（环境工程专业论文）600mw电站燃煤锅炉scr烟气脱硝系统设计研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着我国环保事业的发展，氮氧化物控制技术的迅速普及，国内 外对氮氧化物的控制指标要求日益严格，燃煤电厂为我国的氮氧化物污染贡献 巨大，在我国降低氮氧化物排放总量的过程中是必须要控制其排放水平的。选 择性催化氧化法( s c r ) 以其脱硝效率高、无副产物、装置简单、适宜推广等 特点被广泛应用于处理氮氧化物的废气。在现有阶段，s c r 研究主要包括催 化剂以及反应器。 本文的研究针对6 0 0 m w 燃煤电站所配置的s c r 脱硝系统，对其进行设计 与计算。主要包括s c r 脱硝系统设计，压力降计算和数值模拟研究。因此本文 的主要的研究内容为： ( 1 ) 确定6 0 0 m w 电站配置的s c r 脱硝系统的工艺流程以及系统设计计 算。主要包括两部分，第一部分是氨区的设备，在这一部分设计了包括液氨贮 槽、压缩机、液氨蒸发器等设备的选用与设计计算。第二部分包括s c r 反应区 的烟道设计、催化反应层的设计、以及注氨格栅和吹灰器的设计等。 ( 2 ) 对s c r 脱硝系统的管道压降进行计算。在计算系统管道压降的过程 中，把s c r 反应器划分为进口烟道、喷氨烟道、过渡烟道、催化剂层与出口烟 道五个部分，并分别对这五部分进行压降的计算，得出系统的总压降，为s c r 系统的设计提供理论基础。 ( 3 ) 对f l u e n t 软件使用进行了学习与尝试，用计算流体力学软件来模 拟空塔流体。为进一步的优化设计提供可视化的直观指导。 关键词：s c r 设计；压降；f u j e n t ；数值模拟 a b s t r a c t n o w a d a y s ，s i n c et h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l y , t h ed e n o xt e c h n o l o g yw a su s e dm o r ea n dm o r e w eh a v eam o r er i g i ds t a n d a r d i n a n do u to f0 1 1 1 c o u n t r y t h ec o a l f i r e dp l a n t sh a sc o n t r i b u t e dal o t f o ro u rn o x p o l l u t i o n s o ，i t sv e r yn e c e s s a r yt oc o n t r o ln o x r e l e a s e db yc o a l - f i r e dp l a n t s s c ri s au s e f i l lm e a s u r ef o rd e - n o xp r o c e s sb e c a u s eo ft h eh i g he f f i c i e n c yo fd e - n o x ， f r e eb y - p r o d u c t s ，s i m p l ee q u i p m e n t ，a sw e l la st h ee a s yp o p u l a r i z a t i o n i nt h e s e d a y s ，r e s e a r c hf o c u s e do n t h ec a t a l y s ta n dr e a c t i o nz o n e t h i sp a p e rr e s e a r c ht h es c rs y s t e me q u i p p e df o ra6 0 0 m w c o a l - f i r e dp l a n t ， a n dw ed e s i g na l lt h ep a r t so fs c rs y s t e m ，i n c l u d i n gp r o c e s sd e s i g n ，e q u i p m e n t d e s i g na n dp r e s s u r ef a l lc a l c u l a t i o n i n aw o r d ，t h i sp a p e rf o c u s e so n ： ( 1 ) w em a k es u r et h es c rs y s t e m sp r o c e s sa n de v e r yp a r to ft h es y s t e m i n o r d e rt od e s i g nt h ee q u i p m e n tp a r to ft h es y s t e m ，w ed oo u rj o bo n e f o rd e s i g n i n g n h 3 z o n ea n do n ef o rs c rr e a c t i o nz o n e n h 3 一z o n ei n c l u d e dn h 3b a s i n ，a i r c o m p r e s s o ra n dn h 3e v a p o r a t o r a n di ns c r r e a c t i o nz o n ew ep a r tt h ez o n ef o rf l u e p i p ed e s i g n ，c a t a l y s tz o n ed e s i g n ，a i ga n ds o o tb l o w e rd e s i g n ( 2 ) w eu s e at oc a l c u l a t et h ep r e s s u r ef a l lb e t w e e nt h es c r r e a c t i o nz o n e f o r c a l c u l a t i o nw en e e dt od e p a r tt h er e a t i o nz o n et of i v ep a r t s ，i n c l u d i n gf l u eg a si n l e t p i p e ，a i gp i p e ，t r a n s i t i o np i p e ，c a t a l y s tz o n e a n do u t l e tp i p e t h i sw i l lh e l pu sk n o w t h et o t a lp r e s s u r ef a l la n dc a ns e tas t a n d a r df o rs c rs y s t e md e s i g n ( 3 ) w eu s ef l u e n ts o f t w a r et os i m u l a t et h ec o m p u t a t i o n a lh y d r o m e e h a n i c s i nt h eh e l po ft h i ss o f t w a r ew ec a nc h e c ko u rd e s i g nd o n eb e f o r e ，a n dw ec a n p r o v i d es o m em e a n st oi m p r o v eo u rd e s i g n k e y w o r d s ：s c rs y s t e md e s i g n ，p r e s s u r e f a l l ，f l u e n ts o f t w a r e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i l 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究目的和意义 氮氧化物对人体健康有不良影响，对肺部的刺激较大，尤其是对呼吸系统 刺激更加强烈，会加重呼吸系统有问题人士的疾病。长期暴露在氮氧化物中的 青少年，对其肺部的正常发育有伤害。有研究人员调查发现肺部病变可能是由 于长期的氮氧化物吸入导致的，但致病计量氮氧化物的浓度和暴露时间并未可 知。汽车尾气排放的氮氧化物以及工业锅炉排放的大量氮氧化物在紫外线的照 射下能与空气中的其他物质发生化学反应，生成对人体健康和动植物有害、降 低空气质量和大气能见度的烟雾，我们把这种烟雾叫做光化学烟雾。除此以外， 空气中的大量氮氧化物还会导致酸雨。 大气中氮氧化物主要来自于自然界的氮循环和工业释放两类。其中自然界 氮循环指的主要是植物代谢作用产生氮的化合物之间的相互转化，以及动物新 陈代谢过程产生的氮化合物，还有某些天气现象导致的氮元素的转化。工业释 放指的主要是工业生产过程中有些含氮燃料的热解过程中释放。 在世界范围内，我国的氮氧化物排放量都属于高水平。氮氧化物带给我国 的空气质量问题以及造成的酸雨破坏我国植被与建筑物，治理这类问题增加了 我国的环境成本，在一定程度上限制了城市的发展与工业化，对我国的经济也 有损害。因此，控制氮氧化物的排放势在必行，目前，我国政府已制定了许多 相关政策、法规及标准。 近年来，随着我国环保事业的发展，氮氧化物控制技术的迅速普及，国内 外对氮氧化物的控制指标要求日益严格，燃煤电厂为我国的氮氧化物污染贡献 巨大，在我国降低氮氧化物排放总量的过程中是必须要控制其排放水平的。选 择性催化氧化法( s c r ) 以其脱硝效率高、无副产物、装置简单、适宜推广等 特点被广泛应用于处理氮氧化物的废气。在现有阶段，s c r 研究主要包括催 化剂以及反应器。 本研究针对6 0 0 m w 机组所配置的s c r 脱硝系统，对系统的氨区与反应区 进行设计计算，对反应区进行尺寸计算和压降计算。并通过流体力学软件直观 第一章绪论 可视的显示设计值。 第二节氮氧化物排放控制技术 1 2 1 氮氧化物产生机理 在化石燃料燃烧释放的氮氧化物中，大部分为n o ，n 0 2 只占据1 0 左右。 氮氧化物的产生一般有热力型、快速型以及燃料型三种原理： ( 1 ) 热力型n o x 值多维奇解释了热力型n o x 的产生原因。可用反应式1 1 至1 3 表示。燃 烧时，氮气在高温下发生一系列反应，并且随着反应温度的升高反应的速率剧 烈升高，此时反生的是氮的一系列连续反应【，这个反应中当温度高于1 5 0 0 0 c 时，温度对反应速率的影响更加明显。 d 2 + 2 d 州 ( 1 1 ) o + n 2 n o 州 ( 1 2 ) + 0 2 n o 州 ( 1 3 ) 在高温下，发生以下总反应为： 2 + 0 2 营2 n o ( 1 4 ) 1 d + d 2 n 0 2 ( 1 5 ) ( 2 ) 快速型n o x 1 9 7 1 年，f e n i m o r e 通过实验发现快速型n o x 。他发现，快速型氮一般都 产生于反应物浓度过大的反应区。其机理为【2 】：碳氢化合物的在燃烧过程中， 会产生c h 基团，基团与空气中的氮气分子发生剧烈碰撞，产生h c n 和c n 基 团。同时，火焰燃烧过程中产生的大量。和o h 基团和h c n 、c n 基团发生碰 撞反应，最终生成n o 。此外，氨化合物( n h x ) 还大量存在于燃烧器中h c n 基团浓度很高的时候，快速n o x 还能通过n h x 与氧原子的碰撞反应生成。快 速型n o x 的生成原理如图1 1 所示。 第一章绪论 h c n ( c ) o o h ( 4 ) 【! h 【l h ：，【：h 3 【乏 图1 1 快速型n o x 生成原理 由图说明，在高温下碳氢化合物分解生成的c h 自由基与空气中氮分子碰 撞，生成h c n 和c n 基团的时间很短，其生成速率与温度没有直接关系，而与 炉膛的压力有关。 上述两种机理生成的氮氧化物都少量，不是燃烧过程中排放n o x 的主要来 源。 ( 2 ) 燃料型n o x 顾名思义，燃料型n o x 的产生来自于燃料在高温下的热解燃烧。一般的锅 炉中，燃料中氮的热分解所需温度都低于炉膛温度，温度高于6 0 0 0 c 时就会生 成燃料型的氮氧化物，这种类型的n o x 构成了工业燃烧过程中n o x 产物的主 体，比例占到了6 0 8 0 e 3 1 。不同燃料种类的含氮量分别列于表1 1 。 表1 1 不同燃料的含氮量 燃料种类含氮量 原油 0 0 5 o 4 减压残渣( 沥青)0 2 0 4 c 重油0 1 8 - 0 2 1 a 重油 0 0 1 3 0 0 15 汽油 0 0 1 2 0 0 13 煤油 3 0 0 0 ，对于光滑管( 铜、铝、铅等拉制管及玻璃管、塑料管 等) ，可用以下经验公式： 当3 1 0 3 ( r e ( 1 1 0 5 时 1 9 第二苹计算原理和方法 一 f = - 0 316 4 r e 加2 5 ( 2 4 ) 当3 1 0 3 r e 1 1 0 6 时 f = o 0 0 5 6 + 萨0 5 ( 2 5 ) 对于粗糙管( 钢管、铸铁管、陶料管以及管内积有沉淀物或遭受腐蚀的管) ， 可用以下经验式： 当在( 光滑管转变为粗糙管) 过渡区 f = 0 0 0 5 5 【1 + ( 2 0 x1 0 4 詈+ 】 ( 2 6 ) 当在完全湍流区 厂兰o 0 0 5 5 + 0 1 5 ( 三) j ( 2 7 ) 口 式中r 绝对粗糙度，m 三d 一管壁相对粗糙度，可由图2 2 查得。 翳疆d 图2 2 新管管壁相对粗糙度二图 d f 值亦可由图2 3 查得。 缮零 第二章计算原理和方法 - 穰 塌 疑 麓 图2 3 摩擦系数f 与雷诺数r e 及管壁相对粗糙度导的关系 q 2 1 2 局部压力降 哦= k 丢鲁 式中p k _ 局部压力降，k g c m 2 k 一局部阻力系数( 见表2 1 、2 2 ) ( 2 8 ) 第二章计算原理和方法 表2 1 管件的局部阻力系数( 湍流) 流至管内自管流出 旨 o 51 o ( 2 ) 0 流至管内自管流出 f 一) i i o 5 61 0 ( 3 ) ：) 2 c o s 2 (【k= 0 5 + 0 3 c o s a + q 驴 2 03 04 56 07 08 09 0 ko 9 50 9 1o 8 1o 7 00 6 30 5 60 5 0 ( 4 ) ( 挈) z 1 d b 00 10 20 3o 40 5o 60 70 80 9 o 唑i 厂 t 1 0 80 6o 50 3o 20 10 00 o0 o k a 0 014065694l 1 ( 5 ) ( 擘) z 0o 10 20 30 40 5o 6o 7o 8o 9 0 d s 第二章计算原理和方法 毪 0 o 40 40 30 30 20 2o 10 10 0 k a 0 5505050505 表2 2 焊接弯管阻力系数 呐， 曾 k 一 l u 一 _ j l ( - - 1 2 6 5 曾1 5 书 在工程上，经过多年的实际经验，通常还使当量长度计算法来将各种局部 压力降折算为相对长度的直管摩擦压力降来计算。 p ，+ 蛾= 6 3 8 x 1 0 1 3 f ( l + l k ) 形2 d 5 p ( 2 9 ) 式中l k _ 管道附件的当量长度( 见表2 3 ) 表2 3 管件附件折算成直管长度( 湍流) 2 4 第二章计算原理和方法 港村 餐- t - i 静袁豫 妊 毒 手；专| 专；l ； j | 2 ；o 母；3 ； ：5 ；6 ；# ：j ；： ； ；酶；l ；孙! o ；：善孳；让l 髓； lj 鼬! 托l “ 端 公痒矗轻。藏蛾 静辩 1 5 l “ 2 5 s ：；鹳；轴；铸 # 。 l 。；l 蕊 ：#龄。；：蟊 3 错i3 船 l s o ；l ：。 # ：e l t 5 0 i ；j 辩i ：辑i “特 i 鸯j g k：i 秘 ei 0 e 鑫霸。奢 ， 玑l $ ；“m l ，?：，i= 32 ，；2 #3 ： 3 + 3 z $ 璩# 鲁 特搿基r 。删飘 _ h 一；e 。j o ，t - 1 。7：。：# 2 s ；3 、 一 一 一一一一 一 蠢l 辫技懑 ，7e ：，蓦# $ ：l ，3j 2 ，婶0$ ，鎏 泌囊一 一 - * 一一 u k 月 f 一疆2 ? 6 # ” _ 、 一 _ 藏止辩 融嗣瀑 一i l 6i ：，?：7：s i s 。 、i ：黯抟? 拳e 也 嚣毫嚣、：瓤； 一一 一 一 2 。菇拈、?s ! 2 ，：e t 6 *w 一 一 一一 一 一一一 函 蝶嗣爨 e 10 。：e ：e 2# ，女，3e ，$ 1 0 $ 5t 碰# 霹一一一一 一 一一一 一 一 一 一一一一一o s e 程一 一 一一 拱裁粕 捷兰纛 u 一一一一一0 k 。 e t 嚷e 蜒“ 】i ci 01 i j 掣j 口i ，#j 11 1l ，lj 11 ：】。：1 2 l ，： 一一 一 女$ 十 $ e0 $ o 彰e e # ，o gj ei 01 i 。自1 j1 1 j 鞠 0。$4 簦 s ：i 5擎；。s 、 。5 东采 一 ； 一 ，n e i 瓦黔i 铸戡一 一 一一一 一_ “* 摇瓣融嚣 一 v t s0 2 s 55 建，4# 7s “建描i 9 ，甜，s $ ： ：、采辑，#，“? 2 t 一；一一 - h 一| 舢 h 7 、“s 鞋一i ；数、鹞，s3 $ 鞋4 s ?s 1 1 17 0 j 5 j j 6 ls #s 7。o 簟1 鼍 i ，嚣9 曩一 v ；卜一 一w 一一+r 1 9 妇f ，5 0 7 ；悄 22 2 t f ： 一| 一l ；7 1 0 i 鎏：# ；：9 ，3 # 囝墓警技 一 h 硅避瓣 k 害品 ；一2 一 ：采3 3 曩s 一； 。；l ；， 。i，。，；：1 1 曩： 2 3 01 $st7 3。l1 1 女 一l 。崩一e 。3 日 l i t ，! 毒，ldt t 一| 9 。i 一 。1 。l 。 l3 。；1 1 1 1 。 、。2 r r1 。 5 。l + 9 。 l 峨 o d ，e 瓠 锻 l0 0 20 ，e 3 3 3 0 避 呵 髓 砖技一 一 l 赢 簪l1i # $ ! e 。 ie 。 i ：；：。2 鬟：。 t i 7 ，e ；，童抟7 遗黛霉# 瓣霉捌球牛， 魁 | l i ； | ， 。j；。j 。l 。j 。， 弛 一 一l l 一 一i ； i ；“ 厂一 进 砖藐 一 1 1 表2 3 管件附件折算成直管长度( 湍流) 续 村 七l 案；寺i 鲁；i “ i 专；2 母；。54 5i # # ；l i ；i ii 量矗 $ i2 ；甜 拈l3 $ ：i4 i $ t i # 。 托| t 棼苹辩静最耘 磐糟：裔轻，馘咄 囊 雾 鹳 辨 2 ， ：2 ；o 。l ： $ 。l o 、：ij ：j ；i 5 ：，i ：i 。；：、；o i3 0 1 3 5 0 l o 。i 5 # o 6 0 0 i7 $ e l ，o ；l o s o l ；：9 ，扣 o o 扫s o #诣# 括l 喜 0j ：l ，5 。nj二1；：；i：i!0：一|：j：手：i：车：习：一霉：手：摹j：莩f：ii：i：j： 1 6 sl 女s 5 譬 i | 豁锻 0 0 0 b l ，j 入 l “ 舜铁一一一 蜜 罨墨矧墨翟2 矧l 专l1 矧：i 誊! 窨；李i 篆；篆；蓑! 篆i 享l 鼍墨 广_ 口 熬 4 扩 。l 一 太 ： 一 挣 零4 # l 寰 誊矧誊瓣蚓率撼末辎誉譬李捌 簏 毒l ， r 哥t 糖 争 i ， 蠢 菲 喜 0 ，$ i ：。 。，。| 。a 。， 5 ；5 i1 4 l + j2 | 2 2 + l i 。：；2 0 4 i2 7 ie。i1 。2 ；i 2 i1 2 ；| | 撩 士 “。j 轧4 e - 甜# 琏，! $ p 捧 磅 _ ， 案 d 誓 如 肄 ：罔：粹：悄 d 挺 3 # ： $ 5 0 r ， ；$ j ：2 i 3 3 - 1 5 。劫s 2 仫 搏 t 社 牟 d to st ei 1j s争l：+ l。2 ，?，e3 i3 ，7 1 。 - - - - 舞 dl 掩 一呛 释 28 079 ：强2 。# 蛩s ， 拧。弘皆字争1 卜 i 麓详：瓣摹鞫 麓3、7 ，s$ ，抽i 辩髀摇搿簧 鼗6 j，?；- 2 ，；l $ ? 第二章计算原理和方法 2 1 3 上升管静压压力降 = ( h 2 - h 1 ) p 1 0 4 式中p h - 上升管静压压力降，k g c m 2 h 2 、h l 一管段始端和终端标高，m 2 1 4 加速度压力降 峨= 筹加。4 式中ap v 一加速度压力降，k 锄2 在进行气体管路压力降计算时，因气体密度较小， 度压力降可以忽略不计。 2 1 5 管路总压力降 纰= 1 1 5 ( 嵋+ 叱+ 蜴+ 罅) 式中p 广管路的总压力降，k c m 2 1 1 5 一富裕量 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 上升管静压力降和加速 第二节反应器二维数值模拟 2 2 1 f l u e n t 软件介绍 ( 2 1 2 ) c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件又名计算流体力学软件，现在被广 泛应用于分析流场、解算流场控制方程和预测流场流动状态的软件。c f d 软件 能直观可视化地体现流动状态，计算流动进程，并可以自由地更正设计参数， 为设计的合理与规范做出一定的贡献。运用c f d 的数值模拟，把我们从以前庞 大的计算量和计算时间中解放出来，使我们能迅速全面的掌握流动状态，为设 计提供指示作用，为我们节省了大量的前期工作和计算工作。 通常来讲，c f d 软件应用于以下三个方面：数据前处理，计算和生成结果。 2 6 第二章计算原理和方法 前处理过程通过建模、导入数据、生成网格等过程会生成计算模型所必需的数 据；导入模型后，就由c f d 解算器( s o l v e r ) 完成相应的计算任务；后处理指 的是解释生成的结果数据并通过直观图形表现出来。 c f d 软件中f l u e n t 以其独特的优点，成为使用较为广泛的一种软件， 一般运用于流体的建模与计算。f l u e n t 解算器的原理是可分为结构化与非结构 化，通过有限容量原理，在并行处理中的独立性能表现良好。对于普通计算方 法解算吃力的复杂物理化学现象，f l u e n t 可以根据客户需要自由地选用合适 的方程离散方法和控制方程求解格式，从而高效解决模型问题，并使计算速度、 稳定性和精度都达到要求。 f l u e n t 软件优点有： l 、f l u e n t 软件采用有限体积法进行计算，有限体积法使用非结构化网 格进行划分，f l u e n t 使用梯度算法进行计算，网格节点和网格单元是最小的 计算面积；对于定常和非定常的流动都可以使用f l u e n t 软件来进行模拟，新 版f l u e n t 还新增了快速非定常的流动状态模拟内容。 2 、运用f l u e n t 软件来解算流体运动的边界层非常快速。使用者仅仅需 要初始化网格并设定好壁面边界条件，剩下的工做f l u e n t 能自动通过网格计 算器来完成，这是f l u e n t 软件所独有的动变网格计算技术以及局部网格重 生技术。该软件通过三种方式进行网格变形，包括弹簧压缩、动态铺层及局部 网格重生。应用这些强大的网格技术，f l u e n t 可以解决各种非结构化网格构 成的流体、运动过程中形变较明显以及物体无规律运动，运动状态完全由流动 状态决定的各种流体运动问题； 3 、f l u e n t 软件的网格支持功能非常强大，可以计算的网格有流动边界 不连续网格、混合流动网格、动变网格以及滑移网格等。而且，f l u e n t 软件 对网格的计算还具有自适应性。 4 、f l u e n t 软件对流体问题的求解过程采用耦合显隐式以及非耦合隐式 的计算方法，基本是最全的求解计算算法。 5 、f l u e n t 软件内置了各种流体计算所需的物理模型，使得用户能够方 便地模拟流体的各种流动状态。例如，在f l u e n t 流动模型的湍流模型中，就 包含s a 模型、k - e 模型、k 模型、雷诺应力模型、大涡模拟模型等。最新版 本的f l u e n t 还包含了分离涡模型和v 2 f 模型等。除了其内置的模型外，用 户还可以自由添加自己设计的流动模型。 2 7 第二章计算原理和方法 6 、f l u e n t 软件使用c 语言编写，能大大降低了计算机计算能力与存储 空间的消耗，节省的计算时问。软件还提供了u s e r - f r i e n d l y 的用户界面，和二 次开发的接口。 基于上述思想，该流体计算软件基本可以适用于各个领域的流动模拟，应 用f l u e n t 软件我们能够模拟流动、传热、传质、反应以及各种复杂的物理现 象，而且，软件之间可以应用统一的网格生成技术，这样一来就大大方便了用 户。 计算流体力学在近十年发展迅速，在c f d 应用于较为复杂的流动、换热、 混合和化学反应的预测之前，我们仅仅只是凭借经验或者半经验公式对流体进 行计算。而c f d 软件在流体分析中的应用，使得我们对复杂物理化学现象的分 析更加准确。本文中对于s c r 烟气脱硝过程，借助于c f d 软件，我们可以模 拟s c r 反应器内流体的流动特性，以及烟气与氨气的混合特性，一来可以深刻 地理解s c r 脱硝反应机理，二来对s c r 反应器的优化设计也能提供一定的指 导作用。 2 2 3 流场数值模拟 2 2 3 1 湍流模型的选择 工程应用中s c r 反应器内烟气的数值模拟据目前发表的文献【4 5 4 6 1 来看， 一般都使用雷诺平均模拟。由于流场特点，本文的流体适用于标准k 吒模型。 k 吨模型的概念由朗德和斯帕丁提出，其方程有两个，一个是湍流状态下流 体动能方程，即k 方程；另一个是湍流状态下流体动能的耗散率方程，即方 程。 。k 2 1 i2 口一 占 ( 2 1 3 ) 公式2 1 3 表明，湍流状态下流体的的粘度与k 的平方成正比，与成反比。 其中c “是经验值。 因此，k 吒方程可以写为： 掣i - 掣：眦丝) 婺】+ g 。+ g b 一胆一+ s k ( 2 1 4 ) o t 呶i o x io k 呶 第二章计算原理和方法 掣十掣=砉+丝t7)罢】慨丢(g蚝g6)_咖譬幢(215)kjot o x ；m ； kk 式中，c 1 - 1 4 4 、c 2 = 1 9 2 ，c u = 0 0 9 ，o k = 1 0 ，o e = 1 3 2 2 3 2 控制方程 标准k - e 模型控制方程的通用表达形式为【4 7 】： 掣+ d i v ( 肛) ：d i v ( r g r a ，2 d 矽) + s ( 2 1 6 ) 式中p 是气体或者液体流体的密度，t 代表时间，为通用变量，u 为速 度矢量，r 为广义扩散系数，s 为广义源项。 控制方程的形式，具体到质量、动量和能量方面就可以做如下表述。 质量守恒方程可用下述内容表述：一个流体微元在单位时间内，质量的增 加等于在该段时长内外部流体流入该体积内的质量。质量守恒方程可由式2 1 7 来表示： 誓+ 熹( 肛沪o a 勰i ”“ ( 2 1 7 ) 式中，p 是流体密度，t 是时间，u i ( i _ l ，2 ，3 ) 为x y z 轴上速度的分量。 动量守恒定律指的是单位体积中流体的动量对时间求导，结果等于外界作 用在该单位体积上的合力。动量守恒方程也称运动方程，或者n s 方程，具体 形式如下： 去c 朋弘毒c 肛i u j ) = - - 考+ 专湫考+ 警卅昭，” 。2 m ， 式中，p 为静压，u 是流体介质动力粘度，p g i 、f i 是重力体积力和其他体 积力。 流体的流动过程中，若是伴有热传导和热交换，就必须要遵守能量守恒定 律。能量守恒指的是单位体积的流体，其能量的增加等于外界流入该体积的热 量以及外界合力对其做的功。 其具体形式如下： 去c ，+ 毒c 肛刀2 毒c 虿k 瓦c o t ，+ 豇 。2 舯， 第二章计算原理和方法 式中c d 为比热容，t 是温度，k 是流体热传递系数，s t 为粘性耗散项。 适当的数学变形，可以把控制方程转化为普通的微分方程，并通过计算方 程，来求得流体的流动方程及传热方程。 2 2 3 2 离散控制方程 划分合适的网格才能进行离散过程，离散的物理量存储在网格的节点中， 在系统进行离散化的过程中，网格是至关重要的一部分。网格的疏密程度、网 格的类型、网格的划分方法，都是在对模型进行数值计算过程中必须认真考虑 的部分。 在本文中，设置研究对象模型为二维s c r 脱硝反应器，在二维网格的划分 过程中，网格单元有四边形、三角形、四边形和三角形混合等。 有限元法、有限差分法、有限体积法等都是常用的对控制方程进行离散的 方法，在c f d 领域，本文在离散控制方程时，采用的是有限体积法。其基本思 想剐4 8 】：将计算区域划分为网格，保证每个网格点周围有一个互不重复的控制 体积，将要求解的控制方程对每一个控制体积进行积分，从而得出一组离散方 程。有限体积法计算效率高，能充分利用计算机内存能力，适用范围广。 有研究指出【4 9 】：离散格式指的是离散控制方程时，用不同的节点物理量的 差值来求解控制界面上的物理量及其导数，有限体积法常用的离散格式有中心 差分格式、一阶- - 阶迎风格式、混合格式、指数格式、乘方格式和q u i c k 格 式等，以上的离散格式可通过表2 4 来比较其性能。在本文的设计中，根据前 人经验，我们是采用绝对稳定的一阶迎风格式来离散控制方程。 表2 4 常见离散格式 稳定性及 离散格式精度与经济性 稳定条件 中心差分格式条件稳定在不发生震荡的参数范围内，可以获得较 p e 2准确的结果 一阶迎风格式绝对稳定虽然可以获得物理上可接受的解，但当p e 数较大时，假扩散较严重。为避免此问题 常需要加密计算网格 第二章计算原理和方法 混合格式绝对稳定当p e 2 时，性能与一阶迎风格式相同 指数格式、乘方格式绝对稳定主要适用于无源项的对流扩散问题。对有 非常数源项的场合，当p e 数较高时有较大 误差 二阶迎风格式绝对稳定精度较一阶迎风格式要高，但仍有假扩散 问题 q u i c k 格式条件稳定可以减少假扩散误差，精度较高，应用较 p e s ：_ 8 3广泛，但主要应用于六面体或四边形网格 2 2 3 3 控制方程的求解 对流体进行数值计算也就是对控制方程进行计算。计算方法有耦合式和非 耦合式两种。很多研究人员都使用耦合半隐式算法来计算控制方程。这种算法 也被称为s i m p l e 算法，s i m p l e 方法使用猜测修正的步骤来解算控制方程， 当计算结果不收脸的时候，使用修正值重新进行运算，直到最后计算达到平衡， 得到收敛解【5 0 1 。 在本文中，s c r 系统反应器内的流体控制方程的计算就采用该种算法。 第三节本章小结 本章确定了6 0 0 m w 燃煤电站s c r 烟气脱硝设备进口段和喷氨段的压力降 计算方法，介绍了f l u e n t 软件，并确定了对反应器进行二维数值模拟的基本 方法。 压力降分为管内摩擦压力降、局部压力降、上升管静压力降、加速度压力 降。其中对于气体，上升管静压力降和加速度压力降太小，可以忽略不计。在 计算中，本文把s c r 反应器划分为进口烟道、喷氨烟道、过渡烟道、催化剂层 和出口烟道，对这些部分分别进行压降计算。 反应器的二维数值模拟包括控制方程的离散和求解，控制方程包括质量守 第二章计算原理和方法 恒、动量守恒和能量守恒，在本文中，控制方程的离散方式选择一阶迎风格式， 控制方程的求解使用s i m p l e 算法。 第三章s c r 烟气脱硝系统设计及阻力分析 第三章s c r 烟气脱硝系统设计及阻力分析 本文中s c r 系统的设计工艺图如图3 1 所示。 图3 1 液氨为还原剂的s c r 脱硝工艺流程图 槽车 运氨槽车把液氨送至液氨储罐处，由泵把液氨储罐内的液氨输入蒸发器内。 在氨蒸发器中液氨被蒸发为氨气，接着被送入氨缓冲罐备用。缓冲罐内的氨气 与稀释风机送来的空气混合成含氨5 ( 体积分数) 的混合气体，通过喷氨隔 栅喷入s c r 系统的喷氨烟道中，然后被输送至s c r 系统的催化剂层，在催化 剂的作用下氨气与n o x 发生氧化还原反应，生成n 2 与h 2 0 。 本章对s c r 系统的设计部分分为两个部分，一部分为氨区设计，另一部分 为s c r 反应器设计。 第一节s o r 烟气脱硝系统整体布置及氨消耗量计算 s c r 反应器内包括烟道、导流板、注氨格栅、整流器和催化剂层。反应器 为直立设计的焊接钢结构容器，内部还有必要的支撑结构来支撑催化剂层。并 达到规定的抗压、抗震、抗热应力设计等。本文中采用3 层催化剂，2 用1 备， 以此提高脱硝效率并延长催化剂的使用寿命。s c r 反应器置于锅炉之后，主要 有高温高尘布置，高温低尘布置和低温低尘布置三种形式，如图3 2 所示： 第三章s c r 烟气脱硝系统设计及阻力分析 锅炉 锅炉 锅炉 图3 2s c r 工艺流程布置示意图 高温高尘布置：布置在锅炉省煤器之后空气预热器之前，优点是【5 1 】烟气温 度高至3 0 0 5 0 0 摄氏度，这个温度窗口可以保证多数的催化剂的催化活性。从 锅炉出来后的气体不必进行加热就能保证s c r 反应所需温度。缺点是烟气含尘 量高，s c r 催化剂耗损严重。脱硝反应的催化剂使用时间受到以下因素影响： 1 ，飞灰中钾、钠、钙、砷等金属使得催化剂发生碱金属中毒现象；2 ，烟气中 的飞灰磨损催化剂并使催化剂孔道堵塞；3 ，若烟气温度过高的情况下，催化剂 若是烧结，会造成催化剂浪费和脱硝效率下降。 高温低尘布置：烟气从省煤器出来之后，直接进入高温电除尘装置内，经 除尘后再进入s c r 系统。脱硝后烟气进入空预器。该布置方式中，因为催化剂 已通过电除尘，因而烟气中含尘量小，但是高温烟气对电除尘器设备有害。 低温低尘布置：优点是烟气中含尘量大大降低，s c r 催化剂的磨损程度降 低，而且经过了湿式脱硫法，催化剂还不会受s 0 3 等气态毒物的影响，延长了 催化剂的使用寿命。缺点是经过湿式脱硫的烟气温度降低，仅有5 0 度左右，一 般需用对烟气进行加热升温。这样一来，就消耗了大量能量，基建费用和成本 3 4 第三章s c r 烟气脱硝系统设计及阻力分析 大大增加。 工业应用中通常使用第一种布置。 在工程设计中，氨消耗量对液氨储罐、压缩机、液氨蒸发器、s c r 系统烟 道设计、喷氨系统等的设计都有重要影响。 工程计算中，主要以式1 9 和公式1 1 0 作为脱氮的主要反应，并以此为基 础，根据烟气量、n o x 排放浓度、脱硝效率进行氨消耗量的计算。 锅炉技术协议规定s c r 入口的n o x 排放浓度为4 0 0 m g n m 3 ( 标准状态、干 烟气、0 2 = 6 ，以n 0 2 计) 。 s c r 反应器入1 2 湿烟气流量w ：4 7 2 6 8 7 8 m 3 h ，s c r 入口标准干烟气量为 1 8 3 0 9 8 8 m 3 h ，s c r 入口n o x 浓度( 干态，空气过量系数1 4 ，0 2 = 6 ) 为 4 0 0 m g n m 3 。s c r 入口n o x 浓度( 干态，空气过剩系数1 2 ) 为4 6 6 6 7 m g n m 3 。 s c r 设计脱硝效率为5 0 ，氨逃逸率不大于3 p p m 。 ( 1 ) 炉膛出口烟气中n o 和n 0 2 浓度的计算： c n o = c n o x x 0 9 5 x1 3 4 2 0 5 c n 0 2 = c n o x x 0 0 5 式中c n o x 、c n o 、c n 0 2 烟气中n o x 、n o 、n 0 2 的浓度m g n m 3 ( 标准状 态，实际含氧量下的干烟气) 0 9 5 、o 0 5 - n o 、n o x 在炉膛出口烟气中占n o x 的体积比例 1 3 4 - n o 的体积分数( p p m v ) 转为质量浓度( m g n m 3 ) 的系数，由n o 的分子量3 0 除以气体摩尔体积2 2 4 2 0 5 - n 0 2 的体积分数( p p m v ) 转化为质量浓度( m g n m 3 ) 的系数，由 n 0 2 的分子量4 6 除以气体摩尔体积2 2 4 ( 2 ) 氨消耗量的计算 = c 等+ 譬淼警m 其中，w a 一纯氨的消耗量k g h v q 一反应器进口的烟气流量n m 3 h ( 标准状态，实际含氧量下的干烟气) c n o 、c n 0 2 一反应器进口烟气中n o 、n 0 2 浓度m g n m 3 ( 标准状态，实 际含氧量下的干烟气) 1 7 、3 0 、4 6 - n h 3 、n o 、n 0 2 的分子量 第三章s c r 烟气脱硝系统设计及阻力分析 耗量的比值 加：堑+ 且f 鱼+ c u 0 2x 2 ) 其e e q n o x 为脱硝效率， 丫a _ 氨逃逸率，p p m v ( 标准状态，实际含氧量下的干烟气) 将锅炉保证的n o x 排放浓度视为n o x 浓度( 以n h 3 计) 计算氨消耗量 c 加： 1 4 x 矿4 0 0 ( 1 2 2 - z - 4 3 m g x 0 9 5 x 3 _ 2 _ 0 = 2 8 9 1 3 ， c d = 矿2 z4 3 2 2 4 c d 2 ：1 4 _ x4 - 0 0 o05：2333x0 32 33 3 9 n m 3 d 22 i u 2 。 聊= 而5 0 + 3 = o 5 1 2 6 聊2 而+ 2 2 4 ( 掣+ 2 3 3 3 2o 1 2 6 形=c孚+坚蒜罢mx2)301 04 6 1 0 4 。 o o 。 ： 1 8 3 0 9 8 8 x 2 8 9 1 3 x 1 7 + 1 8 3 0 9 8 8 x 2 3 j 3 3 x 一1 7 x 2 0 5 1 2 63 0 1 0 。4 6 x 1 0 0 。 3 2 1 氨的选择 第二节氨区设计 液氨：使用液氨的优点是运输成本低，缺点无水液氨属于危险化学物品， 具有爆炸性和可燃性，其运输贮存和使用需要按照危险化学品运输贮存使用规 范执行。因此，使用液氨的时候需要重点注意安全问题，氨区的设计也需要使 用化工行业的技术规范，设计的过程中要考虑到防火、防暴设计。氨区一般都 要采取双水路供水喷淋系统，储氨罐要设置双安全阀等来保证安全。 氨水溶液( 质量浓度2 5 ) ：优点是较液氨来说，氨水更为安全，缺点是 用量大，运输成本高。 3 6 第三章s c r 烟气脱硝系统设计及阻力分析 尿素水溶液( 重量浓度4 5 ) ：优点固体原料适于长途运输，贮存没有特 殊要求。但是由于以氨水作为氨的来源时，需要的氨水量巨大，运输成本高。 3 2 2 氨的运输和贮存 通常，我们使用符合安全要求的特殊槽车来运送氨，运送到目的地后，使 用卸料压缩机把槽车中的氨打入液氨贮罐中。 3 2 2 1 液氨贮罐 在本文中，氨区的贮罐有两个，体积均为3 5m 3 ，形式为水平卧式。这两 个贮罐能够提供6 0 0 m w 电站一周的还原剂需求量。每个储罐都设置了双安全 阀、液位计、温度计、压力表等监控设备。主要液氨管道配备了止回阀及安全 阀，以避免出现氨气超压泄漏或爆炸等问题。贮罐的安全保护有喷淋水系统和报 警系统。 氨在常温下的沸点很低，所以在常温下要使氨成液态，需要一定的压力。 同时因其易燃性和腐蚀性，对储存罐有一定的特殊要求。 液氨贮槽是一密闭中压容器，一般压力为1 6 个大气压，主要由温度决定。 液氨贮存在密闭的空间中，有一部分