（工程热物理专业论文）玻璃窑炉烟气脱硝系统cfd数值模拟及结构优化设计.pdf

摘要 随着我国氮氧化物排放标准的实施，工业炉窑烟气脱硝面临着巨大的挑战。 作为工业炉窑之一的玻璃炉窑，其氮氧化物的排放与治理也非常受到重视。如何 有效地提高玻璃炉窑烟气脱硝效率，降低氮氧化物的排放量已成为大气环境治理 工作者主要的研究问题。应用数值模拟方法对玻璃炉窑烟气脱硝系统进行结构优 化，为烟道外形结构、静态混合器及导流片布置的设计提供理论指导，这对提高 烟气脱硝系统脱硝效率及保护环境具有重要的意义。 本文建立了玻璃炉窑烟气脱硝系统的三维物理模型，采用标准k 一模型、 物质组分输运模型及多孔介质模型对玻璃炉窑烟气脱硝系统内烟气速度和氨浓 度分布进行了数值模拟并对其结构进行了优化，得到如下结论： ( 1 ) 提出了玻璃炉窑烟气脱硝系统结构优化设计方案，即首先进行烟道外形结 构的优化设计，其次进行静态混合器布置方式的优化设计，最后进行导流片布置 方式的优化设计。 ( 2 ) 脱硝系统烟道结构对烟气流场具有重要影响。玻璃炉窑s c r 脱硝系统左 侧垂直烟道采用渐扩烟道结构时，催化剂床层速度相对标准偏差为1 8 4 ，采用 渐缩结构时为9 8 ；而采用等截面结构设计时，催化剂床层速度相对标准偏差仅 为8 左右。 ( 3 ) 喷氨口正下方安装静态混合器可以明显改善催化剂床层氨浓度分布的均 匀性。同时，静态混合器大小对催化剂层入口处氨浓度分布影响很大，静态混合 器越大则氨浓度分布越均匀，静态混合器可以采用单层布置也可以采用双层布 置。 ( 4 ) 导流板布置方式对脱硝系统内烟气流速分布与氨浓度分布有重要影响。为了改善 烟道内烟气流场分布的均匀性，提出了在烟道内侧导流片出口处加竖直板及导流片由外 到内弧度依次减小的优化方案，数值模拟结果表明采用此方案明显改善了催化剂层处的 流场与氨浓度分布的均匀性。 关键词：玻璃窑炉；脱硝系统；s c r ；数值模拟；优化设计 a b s t r a c t w i t ht h ep r o m u l g a t i o no ft h en e we m s s i o ns t a n d a r do fn o x ，t h ef l u eg a sd e n i t r a t i o n f a c e s g r e a tc h a l l e n g e s i ni n d u s t r i a lf u r n a c e s g l a s s f u r n a c e ，a so n eo ft h ei n d u s t r i a l f u r n a c e s ，w h o s en o xe m i s s i o na n dc o n t r o la l s or e c e i v e sm u c ha t t e n t i o n h o wt oi m p r o v et h e d e n i t r a t i o ne f f i c i e n c ye c o n o m i c a l l ya n de f f e c t i v e l y , a n dr e d u c et h eq u a n t i t yo fn o xe m i s s i o n b e c o m e sr e s e a r c hf o c u s e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di su s e dt oo p t i m i z et h es c r d e - n o xs y s t e m ，w h i c ho f f e r st h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h e l a y o u tm o d ed e s i g n o ff l u e s t r u c t u r e ，s t a t i cm i x e ra n df l o wd e f l e c t o r s ，a n dw h i c hi sb e n e f i c i a lt od e n i t r a t i o ne f f i c i e n c ya n d o u re n v i r o n m e n t t h r e e - d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e lo ff l u eg a sd e n o xs y s t e mi ng l a s sf u r n a c eh a sb e e n e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r s t a n d a r dk - em o d e l ，s p e c i e st r a n s p o r t a tm o d e la n dp o r o u sm e d i u m m o d e la r eu s e dt oi m i t a t ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ff l u eg a sa n da m m o n i ac o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n ，a n dt h e nt h ec o n s t r u c t i o ni so p t i m i z e dc o n t i n u o u s l y , t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g ns c h e m e so f f l u eg a sd e - n o xs y s t e mi ng l a s sf u m a l 7 七 a r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g ni sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r ti sf l u es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n ，t h es e c o n dp a r ti st h el a y o u tm o d ed e s i g no fs t a t i cm i x e r , a n dt h et h i r dp a r ti s l a y o u tm o d ed e s i g no ff l o wd e f l e c t o r s ( 2 ) d e n i t r a t i o ns y s t e ms t r u c t u r eo ft h ef l u eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ef l o wf i e l d w h e n t h el e f tv e r t i c a lf l u eo fs c rd e n i t r a t i o ns y s t e ma p p l i e sg r a d u a l l ye x p a n d i n gs e c t i o nf o r m , r e l a t i v es p e e ds t a n d a r dd e v i a t i o ni nt h ec a t a l y s tb e d si su pt o18 4 ，w h e r e a sa p p l y i n g t a p e r e dc r o s s - s e c t i o n , r e l a t i v es p e e ds t a n d a r dd e v i a t i o nd e c r e a s e st o9 8 ；w h i l ea p p l y i n g e q u a lc r o s s - s e c t i o n ，r e l a t i v es p e e ds t a n d a r dd e v i a t i o ni nt h ec a t a l y s tb e d sd e c r e a s e st om e r e l y a b o u t8 ( 3 ) s t a t i cm i x e rj u s tb e l o wt h et h ej e t so fa m m o n i a , c o u l do b v i o u s l yi m p r o v eu n i f o r m i t y o fa m m o n i ac o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nt h ec a t a l y s tb e d s m e a n w h i l e , t h es i z eo fs t a t i cm i x e r g r e a t l ya f f e c t st h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n i nc a t a l y s tl a y e r 1 f 1 a m m o n i a c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nb e c o m e sm o r eu n i f o n n 、析t ht h ei n c r e a s eo fs i z e ( 4 ) l a y o u tm o d eo ff o wd e f l e c t o r sh a si m p a c t so nt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ff l u eg a s a n da m m o n i ac o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h eu n i f o r m i t yo ff l o wf i e l di nt h e f l u e 1 1 1 eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do fa d d i n gv e r t i c a lp l a t e so ff l o wd e f l e c t o r si nt h ei n n e r f l u ea n dr e d u c i n gt h ef l o wd e f l e c t o r sr a d i a nf r o mo u t e rt oi n t e ri sp r o p o s e d f i n a l l y , s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tf l o wf i e l da n da m m o n i ac o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fc a t a l y s tb e d sp l a c e t t k e y w o r d s ：g l a s sf u r n a c e ：d e - n o xs y s t e m ：s c r ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：o p t i m i z a t i o n d e s i g n l i l 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展，我国对能源的需求量也持续增长。然而，能 源在满足人类生活需要的同时，燃料燃烧以后产生的大量污染物对环境及人体造 成了巨大的伤害。据2 0 0 7 年发布的中国环境公报声称全国环境的总体质量 日渐好转，但仍不够理想。目前，中国已将可持续发展作为一项基本国策，而大 气污染物排放量的控制及治理都是保证可持续发展的一个非常重要的中心环节。 鉴于此，我国开始对环保行业加以重视并颁布了一些相关的法律法规，其中主要 包括大气污染防治法、水污染防止法、清洁生产促进法和环境保护法 等，这些法律法规为污染物排放量的限制构筑了一个基本的法律框架。 我国作为世界上最大的煤炭资源生产国与消费国，由于煤炭中含有s 、n 和 矿物质等成分，经过燃烧以后会产生大量的c o 、s 0 2 、n o 。以及烟尘等污染物， 这已成为我国大气的主要污染源i t 。为了降低烟气对大气的污染，国内外环保领 域的专家学者相继开发了烟气脱硫与脱硝技术，并己在电力、冶金等行业得到广 泛推广与应用，为s 0 2 、n o x 等污染物的有效治理提供了成熟的技术。 玻璃行业发展速度快，其耗能大，同时污染也较为严重。对于玻璃窑炉，它 是一种生产玻璃或玻璃制品时所使用的一种高温工业窑炉，它是玻璃工业中的核 心设备，其耗能量大约占据整个玻璃研制过程中总能耗的7 0 左右叫l 。然而，玻 璃行业对烟气中氮氧化物的治理几乎处于“零”状态，所以研发成熟有效的烟气脱 硝系统，进而降低n o x 的排放量，是现阶段我国玻璃行业亟待解决的关键问题。 相比于电厂锅炉，由于玻璃窑炉中燃料燃烧产生的烟气排放量相对较小，因此在 进行烟气脱硝时，由于现场场地的限制，烟气脱硝系统结构相对较为紧凑，从而 加大了烟气脱硝系统的优化设计难度。 数值模拟方法是进行烟气脱硝系统结构优化的主要手段之一，虽然目前许多 学者在电厂烟气脱硝系统的结构优化设计方面进行了大量的研究工作，但对于工 业炉窑如玻璃炉窑等烟气脱硝系统的结构优化还没有相关的文献报道，因此本文 应用数值模拟方法对玻璃炉窑烟气脱硝系统进行结构优化设计，这对于提高脱硝 系统n o x 脱除效率及保护环境具有重要的意义。 1 2 烟气脱硝技术发展现状 1 2 1 烟气脱硝技术国内外发展现状 氮氧化物主要来自于化石燃料的燃烧，汽车排放的尾气以及电镀等工业废 l 气，具有量大面广且难以治理的特点。n o x 排入大气经过光化学作用氧化为n 0 2 ， 它不仅是形成酸雨的主要原因，也是环境的重要污染物，它将会给人类的生活、 生产以及生态环境带来毁灭性的破坏。因此，有效控制烟气中n o x 的排放成为改 善空气质量的主要手段之一。中国的能源需求量将继续增加以求推动我国经济的 发展，而烟气中n o x 的排放量也将随之增加。数据显示，截止2 0 1 0 年，中国各 行业烟气中n o x 总的排放量将达2 0 0 0 多万吨。如果不采用行之有效的策略对n o x 的排放加以控制，那么将会给环境带来更加严重的污染。目前，国内外相续开发 了成熟的n o x 脱硝工艺，大体可以分为吸附法净化n o x 、液体吸收法控制n o x 、 和催化还原法净化n o x 三大类。 l 、吸附法 吸附法采用多孔性的物质作为吸附剂来吸收烟气中的氮氧化物。常用的吸附 剂有：含氨煤泥、硅胶、分子筛以及活性炭等。利用此方法对烟气进行处理的优 点体现在：操作简便、设备简单、能将其回收利用和能将n o ，彻底清除等。但也 有其缺点：采用吸附剂时，需考虑吸附剂本身的吸收容量，当烟气量较大时，则 需要的吸附剂的数量加大，从而要求设备庞大，吸附剂使用较长时间后，吸附能 力迅速下降，需要进行再生处理，并且此过程为间歇性处理。故此方法较常用来 处理n o 。浓度较低的烟气。 2 、液体吸收法 液体吸收法依照吸收剂的种类不同，可以分为氧化还原吸收法、碱吸收法、 酸吸收法和水吸收法等。 ( 1 ) 氧化还原吸收法：氧化吸收法是将n o x 中部分的n o 与0 2 结合生成n 0 2 ， 从而使得n o x 的氧化程度加强，接着采用氧化剂溶液将其吸收。氧化吸收法大多 采用h 2 0 2 、k m n 0 4 和重络酸钾作为氧化剂。依据不同的还原剂，可以分为尿素 还原法、亚硫酸盐还原法、s o x 和亚硝酸盐的水溶液还原法等。 ( 2 ) 碱吸收法：利用烟气中的n o x 被碱性溶液吸收，常采用氢氧化铵、氢氧化 钙和氢氧化钠溶液作为吸收剂。烟气中的n 0 2 被这些吸收剂吸收，反应后生成亚 硝酸盐及硝酸盐。其中涉及到氧化度这一物理量，氧化度定义为n 0 2 在n o 。中所 占的比重。采用此方法时，如果n o x 的氧化度大于或等于5 0 ，则吸收较完全， 若n o ；的氧化度低于5 0 ，则多余的n o 不被吸收。由此可见，此吸收法不适用 于n o 含量较多的烟气净化处理，而适用于氧化度较大的烟气净化。 ( 3 ) 酸吸收法：用稀硫酸和浓硫酸，吸收烟气中的n o x ，前者主要结合n o x 在稀硝酸中溶解度较高，属于物理反应；对于浓硫酸，则是利用烟气中的n o x 与浓硫酸反应，生成亚硝基硫酸，是化学吸收。 ( 4 ) 水吸收法：n o x 大致包括n 0 2 和n o 两种气体。n 0 2 较易溶于水，故可以 用水来吸收烟气中的n 0 2 ，而n 0 2 与水反应后，生成亚硝酸及硝酸，而前者极不 2 稳定，立马分解成硝酸、水和n o 。而n o 的溶解度极低。所以此方法虽然简单、 便捷、经济，但是净化效率低，仅适合含少量n 0 2 的烟气处理。 液体吸收法具有投资成本低和工艺简单的特点，根据不同的情况可以选取不 同的吸收剂，并且能将n 以硝酸盐的形式加以循环使用，从而达到综合治理烟气 的目的。但其具有脱硝效率不高，难处理烟气量较大的烟气，并且n o 含量较多 时烟气净化效果不理想的缺点。 3 、催化还原法一 催化还原法净化n o x 包括选择性催化还原法与选择性非催化还原法两类。 ( 1 ) 选择性催化还原法( 又称s c r 法) 此法是在低温的条件下，还原剂( 通常选取氨气) 有选择性的将烟气中的 n o x 转化为对大气无污染的n 2 而基本不与0 2 发生反应。此方法优点是基本无副 反应、脱硝效率高。目前已经投产运行的s c r 脱硝装置当中，其效率可以达到 8 0 9 0 或是更高，氨气的泄漏量一般低于5 1 0 一p p m ，能够满足日趋苛刻的环 保要求。在纷杂的火力发电厂烟气脱硝工艺中，s c r 法是技术最为成熟、运用得 最多的脱硝方法，在国内外电站锅炉烟气脱硝市场占主导地位，并越加受重视。 ( 2 ) 选择性非催化还原法( s n c r 法) 该方法不需要催化剂，在炉膛内温度较为适当的地方( 8 5 0 1 1 0 0 ) 由氨喷 射器均匀的喷入还原剂尿素、氨气等，从而还原剂与烟气中的n o x 发生反应，达 到脱硝的目的。还原剂在炉膛内迅速分解，进而选择性的吸收烟气中的n o x ，生 成氮气和水。该方法不采用催化剂，从而要求反应的温度较高。当温度超过一定 的范围，氨气会发生分解，反应物减少，从而一部分n o x 不能被还原，而当温度 太低时，氨的逃逸率又会增加，并且氨气有毒、易挥发，进入到大气当中，引发 新的环境问题。 s n c r 法脱硝效率不高，约为5 0 左右，并且要求n h 3 n o x 比值较高，并 有可能在反应的过程中伴随有铵盐腐蚀或者是堵塞空气预热器等现象。其设备工 艺简单，投资低，因为其不需要催化剂和催化剂反应器，但是其脱硝效率明显低， 并且氨气的逃逸浓度大，对于大型的电站锅炉，很难满足当今的环保要求。 1 2 2 烟气脱硝技术工程应用现状 s c r 脱硝技术最早于1 9 5 9 年由美国提出，并于2 0 世纪6 0 7 0 年代兴起， 而日本率先将此技术商业化【7 l 。为了降低烟气中n o x 含量，日本采取一系列降低 烟气n o 。含量的技术，从1 9 7 3 年开始运用二级燃烧法，截止1 9 7 5 年，日本约 5 0 的火力发电机组锅炉采用了“低n o x 燃烧器结合二级燃烧”；目前，日本现有 的9 0 燃煤机组采用了分级燃烧和低n o 。燃烧器综合技术来实现炉内脱硝。此 外，日本于1 9 7 5 年在新建的s h i m o n e s k i 电厂首次投入使用s c r 烟气脱硝系统， 3 随后s c r 脱硝技术在日本得到快速发展。1 9 7 8 年前后，日本的烟气脱硝系统开 始在燃用重油和天然气的机组中运用，然后在燃煤机组上使用，然而，存在于烟 气中的s o x 导致烟尘堵塞使得催化剂受损以及催化剂老化等现象。1 9 7 5 1 9 8 0 年 期间，日本对脱硝催化剂进行了试验性的研发，并于1 9 8 0 年在下关电厂的一号 机组安装了高灰尘布置方式的脱硝设备，其脱硝效率约5 0 ；1 9 8 1 年，在竹原电 厂一号机组安装了全量处理脱硝装置，脱硝效率达8 0 ，从而成功的开发出高效 的烟气脱硝技术。2 0 0 2 年，在电力行业领域，s c r 脱硝设备在日本的装机容量已 达2 3 1 g w 【l l 。到目前为止，超过4 8 台燃煤机组都配置有脱硝设备。 美国也将s c r 烟气脱硝工艺作为限制烟气中n o x 排放的关键，这几十年， 美国研发了大量低n o x 燃烧技术与烟气脱硝技术，这使得n o x 的减排有了技术 保证【9 。2 1 。迄今为止，美国已超过1 0 0 g w 的s c r 系统被投入使用，并实现了“s c r 脱硝装置在臭氧季节运行时完成n o x 减排工作”的承诺。 德国在其国内颁布了n o 。排放量的标准以后，一些电厂开始计划采用s c r 工艺的试验设备，并且投入运行。德国于上世纪八十年代开始采用s c r 烟气脱硝 工艺，并且要求电厂中发电量为5 0 兆瓦以上的机组都需安装此脱硝装置，在火 力发电厂中，s c r 技术约占整个烟气脱硝工艺的9 5 。当前，德国正进一步深 入研究s c r 工艺，通过试验s c r 工艺，可用于专门条件下的各种用途的燃烧设 备。俄罗斯在安装脱硝装置方面开展了大量的研究工作，有其独到之处，他们采 用氨气进行n o x 选择性催化还原( c h k b 法) 。19 9 6 年许多电厂已经建成了脱硝 试验的设备，并自行生产催化剂，积累了广泛的脱硝经验。同时，他们继续进行 了在高温下，采用尿素或是氨选择性催化还原氮氧化物的研发工作，并且还将研 究选用碳氢化合物以及其它物质作为还原剂的无氨过程1 9 。：1 。欧洲目前约有1 2 0 多套该工艺设备投入使用。 目前，美国、日本和欧洲占据了目前世界上控制火力发电厂n o x 排放的领先 地位。 最近几年，随着国家对环境污染治理的加强，我国涌现出大批环保公司，开 始致力于烟气脱硫脱硝的设计与研发。一方面，国内环保公司积极与国外公司加 强技术合作，实现了烟气脱硝技术的引进与消化吸收，表1 1 列出了国内的一些 实施脱硝技术的公司同国外的脱硝厂家的技术合作情况，2 0 0 5 年，我国东方锅炉 厂同德国合资组建了东方凯特瑞环保催化剂有限公司，实现了我国燃煤电厂烟气 脱硝的催化剂国产化的目标。另一方面加强了烟气脱硝技术的应用推广。1 9 9 9 年 国内福建后石电厂6 台6 0 0 m w 首次投入s c r 烟气脱硝系统并成功得到应用d 3 1 。 随后，福建的漳州电厂、国华太仓电厂等引进国外的s c r 脱硝技术，至此，国内 火电发电机组的烟气脱硝技术得到迅猛发展。近年来，我国共2 0 多个脱硝项目 都采用了s c r 工艺，大约占据了在建烟气脱硝项目的7 0 。 4 表1 1国内外脱硝公司技术合作情况表 1 2 3 玻璃窑炉烟气处理技术发展现状 玻璃窑炉烟气n o ；治理的主要方法有三种：( 1 ) 吸收法：它是利用液态的吸收 剂，采用物理吸收及化学反应的方法来实现烟气的净化，主要包括络合吸收法、 吸收还原法、氧化吸收法、碱性溶液吸收法、稀硝酸吸收法和水吸收法。但是这 种办法耗能大，净化不够彻底，将再次对环境造成污染。( 2 ) 吸附法：利用多孔性 的物质( 如丝光沸石分子筛、风化煤等) 去除烟气中的氮氧化物，这种方法适合 于处理废气量较小的烟气处理，并且设备的投资较高。( 3 ) 催化法：烟气与还原剂 在催化反应器内进行发生反应，从而实现烟气的净化。它包括选择性催化还原法 ( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ，简称s c r ) 和非选择性催化还原法( n s c r ) 两 种方法【t s l 。n s c r 法利用c o 、h 2 或者是c h 4 等燃料与烟气中n o x 在催化反应器 内发生反应。s c r 法中烟气与还原剂氨在烟道内充分混合后，进入催化反应器， 将n o x 催化还原，最终转化为无污染的n 2 和h 2 0 ，排放到大气中。催化法要优 于吸附法和吸收法。 深圳赛格三星股份有限公司【1 6 1 于2 0 0 3 年、2 0 0 4 年已经成功采用了三套“喷雾 干燥法脱硫”、“高温高效三电极式电除尘”及“选择性的催化还原脱硝”等技术的玻 璃窑炉烟气综合系统，接着，此系统在国内外大型的玻璃行业以及合资玻璃企业 中得到部分应用，此工艺和设备能安全稳定地运行、性能可靠、从而各项排放指 标都能满足国家环保局的排放标准。 1 3 烟气脱硝系统优化设计发展现状 烟气脱硝系统中n h 3 与烟气的混合效果对降低氨的逃逸率以及减少催化剂 的用量和提高烟气的脱硝效率等问题至关重要。j i nm a nc h o 等【1 7 - - s l 采用数值模拟 的方法对烟气脱硝装置中氨气的分布以及喷入进行了合理的优化和改进。d a v i d c w i l h i t e 等d g l 对s c r 烟气脱硝系统中的结构进行了优化设计，流场分布得到了 5 很大的改善。m i l o b o w s k i 等 2 0 - 2 1 1 对台湾台中s c r 烟气脱硝装置烟道内的流场进行 了数值模拟，模拟得到的烟气脱硝系统压降与试验结果基本吻合。过小玲等【：1 对 s c r 脱硝装置内导流片的布置进行优化设计，分别采用直板、弧形板以及弧形板 与直板的组合三种不同的形式，通过对烟道内流场的分析，获得最为合适的导流 板设计方案。 除了n h 3 与烟气的混合效果外，催化剂的催化性能对脱硝效率有非常重要的 影响。为此，国内外许多学者开展催化剂的催化性能改善及工程应用的研究。国 电热工检测研究所考虑将稀土材料和其他材料有机地结合在一起，开展了低温 s c r 烟气脱硝工艺和低温s c r 催化剂的研发工作。使得这种混合材料能够实现 在2 0 0 以下低成本、高效率的完成脱硝反应 2 3 1 。中国科学院山西煤化化学研究 所开始认真研究此课题，最终成功研制出改性活性焦，能同时脱硫脱硝的催化剂， 并且在8 6 3 项目支持下，在济南正昊化新材料有限责任公司的锅炉上投入运行， 其中烟气所处的温度为1 5 0 ，反应器的脱硝率达到1 0 0 。西安热工院也开始研 究低温脱硝催化剂，脱硝效率大于9 0 。钟秦等【：一】研制了一种催化剂，其组分为 t i 0 2 v 2 0 5 w 0 3 ，并通过试验研究，以氨气作为还原剂，选择性的将烟气中氮氧 化物催化还原，其在催化反应器当中进行。研究结果表明：s c r 催化还原反应发 生在催化反应器的表面，催化剂的活性绝大部分取决于其孔隙率和催化剂比表面 积。催化反应进行的快慢还取决于氨气的使用量、催化剂中v 2 0 5 的含量、接触 时间和温度等。 1 4 课题研究的内容 本课题通过数值模拟方法对玻璃炉窑烟气脱硝系统进行结构优化设计，使得 烟气与氨进入催化剂床层前获得较为均匀的烟气流速度分布与氨浓度分布。主要 研究内容包括： ( 1 ) 物理数学模型的建立。在g a m b i t 中，建立不同设计方案下的三维物理模 型及进行划分网格，然后选择合适的数学模型对各方案进行数值模拟计算； ( 2 ) 烟气脱硝系统烟道外形结构优化设计。烟道外形分别采用渐缩、渐扩和等 截面三种不同的结构形式，通过数值模拟，选出最好的烟道外形结构； ( 3 ) 烟气脱硝系统静态混合器优化设计。在喷氨装置的正上方布置静态混合 器，同时比较单层布置和双层布置时对烟气与氨混合效果的影响，从而确定较好 的静态混合器布置方式； ( 4 ) 烟气脱硝系统导流片优化设计。通过在烟道内设置导流片，分别数值模拟 不同导流片布置方式与导流片结构，通过对比烟气速度分布与氨浓度分布情况， 从而获得最佳的导流片结构与布置方式。 6 第二章选择性催化还原( s c r ) 烟气脱硝技术概述 2 1s c r 烟气脱硝技术概述 燃料在玻璃窑炉中燃烧会产生大量的烟气，烟气中的n o x 是造成大气污染的 主要因素之一。目前世界各国已开发出多种烟气氮氧化物( n o x ) 的治理技术 2 5 - 3 1 】。 其中s c r 脱硝工艺凭借无二次污染、脱硝效率高和技术成熟等优点己成为主流脱 硝技术并在脱硝方面得到广泛应用。 2 1 1s c r 烟气脱硝技术的脱硝原理 s c r 烟气脱硝工艺的原理表述为：采用液态氨、氨水和尿素作为还原剂，将 释放的氨气首先与n o 。发生还原脱除反应，最终生成氮气和水，在反应过程当中， 氨气不被氧气所氧化。s c r 脱硝工艺使用催化剂，使得脱硝反应时的活化能降低， 催化还原反应能够在相对较低的温度范围内( 2 0 0 4 5 0 。c ) 进行。催化剂的种类多 种多样，有钒金属、贵金属以及铁和铜的氧化物等，常见的催化剂为钒基( v 2 0 5 ) 催化剂。 其主要的化学方程式如下1 3 2 1 1 3 3 1 ： 4 n o + 4 n h 3 + 0 2 ，4 n 2 + 6 h 2 0 ( 2 1 ) 6n o + 4n h 3 5n 2 + 6h 2 0( 2 2 ) 6 n o z + 8n h 3 _ 7 n 2 + 12 h z o ( 2 3 ) 2n o z + 4n h 3 + 0 2 _ 3n 2 + 6h 2 0( 2 4 ) s c r 技术就是将氨通过氨喷射器喷入烟道内，烟气和氨混合均匀以后，流经催化反 应器时，将温度调整到催化剂最适宜温度，最终完成整个催化还原反应。 s c r 法还原n o x 的原理图见2 1 1 3 4 1 所示： 争烟囱 n 2 & h ，o 霉 煦n 。 催化剂层 图2 1s c r 烟气脱硝工艺原理图 通过选取合适的催化剂使得反应式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 能在温度在3 0 0 4 1 0 内反应， 7 i 并能控制副反应的出现。当n h 3 n o x 的化学计量数之比等于1 时，此时的脱硝效率高 达8 0 9 0 。s c r 脱硝工艺具有运行过程稳定、维护方便、氨气的逃逸量较低和n o x 脱 除效率高等优点。s c r 脱硝工艺起先被美国e n g e l h a r d ( 英格尔哈德) 公司发现，于1 9 5 7 年申请国家专利，接着日本成功开发出v 2 0 5 爪0 2 催化剂，这种催化剂被广泛采用，并 且此催化剂于1 9 7 7 在燃油电站锅炉中投入使用，1 9 7 9 年，在燃煤电站锅炉中运用。 2 1 2s c r 烟气脱硝技术工艺流程 s c r 烟气脱硝的工艺系统主要由检测控制系统、催化反应系统、氨储存和蒸发系统、 氨喷射系统和烟气系统等组成。 玻璃窑炉内的烟气从省煤器尾部流出，接着开始流经整个s c r 脱硝装置，液氨首 先储存在液氨贮槽内，经过氨气蒸发器后变为氨气，将氨气加热至常温，然后运送至氨 气缓冲槽中作为备用。氨气经过降压后，直接送入空气( 来自于送风机) 与氨气的混合 器中，经过充分混合以后，流经安装在适当高度的氨喷射器，氨喷射器将氨气和空气的 混合物喷入烟道内，与烟气充分混合以后，混合物流经催化剂床层时，烟气中的n o x 和n h 3 在催化剂的作用下，发生催化还原反应，进而生成水和氮气。 2 1 3s c r 烟气脱硝系统的布置 脱硝反应器是s c r 技术的核心设备，该设备的布置方式通常有三种【5 】，一种是催化 反应器安装在省煤器出口处、空气预热器之前，即为高粉尘布置；第二种是催化反应器 安装在除尘器之后、脱硫设备之前，即为低含尘量布置；另一种是催化反应器安装在脱 硫装置以后，即尾部烟气段布置，见图2 2 t 3 5 1 。 ( 1 ) 高粉尘布置 催化反应器安装在省煤器出口处、空气预热器之前。烟气从省煤器出口流出，进入 催化剂床层之前不需要对烟气进行加热，相比其它两种布置，这是一种最有利的方案。 其缺点是，烟气中掺杂有燃烧产生的氧化硫及飞灰，这些粉尘将导致催化剂的活性明显 下降，n o x 的脱除效率降低，采用这种布置方式时，催化剂的容积要比其他两种 布置方式大很多，由于场地的影响，在现有的机组上安装高粉尘布置的s c r 脱硝 装置，比较困难。 ( 2 ) 低含尘量布置 催化反应器安装在除尘器之后、脱硫装置之前。这种布置方式粉尘量很少，但是由 于此布置没有高粉尘的自清洁作用，催化反应器的积尘很严重，故这种布置在实际工程 上应用很少。 ( 3 ) 尾部烟气段布置( 低温低尘) 催化反应器安装在脱硫装置以后。烟气经过脱硫设备以后，粉尘和s 0 2 的含量大大 降低，催化反应器的表面不会沉积烟尘，但是，经过脱硫以后的烟气，温度很低，一般 8 采用湿式法进行脱硫时烟气的温度为5 0 6 0 c ，而半干式脱硫为7 5 左右，要使得脱硝 反应器能正常稳定的运行，需要引进燃烧器和气气换热器将温度提高至3 0 0 - 4 0 0 c ，此 过程需要很大的能量。 图2 2s c ri 艺的三种主要布置方式 本文研究的脱硝装置采用第一种方式，因为烟气在进入催化反应器时的温度在 3 0 0 - 4 0 0 之间，此时的催化剂活性较强，烟气不需要借助其他设备进行加热就可以使 得脱硝反应进行顺畅，而且脱硝效率较高。 2 2s c r 催化剂 在s c r 工艺中，通过利用催化剂来增加反应进行的速率，该工艺可在3 0 0 4 0 0 时 使用，由于催化剂的引入，不仅能使烟气与氨反应时的温度降低5 0 0 ，还能使烟气的 脱硝率增加3 0 以上。故催化剂是s c r 工艺的核心部件。催化剂的选取应该遵循以下3 个特点：( 1 ) 能够承受烟气中颗粒物( 如飞灰) 的摩擦；( 2 ) 氧化烟气中s 0 2 的能力低， 目的是为了防止s 0 2 在催化作用下转变成为亚硫酸盐而导致催化剂中毒；( 3 ) 催化剂能 有一定的活性温度范围，保证锅炉在负荷发生变化时依1 日能够保证较高的脱硝效率。 在s c r 脱硝装置当中，催化剂分2 4 层分布，其中有一层预留层。当某运行层的催 化剂活性降低以后，切换运行层，预留层开始投入运行。 2 2 1 催化剂的结构类型 s c r 工艺中，根据催化剂结构的不同，大致分为填充床式和平行流式两种形式。 后者在国外一些发达国家运用得较多，它又分为蜂窝形和板形两种( 见如图2 3 所示) 。 9 平板式催化剂模块 蜂窝式催化荆模块 图2 3 平行流式催化剂结构 蜂窝形的催化剂，它是活性成分和载体材料结合在一起的混合型材料。通过挤压研 制而成；蜂窝型催化剂由于有很多圆形孔，使得其比表面积较大，但是这种形式的催化 剂阻力损失大，导致防止颗粒物堵塞以及积累灰尘的能力相对较弱。板式催化剂的载体 材料是金属网，而活性成分均匀分布在载体材料上，在制造的过程中，可以将其做成平 板形或者是波纹板形，然后将平板和波纹板组合起来，或者是单独的几层波纹板叠加在 一起，从而构成了催化剂的单独部件，然后将各单一的部件组合成模块，将模块分层布 置在s c r 反应器内的反应层，构成了各催化剂床层。催化剂模块尺寸大小约2 x1 l m 3 。 相比蜂窝状的催化剂，板式催化剂防堵塞和积尘的能力更好，但是当板式催化剂受机械 应力或是热应力时，活性成分较易脱落和磨损，此外，催化剂基材需具备耐酸性，防止 因达到s 0 2 露点温度所造成的严重危害。在实际工程中，由于蜂窝状催化剂容易清洗和 强度高的特点，从而被人们广泛使用。 2 2 2 催化剂的组成成分 催化剂由以下三部分组成： ( 1 ) 基材( 催化剂骨架) ( 2 ) 活性材料( 催化成分) ( 3 ) 载体( 保证活性材料更好地保持及分散) 平行流式催化剂除了包含活性成分外，还必须具有承载的材料( 载体) 。t i 0 2 、f e 2 0 3 、 a 1 2 0 3 、及s i 0 2 都是经常使用的载体。目前，丹麦、瑞典、荷兰、奥地利和德国等欧共 体国家以及日本等国家的燃煤电厂使用最多的是以二氧化钛t i 0 2 为作为催化材料的催 化剂。一方面是由于t i 0 2 具有一定的活性，另一方面是它具有较高的抗s o ，的能力， 因此采用t i 0 2 作为脱硝系统中催化剂的载体最为合适。表2 1 列出了催化剂的组成结构、 成分以及各部分的功能【3 i 】。 1 0 表2 1 催化剂的结构及性能 这种催化剂的特点是： ( 1 ) 将n h 3 、n o x 转化为h 2 0 、n 2 的能力较强； ( 2 ) s 0 2 转化为s 0 3 比例较低； ( 3 ) 催化剂最佳温度控制在3 15 3 7 0 。c 。 2 2 3 防止催化剂中毒和失活 许多的化学反应都在催化反应器内进行。催化剂的几何形状以及其构成可以使催化 剂的性能和活性在一定的范围内发生变化，故催化剂几何形状、构成随其用途发生改变。 由于t i 0 2 和v 2 0 5 抗s 0 3 的能力较强，几乎所有的催化剂都含有这两种成分。为了尽可 能避免颗粒物( 如飞灰) 堵塞催化剂，工业中的反应装置或是煤粉炉都采用垂直布置， 从而烟气与氨气的混合物能自上而下进入催化剂床层。s c r 法中催化剂的使用，使得 n h 3 和n o x 之间的反应允许在相对较低的温度范围内进行( 温度约为1 8 0 6 0 0 ) ， 同时n h ，的还原率也可以大大提高t 3 6 1 。在s c r 脱硝工艺中，氨气空气的混合气 流，在氨喷射器的作用下，喷入烟道内，与烟气充分混合，再流经催化剂层，将 n o x 还原为无公害的n 2 和h 2 0 。催化剂本身在反应前后没有发生变化，但是其 催化效率会随着时间的推移而有所降低，这是由于在使用的过程中，催化剂的表 面被一些有毒物质污染，催化剂的寿命和催化性能都受到影响。s c r 脱硝装置中 催化剂的载体有活性炭、f e 2 0 3 、沸石和t i 0 2 等。现在燃煤锅炉和玻璃窑炉使用的催 化剂绝大部分为钛与钒的混合物，最终催化剂的组成成分可能是载体物质和多种活泼金 属，从而能满足s c r 设备的需求。 催化剂的使用寿命与性能直接影响s c r 脱硝装置的投资成本，而催化剂的寿命取 决于催化剂活性的衰减速率。催化剂活性散失绝大部分归咎于催化剂中毒以及物理方 顽。砷、碱土类金属、碱金属导致催化剂中毒。以气态形式存在于烟气中的a s 2 0 3 引起 砷中毒。而碱土金属则是因为催化剂表面吸附的s 0 3 与飞灰中的游离的c a o 发生反应 生成硫化物导致催化剂中毒。碱金属导致催化剂中毒主要是其直接与催化剂中的活性成 分进行反应，引起催化剂失去本身的催化特性。除此以外，催化剂的堵塞、催化剂的磨 损以及其高温烧结都能引起催化剂失去活性。对于燃煤锅炉，煤种特性参数对于催化剂 所必须具有的体积、孔隙率及催化剂的组成成分影响很大，进而影响催化剂使用寿命。 目前，国外已经研究出行之有效的方法来处理催化剂失活的问题。烟气脱硝反应以 及s 0 2 向s 0 3 的转化是催化剂设计的关键。早期对于s c r 烟气脱硝系统出现了催化剂 堵塞及磨损等现象，相关学者通过对烟道内装置进行优化设计，问题得以解决。此外， 脱硝反应器中都配备吹灰器，其能保证催化剂的清洁问题。 2 3 影响s c r 过程的主要因素 2 3 1 催化剂 催化剂的选取是s c r 工艺的核心问题。其最初的成本占整个烟气脱硝设备总 投资的一半。不同的催化剂，其活性及物理性质也不同，这就取决于不同的结构、 成分组成、寿命及相关参数，这些因素将直接影响s c r 工艺的脱硝效率以及反应 器的运行状况，是影响脱硝性能最重要的因素。在相同的情况下，催化剂的体积 越大，则越有利于催化剂的布置以及反应物的反应，从而n o x 的脱除率也就越高， 反之，氨的逃逸率就越低【，7 】，相应地，s c r 系统的投资费用也就相应的提高。催化剂的 使用寿命决定了其体积的大小，这是因为催化剂使用寿命受到其他诸多不利因素( 如固 体颗粒物的沉积、中毒等) 的影响。而催化剂运行寿命的长短又决定了s c r 工艺的投 资成本，从而在s c r 工艺中，研究催化剂的性能十分重要。 2 3 2 接触时间 当温度为3 1 0 和n ( n h 3 ) n ( n o x ) = 1 的条件下，随着催化剂和参加反应 的气体混合物的接触时间t 的增加，n o x 脱除效率将随之提高，当t 处于2 0 0 s 时， 此时n o x 的脱除率达到峰值，反之，随着时间的延长，n o x 的脱除率有所降低。 其主要是由于随着接触时间延长，反应气体能更充分的在催化剂的孔内进行扩 散、吸附和反应。同时，反应生成的产物也能更好地在催化剂中扩散及解吸，进 而提高了n o x 的脱除率。一旦接触的时间过长，超过2 0 0 s ，其中的氨气被氧化， 反应物的减少，导致n o x 的脱除率呈下降的趋势。故反应接触的最佳时间为2 0 0 s 左右。 2 3 3 反应温度 在一种管式的反应器中，采用v 2 0 5 t i 0 2 作为催化剂，实验研究结果表明影 响n o x 脱除率的另一重要因素是反应温度。反应温度对n o x 脱除率的影响，其 变化趋势类似于n o x 脱除率随接触时间的变化规律。催化剂为3 1 0 时，n o x 脱 除率达到最大值( 9 0 ) 。当催化剂温度在2 1 0 3 1 0 时，n o x 脱除率将随着反 应温度的上升而显著增加，反应温度超过3 1 0 时，n o x 的脱除率反而降低。 不同的催化剂的组成成分具有不同的最佳反应温度，同样的，不同的还原剂 的种类也会有不同的最佳反应温度，另外，其它的一些条件( 如煤种) 的变化也 会对最佳的反应温度的决定产生一定的影响，实际运用时，需要通过实验来对具 1 2 体问题进行选择和摸