论文总字数：19399字

摘 要

SCR脱硝技术是目前电厂烟气脱硝的主要技术。在超低排放背景下，如何进一步提高SCR脱硝效率，是各大电厂技术人员的关注重点，也是科研院所的一个重要研究课题。目前，通过流场优化是进一步提高脱硝效率的主要研究方向，但这些研究的侧重点在于烟气侧，即研究烟气流场的均匀特性，对喷氨特性的研究很少，这对于全面深入认识氨氮匹配特性是非常不够的。本文从喷氨侧出发，采用数值模拟方法，研究了喷氨孔的喷射特性，重点考察了均匀等径开孔和均匀非等径开孔对氨气流体动力学特性的影响，分析了结构参数（喷射孔夹角、喷射管数量）和操作参数（喷射速度、主流速度）对氨氮混合特征参数和混合指数的影响，研究结果对于分区精细化喷氨管设计具有参考价值。主要研究结果如下：

（1）均匀等径开孔时，沿氨气流动方向，喷射速度逐渐减小，喷射流量逐渐减下，在均匀主流的情况下，取得较差的混合质量；均匀非等径开孔时，沿氨气流动方向，喷射速度和喷射流量基本相同，在均匀主流的情况下，取得较好的混合质量。

（2）当采用单管喷射时，喷射孔依次交错（与流动方向呈45º角）比同向喷射有助于氨气与主流的快速混合；当采用两根喷氨管时，混合距离较单管喷射时减小，有利于氨气与主流在小尺度上的快速混合。

关键词：氮氧化物，SCR工艺，数值模拟

Abstract

SCR denitrification technology is currently the main technology for flue gas denitrification in power plants. Under the background of ultra-low emissions, how to further increase the efficiency of SCR denitrification is a major focus of technical personnel of major power plants and an important research topic for scientific research institutes. At present, the optimization of flow field is the main research direction for further improving the efficiency of denitrification, but the focus of these studies is on the flue gas side, that is, to study the uniform characteristics of the flue gas flow field, and there is little research on the characteristics of ammonia injection. This is a comprehensive approach. It is not enough to know the ammonia nitrogen matching characteristics. In this paper, starting from the ammonia injection side, numerical simulation methods were used to study the injection characteristics of the ammonia injection hole. The influence of uniform equal-diameter openings and uniform non-equal-diameter openings on the hydrodynamic characteristics of ammonia gas was investigated. The structural parameters were analyzed. (Injection hole angle, the number of injection tubes) and operating parameters (injection speed, mainstream speed) on the characteristics of ammonia nitrogen mixing parameters and the mixture index, the results of the study for the partition of fine ammonia injection pipe design with reference value. The main findings are as follows:

(1) When the hole is evenly formed with equal diameter, the injection speed is gradually reduced along the flow direction of the ammonia gas, and the injection flow rate is gradually reduced. In the case of uniform mainstream, poor mixing quality is achieved; when the hole is not evenly equalized, Along the flow direction of ammonia gas, the injection velocity and the injection flow rate are basically the same. In the case of uniform mainstream, good mixing quality is achieved.

(2) When using a single-tube injection, the injection holes are alternately staggered (45o angle with the flow direction) than the co-directional injection helps the rapid mixing of ammonia and the mainstream; when using two ammonia injection tubes, the mixing distance is smaller than The reduction in the injection time of the tube facilitates the rapid mixing of ammonia and the mainstream on a small scale.

目录

摘要 I

Abstract ii

第一章 前言 1

1.1 综述 1

1.1.1 选题背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 NOx的特性、来源和危害 2

1.2.1 NOx的特性来源危害 2

1.2.2 燃煤电站NOX的产生 4

1.3 影响SCR脱硝性能的几个关键因素 4

1.3.1 催化剂 4

1.3.2 反应温度 4

1.3.3 适当的氨气输入量及与烟气的均匀混合 5

1.4 国内外研究现状分析 5

1.4.1 国外脱硝技术应用情况 5

1.4.2 国内脱硝技术应用情况 5

第二章 喷氨系统设计与计算方法 7

2.1 模型设计 7

2.2 网格模型 7

2.3 计算方法 8

2.3.1 计算背景 8

2.3.2 控制方程 8

2.3.3 沿程阻力的计算 9

2.3.4 浓度场计算 11

第三章 数值模型和模拟方法 12

3.1 湍流模型 12

3.2 数值模拟 14

第四章 均匀喷氨 15

4.1 均匀喷氨流场 15

4.2 均匀喷氨速度场 15

4.3 均匀喷氨浓度场 16

4.4 均匀喷氨混合指数 16

第五章 非均匀喷氨 17

5.1 非均匀喷氨流场 17

5.2 非均匀喷氨速度场 17

5.3 非均匀喷氨浓度场 17

5.4 非均匀喷氨混合指数 18

5.4.1 一根管非均匀喷氨 18

5.4.2 两根管非均匀喷氨 18

5.4.3 两根管改变喷孔角度非均匀喷氨 19

第六章 结论与建议 21

6.1 结论 21

6.1.1 两种喷氨方法的比较 21

6.1.2 四种工况的对比 21

6.2 建议 22

前言

综述

选题背景

中国无论是在资源的出产量还是消耗数量上都比较高，其天然资源主要是提供煤炭资源，在石油和天然气方面比较紧缺。但是在很长时间内国内释放的有害物质都很多，尤其是在北上广等经济发达的都市，氮氧化物的浓度远远超出标准，有的区域严重到产生了光化学烟雾。在天然资源与消耗主要靠煤炭的局势下导致了很厉害的污染现状，且破坏了能够不断成长进步的经济与环境的根本。

现在，煤电厂释放的氮氧化物数量是国内此类物质释放量的二分之一，且其释放量还在持续的增长。降低该类有害物质的释放量变成煤电厂在工业除尘与脱硫后的又一主要环境管理事项。政府与地区环保组织对工厂有害物质的释放与总数方面都有严厉的限制。在北京与天津地区的释放准则要高于国家的有关准则。北京DB11/139-2007《锅炉空气污染物释放准则》里，07年第I时期比08年的第II时期的释放条件低，条件慢慢变得严厉。单一的低氮燃烧工艺早已不能达到有害物质的释放准则，现在使用较多且效果较好的脱硝主要工艺是SCR工艺，对其的脱除率高于90%。

2010年12月3日完开完的“十二五”全国精密化工行业发展探讨会里，国内化工行业科技中心的副总工程师、国内化工材料与中间体业理事会中的徐京生曾指出，因为加强了对氮氧化物的限制规格，在这一时间内，对于化肥公司的脱硝会变成环保降低释放量的重要关键点，国内有关产业也会很快崛起。政府在此时期会强迫实施脱硝与强迫脱硫相同。据了解，现在中国大部分的工厂使用的有关工艺还处在引入、接受吸取与开始运用水平。在这个五年规划内环境保护的方面会需要大量资金的投入，脱硝变成非常关键的环节，预测在这个五年计划与下个五年计划中，政府在此产业需要上万亿元的资金投入。除脱硫与除尘以外，在此时期内脱硝肯定会在环保降排里变的至关重要。

研究意义

现在国内在脱硫方面早已获得较好的成绩，不过氮氧化物产生的危害还没有很好的限制，酸雨成分已由硫酸向硫酸与硝酸混合性过度。这类有害物质大部分是由煤电工厂产生释放的。因而，让其进行脱硝刻不容缓。

全新颁发的《煤电厂大气污染物释放准则》和2009年宣布的草稿比较，不管是对“脱硝”实现日期的条件，还是降低释放的强制力，均变得很严格。2012年就实行此准则规划，从该年元旦起，全部的新成立的煤电设备NOX释放量不能超过100

mg/m3；第二年元旦起，主要区域的全部煤电设备NOX释放量不能超过100mg/m3，不是关键区域在2003年前投入的设备不能超过200mg/m3。

且在2009年7月环保组织公布的初次征询建议稿中规定2015年元旦以前实现现有设备“脱硝”，而关键区域其释放量不超过200 mg/m3，不是关键区域的不超过400 mg/m3。不仅高出该年拟定的草稿条件，其指标也要远高于欧洲等有关准则。

SCR气体脱硝工艺已在欧盟、日本与美国等经济强国与区域实施范围较广。而中国在1990年才对该项工艺起步钻研，全国大部分的工厂使用的有关工艺还处在引入、学习吸取及起步运用的时期。因而，对该项科技的进一步研发，将对中国脱硝科技产生非常巨大的影响。

NOx的特性、来源和危害

NOx的特性来源危害

NOX是氮氧化合物，其化合物种类比较多，包括一氧化氮、二氧化氮、一氧化二氮和三氧化二氮等。其中二氧化氮空气中含量最高的成份，化学性质具有最好的稳定性。别的化合物都较易改变，像光照、温度、湿度等环境改变时，会变为NO2和NO，NO变为NO2。在日常环境里所触碰到是多种气体合在一起，被叫做硝烟，大部分是NO2、NO及NO2。

一氧化氮的特性易改变，无色无味的气体，易与氧气产生反应生产NO2。能与乙醇、二氧化碳里相溶，且难溶于水。其在-163.6℃熔化，在-151.5℃沸腾。

二氧化氮能够与碱、二氧化碳与氯仿相溶。其在温度低于-11℃时是无色固态；当低于21.1℃时，是暗褐色液态；高于这个温度时是有刺激性气味的棕红色气体。在-11.2℃熔化，在21.2℃沸腾，蒸汽压是101.31kPa。

空气中NOX有害物质的生成有两个原因：分别是自然界生成与人类生成。前者的NOX是产自微生物的运动、生物的氧化、火山爆发、打雷、光化学反应、土地与海水里的光解等放出来的。自然界生成的化合物较固定，也相当均衡，但是人工制造的变量就很大。

人工生成是通过人类的生活与制造行为生成然后释放到空气里。能生成NOX的行为基本是：

（1）烧炭电厂、陆海空的交通工具等能源在焚烧时生成的化合物；

（2）硝酸制造、提炼等制造商品时生成的化合物；

（3）废料与污垢等治理废品时产生的化合物。

化石原料焚烧时生成的NOX占到了大部分，由于它在世界市场快速发展的要求下出现上升的走势。

现在面对的生态现状是：

（1）大气保温作用；

（2）酸雨：

（3）臭氧层损坏。

上面提到的生态问题有害物里，均包含NOX，能够知道它对大自然的破坏非常严重。它有很大的毒性，是生成光化学烟雾、硝酸类降雨、损坏臭氧层的重要组成成分。严重的伤害到坏境、生态、人类，妨碍了全球经济的进步。

各类有害物生成的氮氧化物里，几乎都是为NO，其毒性较小，不过很容易被氧化为NO2。二氧化氮的性质稳固，毒性较强是NO的4-5倍。它是棕红的有刺激性气味的气体，气体中仅有0.1ppm(1ppm=1μL/L)就能察觉到，1～4ppm就是恶臭味，25ppm就臭到受不了了。一旦浓度3.5×10-6（体积分数）达到一小时，就会对身体有伤害；浓度达到为（20～50）×10-6，就会伤害到眼睛；浓度达到150×10-6，人类的器官产生严重的伤害[4]。

二氧化氮对人体与生物的损害较大。不过更厉害的是，其在光照的条件下会生成新型的氧原子（），此种新生原子在空气中能够引发有关事物一连串的变化，还和为充分燃烧的碳氢化物混合生成光化学烟雾，产生更重的毒性。在上世纪的70年代，日本就出现过一次这种状况，导致很多人嗓子发炎，刺激了鼻子眼睛，厉害的会导致昏厥。由于在此过程中生了许多强烈有毒的二次有害物质。像臭氧、过氧乙酰硝酸酯（PAN）和过氧基硝酸酯（PBN）等[1]。即使空气中的NOX含量细微的上升都会加大此类反应的伤害。形成地区性的氧化污染及微颗粒的污染，让地区内环境品质下降，阳光放射变少，天气随之改变，伤害到整个生态体系，农业的产量降低。其还会导致空气的可见度下降，对口鼻的刺激较大，还导致头疼及呼吸道病情变坏，还有可能会丧失生命。

表1-1 NO₂不同浓度对动植物的危害

由于空气中的氧气会使产生氧化，在空气中NO能生成硝酸及硝酸盐的细小物质，与硫酸及其细小物质，形成长距离传送，使地区性的酸性降雨快速生成[3]。国内部分地区的有害降雨开始从一种硫酸类向硝酸盐负离子持续增多的混合类过度。

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