16 图 8 SCR 反应器中的烟气整流装置模块.17 图 9 喷氨格栅（AIG）.18 图 10 氨区布置.19 图 11 厦门嵩屿电厂 SCR 装置示意图.21 图 12 厦门嵩屿电厂 SCR 装置布置图（侧视图）.24 图 13 厦门嵩屿电厂 SCR 装置布
16、置图（反应器向前视图）.25 图 14 厦门嵩屿电厂 SCR 装置布置图（转弯烟道向前视图）.26 图 15 物理流动模型.29 图 16 厦门嵩屿电厂 SCR 项目的实验参考位置.30 图 17 单探头热线风速仪.31 图 18 压力变送器.31 图 19 示踪气体分析仪.32 图 20 示踪气体喷射系统.32 图 21 嵩屿电厂 SCR 装置及其前后烟气系统的三维模型图.41 图 22 计算网格样图.42 图 23 垂直扩张段（画圈处为旋涡区）.45 上海交通大学工程硕士学位论文 附图目录-XIV-图 24 垂直扩张段 CFD 基准图.46 图 25 基本方案第一层催化剂表面实验流速分布.
17、46 图 26 基本方案第一层催化剂表面 CFD 计算流速分布.47 图 27 基本方案 SCR 装置 CFD 计算流速分布.47 图 28 基本方案第一层催化剂表面实验示踪气体分布.48 图 29 在非对称膨胀烟道中增加导向叶片后的速度分布.50 图 30 方案 3 SCR 装置 CFD 计算流速分布.52 图 31 方案 4 SCR 装置 CFD 计算流速分布.53 图 32 方案 5 SCR 装置 CFD 计算流速分布.53 图 33 AIG 后水平到垂直段的弯头处的新的导向叶片.54 图 34 垂直扩张段的新的导向叶片.55 图 35 新的导向叶片(蓝色).55 图 36 最终优化方案
18、第一层催化剂表面实验流速分布.56 图 37 最终优化方案第一层催化剂表面 CFD 计算流速分布.57 图 38 最终优化方案 SCR 装置 CFD 计算流速分布.57 图 39 最终优化方案 SCR 装置 CFD 计算各断面流速分布.58 图 40 优化方案第一催化剂层入口处实验气体分布.58 上海交通大学工程硕士学位论文 表格目录-XV-表格目录 表格 1 嵩屿电厂 SCR 装置入口烟气参数.22 表格 2 嵩屿电厂 SCR 反应器设计参数.22 表格 3 反应器烟道相关数据表.43 表格 4 反应器中整流器相关数据表.43 表格 5 反应器触媒相关数据表.44 表格 6 基本方案数据统计
19、分析表.48 表格 7 不同实验方案 CFD 计算数据统计分析表.51 表格 8 优化方案数据统计分析表.59 上海交通大学工程硕士学位论文 符号说明-IX-符号说明 符号 单位 名称 A m2 面积 d m 当量直径 E J 能量 Fr 弗劳德数 g m/s2 重力加速度 h J/Kg 比热焓 l m 湍流尺度 L m 长度 p Pa 压力 q J/(sm2)单位面积热流量 Q m3/s 体积流量 Q J/s 热流量 Re 雷诺数 Sr 斯特劳哈尔数 T K 温度 t s 时间%开孔率 Pa 应力 u m/s x方向速度分量 v m/s y方向速度分量 w m/s z方向速度分量 V m/s
20、 运动速度 m2/s 运动粘度 阻力系数 m2/s3 湍动能耗散率 均方根误差 K m2/s2 湍动能 Kg/(ms)动力粘度 Kg/m3 密度 通用变量 扩散系数 S 源相 上海交通大学工程硕士学位论文 学位论文原创性声明 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：朱文斌 日期：2
21、008 年 11 月 12 日 上海交通大学工程硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：朱文斌 指导教师签名：吴国江 日期：2008 年 11 月 12
22、 日 日期：2008 年 11 月 12 日 工程硕士学位论文 第一章 绪论-1-第一章 绪 论 火力发电厂主要以煤为燃料，煤在燃烧过程中排放的氮氧化物(NOx)，其主要以NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等形式存在于空气中，氮氧化物的危害主要有以下几个方面：其一氮氧化物是形成酸雨的原因之一；其二氮氧化物毒性强，对人体和植物有害；其三氮氧化物是导致光化学烟雾的重要原因，同时也是温室效应气体之一，对气候的变化会产生很大的影响；其四氮氧化物会破坏同温层的臭氧层，等等。因此，氮氧化物是极为有害的大气污染物。据中国电力企业联合会统计7，截止 2007 年底，全国发电装机容量达到 713
23、29万千瓦，同比增长 14.36%。其中火电达到 55442 万千瓦，约占总容量 77.73%。2007年全国基建新增的发电装机容量 10009 万千瓦，其中火电 8158.35 万千瓦。烟气脱硝(Flue Gas DeNOx)是继烟气脱硫之后国家控制燃煤电厂污染物排放的又一个重点领域。目前世界上，90%以上的烟气脱硝装置采用了选择性催化还原反应（SCR）技术。据估计未来 15 年，中国将有 450000MW 机组容量（折合 300MW 机组 1500 台）的燃煤机组需要装备烟气脱硝装置。1.1 氮氧化物（NOX）的生成和控制 在通常的燃烧温度下，煤燃烧生成的 NOx 中，NO 占 90%以上
24、，NO2占 5%10%，而 N2O 只占 1%左右。在大气污染治理领域里，NOx 主要指的是 NO 和 NO2。煤燃烧过程中生成的 NOx 有三种方式9 10：热力型 NOx，它是由参与燃烧的空气中所含 N2与游离氧O根以及分子氧 O2反应而成的 NOx。燃料型 NOx，它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解，接着氧化而生工程硕士学位论文 第一章 绪论-2-成的 NOx。瞬态型 NOx，它是燃烧时空气中氮和燃料中的碳氢化合物反应生成的 NOx。对于燃煤电站锅炉，一般热力型 NOx 占总 NOx 的 25%，燃料型 NOx 占 75%，瞬态型 NOx 所占份额很少。NOx 的控制措施主要分为
25、燃烧过程控制和燃烧后烟气脱硝。燃烧过程控制技术即为低 NOx 燃烧技术，主要采用低 NOx 燃烧器、空气分级燃烧和燃料分级燃烧技术。燃烧后烟气脱硝技术主要分为，选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR）以及 SNCR/SCR 混合烟气脱硝技术。图 1 不同技术的 NOx 控制能力 Fig.1 NOx control ability of different technology 图 1 显示了不同技术的 NOx 控制能力11，通常采用低 NOx 燃烧器可使燃煤锅炉的 NOx 排放控制在 700mg/Nm3左右；采用低 NOx 燃烧技术可使燃煤锅炉的 NOx排放控制在 300
26、mg/Nm3左右；若采用 SCR 技术则可使燃煤锅炉的 NOx 排放控制在30mg/Nm3左右。由于SCR工艺昂贵的投资以及较高的SO2/SO3转化率所引起的下游设备腐蚀等0 500 1000 1500 Low NOX BurnerLow NOX CombustionSCR30%60%90%Around 1,000 mg/Nm3Around 700 mg/Nm3 Around 300 mg/Nm3 Around 30 mg/Nm3NOX(mg/Nm3)工程硕士学位论文 第一章 绪论-3-问题，国际上一些研究机构已经开始对现有的烟气脱硝工艺重新进行评估，以寻求高效的且更为经济的烟气脱硝技术，如美
27、国电力研究院（EPRI）在 2007 年对现有的烟气脱硝技术进行重新评估。无疑，混合 SNCR-SCR 工艺将是一个备受关注的亮点28。但是，如果想要获得较高的脱硝效率，以满足日益严格的环保政策要求，我们还是需要 SCR 工艺，在可预见的十多年之内 SCR 工艺仍将是最佳选择。1.2 国内氮氧化物（NOX）排放及控制的现状 我国是世界上主要的煤炭生产和消费国，也是以煤炭为主要一次能源的国家。据统计，目前，原煤在我国一次能源构成中所占比例为 70%，而用于发电的煤炭约占煤炭消费量的 49.1%。煤炭占我国一次能源的主导地位在相当长的时期内不会发生变化。根据国家有关部门的预计，目前我国 GDP 年
28、均增长 8%10%左右，随着我国经济持续稳定增长，国民经济和社会发展对电力的需求也将相应增加。而我国以燃煤为主的电力生产所造成的环境污染又是电力工业发展的一个制约因素。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等污染物和温室气体，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。在燃煤电站烟尘排放的控制方面，由于我国近 30 年来一直大力采用高效率的烟气除尘装置，烟尘排放已得到有效控制，控制率达到 99%以上。在燃煤电站 SOx 排放的控制方面，我国采用引进技术和设备建立了一批烟气脱硫示范工程，不断加大SOx 排放的控制力
29、度，要求新建机组必须采用烟气脱硫装置，并逐步对在运机组进行脱硫技术改造，目前SOx排放达标率超过 80%，SOx 排放的增长势头已基本得到了控制，随着脱硫机组的不断建设，SOx 排放总量将不断降低。在燃煤电站 NOx 排放的控制方面，我国在新建的机组上普遍采用低 NOx 燃烧技术，并逐步对在运机组进行低 NOx 燃烧技术改造，但由于低 NOx 燃烧技术固有的局限性，很难达到很高工程硕士学位论文 第一章 绪论-4-的 NOx 脱除效率。根据我国燃煤电站锅炉的调查结果，固态排渣煤粉炉的 NOx 的排放浓度为 6001200mg/Nm3，液态排渣煤粉炉的 NOx 的排放浓度为 8501150mg/N
30、m3，均比国外同类机组的排放浓度高出很多，如不采用更高效率的控制技术，随着我国燃煤机组的大幅度增加，NOx 排放总量将成比例增长，NOx 是燃煤电站排放的酸性气体的主要污染物。因此，NOx 的控制将是继粉尘和 SOx 之后燃煤电站环保治理的重点。NOx 的排放在酸雨的形成和对臭氧层的破坏中所起的作用已经得到科学的证明。据有关研究的初步估算：1990 年我国 NOx 的排放量约为 910 万吨，2005 年我国 NOx 的排放总量达到 1800 万吨29，到 2010 年，我国的 NOx 排放量将达到 2194万吨。大气污染治理已成为我国的一项重要任务，“十一五”规划将“节能减排”列为重要的约束
31、性指标，工作任重而道远。依据国家环保总局历年的环境公报，在 SO2和NOx 的排放源中火力发电厂一直占据主导地位，其排放量超过了我国相关污染物总排放量的 50%21。鉴于我国的能源消耗量今后将随经济的发展不断增长，NOx 排放量也将持续增加，如果不加强控制 NOx 的排放量，NOx 将对我国大气环境造成严重的污染。环境保护推动了各种 NOx 控制技术的研究开发和应用，反过来各种控制排放技术的成功应用也为严格的排放标准出台与实施奠定了技术基础。2004 年 1 月 1 日，我国开始实施火电厂大气污染物排放标准（GB13223-2003），对新建、扩建、改建火电厂燃煤电站机组 NOx 排放提出了
32、450mg/Nm3限值8，该值为国产燃煤发电机组锅炉采用低 NOx 燃烧技术后所能达到的最低排放浓度值，而且不同的地区要求不同，在实施 NOx 排放总量控制的地区，NOx 排放标准会高于国家规定的标准。如北京市 DB 11/1392007锅炉大气污染物排放标准中要求，标准实施起新建、扩建、改建的电站锅炉排放的烟尘为 10mg/m3、二氧化硫为 20mg/m3、氮氧化物为100mg/m3。在 2008 年 7 月 1 日第时段起，在用电站锅炉排放的烟尘为 20mg/m3、二氧化硫为 50mg/m3、氮氧化物为 100mg/m3 23。同时其它有条件的省都正在制订高于国家规定的标准。随着环保排放标
33、准的进一步提高，以及在国内采取火电厂大气污染物排放总量工程硕士学位论文 第一章 绪论-5-控制的部分地区，仅仅依靠燃烧中控制 NOx 技术将不能满足排放要求，因此采用烟气脱硝技术已经摆上议事日程，这必然推进烟气脱硝技术的应用。因此吸收和引进国外成熟的烟气脱硝技术并研究出适合我国国情的烟气脱硝工艺设备是一项十分紧迫的工作。我国在燃煤电站烟气 NOx 排放控制方面，尚处于起步阶段，国内在烟气脱硝技术的研究仅仅限于机理方面。但随着大量的新建机组同步安装和部分老机组改造增设烟气脱硝装置，截止 2007 年底，全国已有约 30000MW 燃煤机组已经安装或正在安装烟气脱硝装置。国内已投运和即将投运烟气脱
34、硝装置的电厂也有较大幅度的增长，如：福建后石电厂（6600MW，SCR 法）、厦门嵩屿电厂（4300MW，SCR 法）、国华太仓发电有限公司（2600MW 机组，SCR 法）宁海电厂（1600MW，SCR 法）、浙江乌砂山电厂（1600MW，SCR 法）、江阴利港电厂（4600MW，SNCR 法）、江苏阚山电厂（4600MW，SNCR/SCR 混合法）、等22。1.3 国际氮氧化物（NOX）排放及控制的现状 20 世纪 50 年代美国洛杉矶，60 年代日本大阪相继发生光化学污染，使得日本在 60 年代末就对 NOx 的污染给予了充分的重视，政府也制订了越来越严格的 NOx排放标准，见图 212
35、。这也促使其国内各相关研究机构开展燃煤电站 NOx 控制技术的研究，各种 NOx 控制技术应运而生。日本在上世纪 70 年代末便开始在大型燃煤机组上（700MW）装设 SCR 烟气脱硝装置。目前在西方发达国家的燃煤发电机组上普遍采用了低 NOx 燃烧技术，烟气脱硝技术也已趋于成熟并逐渐得到应用。目前日本国内 NOx 排放控制在 200ppm 以下，即为 410.7mg/Nm3。对于单个锅炉而言并不算严格，但其环保法规对不同地区的 NOx 总量排放做了更为严格的规定。德国是从 80 年代中开始在中低含硫量的燃煤电站锅炉上采用烟气脱硝技术，美国是从上个世纪 90 年代开始在使用中高含硫量的燃煤锅炉
36、上进行控制 NOx 排放的示范项目研究和商业应用。2002 年日本已共有折合容量 23.1 GW 的 SCR 设备在电力工程硕士学位论文 第一章 绪论-6-工业上使用。美国至今也有超过 100GW 的 SCR 系统被安装18 30。德国的烟气脱硝装置装机容量已经超过了 20GW。目前烟气脱硝装置发电锅炉单机最大装机容量超过了 1000MW。这些装置分别为选择性催化还原（SCR）脱硝、选择性非催化还原（SNCR）脱硝和同步脱硫脱硝等类型。而且绝大部分都用 SCR 法，SNCR 法仅占约5%，少数燃煤电厂采用活性碳同步脱硫脱硝法进行烟气脱硝。目前，西方先进国家要求 NOx 最终排放浓度为 2002
37、50mg/Nm3 31。图 2 日本国内 NOx 排放标准变化趋势 Fig.2 Trend of NOx emission criterion in Japan 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 自上世纪 70 年代全世界经历了两次严重的石油危机之后，火电厂纷纷向燃煤过渡。由于煤被大量燃用，酸雨问题成为发达国家的社会问题，这也加快了脱硝技术的研发，并在技术上取得重大的进步。目前，燃煤机组脱硝技术可分为两类，即?控制燃烧技术?烟气脱硝技术 现在的电站锅炉，通常将这两种脱硝技术结合在一起使用。上世纪 20 年代，人们便知道 NOX能被分解、还原。直到上世纪 70
38、年代脱硝技Year 1970 1980 1990 2000450 300 400200500 400 300 200 100 NOX(ppm(O2 6%)工程硕士学位论文 第一章 绪论-7-术才被付诸工业应用。目前，使用最多的是 SCR 脱硝技术，其次是 SNCR。SCR 脱硝技术是由日本开发的。自 1978 年起，日本开始将 SCR 法用于锅炉烟气脱硝，其运行经验大多来自燃煤含硫量小于 1的锅炉。据统计，日本已有 61 家电厂安装了 SCR，总装机容量为 23.1GW。之后 SCR 技术推广到欧洲，从 1987 年起欧洲积累的 SCR 运行经验多数来自燃煤含硫量小于 1.5的锅炉。据统计，德
39、国安装 SCR 的总装机容量为 20GW。而美国为了应对 1995 年实施的 NOX州执行计划，从 1997 年起燃煤电厂安装 SCR 脱硝装置的速度加快。到 2005 年底，全美国已有100GW 装机安装了 SCR 并投入运行18 30，占到全美国燃煤机组总容量的 33以上，从 2006 年到 2012 年大约还有 20GW 的机组要安装 SCR SCR 要使用催化剂。日本开发的第一代催化剂，其脱硝效率为 5070，氨逃逸率为 5ppm,SO2转化为 SO3的转化率还未作规定。随着催化剂制造技术的不断改进，催化剂的性能大大超过了过去，脱硝效率可达 90，氨逃逸率降至 2ppm，SO2转化为
40、SO3的转化率小于 1，大多小于 0.5%。与此同时，催化剂的价格也在不断下降，从 1980 年的 16000 美元m3，降至目前约5000 美元m3。同时我们可以看到，经过采用低 NOx 燃烧技术后燃煤锅炉出口的 NOx 含量可降至 300mg/Nm3左右，再通过 SCR 装置可降至 100mg/Nm3150mg/Nm3左右。从目前发达国家的排放标准看，SCR 装置的脱硝效率为 50%即已足够，没有必要刻意追求过高的脱硝效率。为了应对日后更为严格的排放标准，只需在 SCR 反应器中预留一层催化剂层的位置就可以了。另外从 NOx 的危害性来说，也推荐借鉴发达国家的做法，即在夏季之外的时间段烟气
41、走旁路，以延长催化剂的寿命。1.5 选择性催化还原（SCR）反应器 FMT 及 CFD 数值计算数值计算研究现状及存在的问题 SCR 反应器的设计均牵涉到冷模实验（FMT，Flow Model Test）及 CFD 数值计工程硕士学位论文 第一章 绪论-8-算，主要研究内容涉及冷模实验装置建设、流速分布、浓度分布、系统阻力测量及数据处理及系统积灰研究、CFD 流场仿真及仿真结果可视化显示等。日本、美国及欧洲一些国家，均有专业公司提供 FMT 及 CFD 仿真服务。目前国内在这一领域尚处于起步阶段。烟气脱硝冷模验证装置 FMT 的搭建主要仿真高速氨-烟气混合过程，从而验证流态效果，包括速度分布、
42、压力分布和浓度分布。为满足放大要求，同时借鉴国外FMT 经验，FMT 的几何尺寸一般确定为真实系统的 1/12-1/15。FMT 采用空气替代烟气，一氧化碳或二氧化碳替代氨气。冷模系统硬件主要包括：省煤器至预热器烟道、注氨装置、气体混合管道、导向叶片、空气及示踪气体混合气流量测量装置、第一层催化剂上表面压力分布、气流速度分布、一氧化碳浓度测量装置、导向叶片角度调节装置等，并采用阻力可调的丝网模拟蜂窝触媒层产生的压损。根据脱硝反应机理分析，SCR 脱硝反应中 NOx 与 NH3的摩尔比理论值为 1:1。我国燃煤电厂 NOx 的体积浓度约为 600-1000ppm，故氨-烟气流量的比值为 1:10
43、00量级，在如此悬殊的质量比例和超大烟气流量（譬如，300MW 燃煤锅炉的烟气流量约 1100000Nm3/h 或 306Nm3/s，其它装机容量可按比例估算）下实现快速均匀混合是一项挑战。混合过程包括在蜂窝催化层前方喷氨格栅、混合器、导向叶片等装置处。FMT 仿真及 CFD 计算需要按锅炉负荷的变化范围分级进行。通常分为 BMCR工况、75%BMCR 工况和 50%BMCR 工况分别进行。通过针对特定 SCR 项目的 FMT 及 CFD 仿真，将得到系统烟道布局、喷氨系统、混合器、导向叶片等的优化方案，从而在方案设计阶段就能够确保整个 SCR 脱硝系统的运行性能。但是目前 FMT 仿真及 C
44、FD 计算在 SCR 项目上的应用，国内尚没有统一的规范和评定标准。FMT 仿真主要存在的问题如下：?冷模装置的搭建不规范，对反应器进出口长度未有规定；?喷氨格栅、混合器等装置在实际操作中无法做到同比例缩小，如何确定其影响未有一致意见；工程硕士学位论文 第一章 绪论-9-?对实验中的取样点位置和分布也没有统一的认识；?对整流器层和催化剂层的阻力模拟存在问题，需要运用相似理论计算确定并选择合适的模拟阻力值。CFD 计算主要存在的问题如下：?网格划分无章可循，在整个模型中各种网格相互交错，如即有六面体也有四面体网格；?导向板的网格划分难度较大，通常会形成数量庞大的网格点，计算工作量大；?整流器层和
45、催化剂层的网格划分和模拟较困难，如果采用 FLUENT 中自带的多孔介质模型进行模拟，对计算中相关系数的选择计算容易出错；?对喷氨格栅，氨/烟气混合器的模拟也需要采用适当的简化措施。例如，对于 300MW 机组配套的 SCR 反应器中的氨-烟气混合器通常有 300 个左右的喷嘴，且喷嘴的喷射方向与烟气流向成 60夹角；?冷态实验通常采用环境空气作为流动介质，和烟气的物理特性存在一定的差异，在 CFD 计算中需要进行换算和修正。1.6 本文的研究内容 本文主要研究和讨论被广泛应用在燃煤电站中的选择性催化还原（SCR）反应器技术和系统。针对厦门嵩屿电厂 2300MW 机组锅炉配套选择性催化还原（S
46、CR）反应器项目，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。同时对该装置的流动过程也进行了 CFD 数值模拟计算。其目标就是为了在设计 SCR 反应器时，提供系统优化理论依据和可能的解决方案。本文的主要内容包括：1.选择性催化还原（SCR）技术及烟气脱硝系统的描述。2.对选择性催化还原（SCR）反应器的物理流体模型的实验研究。研究过程分为基本设计方案和最终优化设计方案二部分。工程硕士学位论文 第一章 绪论-10-3.选择性催化还原（SCR）反应器数值计算过程的介绍。分基本设计方案、多个调整设计方案和最终优化设计方案三部分进行了数值计算。4.分析了多个 SCR 反应器布置
47、方案的数值计算结果，通过寻优，得到了最终的优化方案。物理流体模型的实验结果表明，FMT 实验和 CFD 计算结果互相吻合得很好。5.CFD 计算模拟结果可以很好地给出实际 SCR 装置项目设计的指导性结论，并可以给出定性和定量的分析结果，另外丰富的 CFD 计算后处理图表也很好地将结果展示了出来。6.通过对本项目的实验和计算，本文提出了 SCR 脱硝反应器烟道系统的部分设计原则，以便在最初的布置设计时，获得较好的基本方案。7.最后针对 FMT 仿真和 CFD 计算过程中主要存在的问题，结合本文实例给出了部分的注意要点。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 选择性催化还原（SCR）技术及烟气脱硝
48、系统-11-第二章 选择性催化还原（SCR）技术及烟气脱硝系统 2.1 选择性催化还原（SCR）原理 SCR 装置主要有脱硝剂制备系统和反应器本体组成。通过向反应器内喷入 NH3，和 NOx 反应生成 N2和 H2O16。由于此还原反应对温度区间有一定要求，故反应器本体中需加入催化剂，增强反应活性，使反应顺利朝预期的目标顺利进行。其反应方程式为：4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O （2-1）NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O （2-2）6 NO2+8 NH3=7 N2+12 H2O （2-3）4 NH3+3 O2=2 N2+6 H2O （2-4）4 NH3+5 O2=4NO+6 H
49、2O （2-5）图 3 选择性催化还原（SCR）原理示意图 Fig.3 Sketch of SCR theory 由于采用了催化剂，使反应活化能降低，反应可在较低的温度条件（250427）下进行，相当于锅炉省煤器与空气预热器之间的烟气温度。由于在实际燃煤锅炉的Catalyst Layer SCR Reactor To Stack(N2&H2O)NH3Flue Gas(NOx)上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 选择性催化还原（SCR）技术及烟气脱硝系统-12-烟气中 NO 约占 NOx 总量的 90%以上，SCR 技术研究和设计主要考虑反应（2-1）和（2-2）。另外当烟气中的氧量大于 1%
50、时，反应（2-1）的速率又远大于反应（2-2），实际燃煤锅炉的排烟氧量一般在 4%7%之间。所以 SCR 脱硝装置的设计和研究仅仅考虑反应（2-1）即可，由此产生的误差是可以接受的。图 4 选择性催化还原（SCR）反应器布置图 Fig.4 Arrangement drawing for SCR reactor 依据SCR脱硝反应器相对于电除尘器的安装位置可将SCR分为高含尘和低含尘两种。采用高含尘工艺时，SCR 反应器布置在省煤器和空气预热器之间。其优点是烟气温度高，满足了催化剂的活性要求，缺点是烟气中的飞灰含量高，对于催化剂的防磨损和防堵塞性能要求较高。对于低含尘工艺，SCR 布置在烟气脱硫