（化学工程与技术专业论文）烟气脱硝结构化催化剂与反应器的数值模拟.pdf

学位论文数据集 i y 18 7 7 l i i l l l l l l l 洲1 1 1 l l 洲 中图分类号 t q 0 1 8 学科分类号 0 8 1 7 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 l1 1 5 5 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名温翠萍学号2 0 0 8 0 0 0 1 5 5 获学位专业名称化学工程与技术获学位专业代码0 8 1 7 课题来源国家自然基金研究方向烟气脱硝反应模拟 论文题目 烟气脱硝结构化催化剂与反应器的数值模拟 关键词s c r ，结构化催化剂，构件优化，孔道形状，传递和反应特性 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 3论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师雷志刚教授北京化工大学化学工程 评阅人l刘辉教授北京化工大学化学工程 评阅人2吴卫泽教授北京化工大学化学工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员蝴季生福教授北京化工大学工业催化 答辩委员l刘辉教授北京化工大学化学工程 答辩委员2黄崇品研究员北京化工大学化学工程 答辩委员3朱吉钦副教授北京化工大学化学工程 答辩委员4刘清雅副教授北京化工大学化学工程和环境催化 答辩委员5北京化工大学 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 ， 摘要 化催化剂与反应器的数值模拟 摘要 用氨气做还原剂的选择性催化还原( s c r ) 方法具有很好的有效性、 选择性和经济性，因此在烟气脱硝技术中被广泛应用。在此技术中，结构 化催化剂由于能够提供多方面的优点而得到应用，如压降低、外比表面积 大、不易聚积灰尘，尤其是蜂窝堇青石结构化催化剂。本文建立三维s c r 结构化催化剂与反应器的数学模型，使用f i i 心t 软件进行数值模拟。 为了使s c r 流动系统内流场更加均匀和控制氨气泄漏，考察了s c r 流动 系统的内构件和气体混合行为之间的关系，并对s c r 流动系统的内构件 进行了优化。结构化催化剂的结构对s c r 脱n o 的传递和反应特性有着 重要的作用，因此本文对传统颗粒填充床反应器和五种孔道形状、两种类 型的蜂窝堇青石结构化催化剂的传递和反应特性进行了全面的对比。 首先，在s c r 流动部分加入导流构件可以提高速度分布的均匀性， 但对n h 3 浓度的分布不利。因此，研究了四种喷嘴直径( 如1 o n u n 、1 5 m m 、 2 o n u n 和混合直径) 的喷氨格栅( a i g ) ，并且发现喷嘴a 3 、a 4 、b 3 和 b 4 的直径为1 o m m ，其它喷嘴直径为1 5 m m 的混合喷嘴直径对于n h l 浓度的分布是最合适的。在s c r 反应器部分，蜂窝式堇青石催化剂、孔 道为平行排列的板式催化剂和孔道为十字交叉排列的板式催化剂的两层 催化剂之间的合适的空间长度分别为l o o 衄、l o o o l 砌和1 2 m m 。因此， 在节省s c r 反应器空间方面十字交叉的孔道布置排列优于平行排列的孔 北京化工大学硕士学位论文 道布置。 其次，通过对传统颗粒填充床反应器和两种类型的结构化催化剂的传 递和反应特性的对比得出，结构化催化剂比传统颗粒填充床反应器拥有较 低的压降和较高的有效因子，并且涂层催化剂看上去比挤出催化剂更适合 于s c r 的脱n o 过程。 最后，通过对结构化催化剂五种孔道形状的传递和反应特性的对比得 出，圆形孔道拥有最好的传热与传质，但是在涂层催化剂中烟气脱硝过程 为化学反应为控制，因此正三角形孔道拥有最高的n o 转化率。所以，正 三角形孔道在以后的烟气脱硝涂层催化剂设计和优化中更值得关注。 关键词：s c r ，结构化催化剂，构件优化，孔道形状，传递和反应特性 h a b s t r a c t s e l e c t i v ec a t a l y t i cr o d u c t i o n ( s c r ) w i t l la m m o n i ai st h em o s tw i d e l y u s e dd u et oi t s e f f i c i e n c ms e l e c t i v 时a n de c o n o m i c si n t l l en u e g 弱 d e n i t r i f i c a t i o nt e c l l l l o l o g i e s i nt h i st e c l u l o l o g ms t m c t u r 。dc a t a l y s ti su s e dd u e t ot 1 1 es e v e r a la d v a i l t a g e st h e yo f l 札1 i k el o wp r e s s u r ed r o p ，h i 曲e x t e m a l g e o m e t r i c s u m c ea n dr e s i s t a i l c et 0 d 印o s i t i o n 0 fd u s t ， e s p e c i a l l y h o n e y c o n 曲- l i k e c o r d i e r i t es t m c t l l r e d c a t a l y s t i n t h i s 咖d 弘 t h e t h r e e - d i m e n s i o n a ls c rs t r u c t u r e dc a t a l y s ta n dr e a c t o rm o d e lw 弱e s t a b l i s h e d ， a n ds i m u l a t i o nw a sd o n eb yu s e df l u e n ts o 胁a r e t 1 1 e r c l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ei n t e n l a l so fs c rn o ws y s t e ma n dm i x i n gp e 响锄a n c ew a s i n v e s t i g a t e df o rm a 虹n gt h en o wu n i f o m i t y 觚dc o n 臼0 1 1 i n ga n 珊o n i as l i p ，a n d t h ei n t e m a l so fs c rn o ws y s t e mw e r eo p t i m i z e d t l l e c o n f i g u r a t i o no f s t n l c t l l r e d c a t a l y s t h a s p r o m i n e n ti n n u e n c e o nt r a n s f e ra 1 1 dr e a c t i o n p e r f o m a n c e so fs c rf o rn or e m o v a l t h e r e f o r e ，t h i ss t l l d yp r o v i d e sa c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o n o ft r i m s f e ra n dr e a c t i o n p e r f o 咖a n c e s f o r 仃a d i t i o n a lp e l l e tp a c k e d - b e dr e a c t o ra n dt w o t y p e so fs t m c t u r e dc a t a l y s t sw i m f i v ek i n d so fc h a l l n e ls h 印e s f i r s t l 弘i nt h es c r n o w s e c t i o n ，锄觚g i n gt h en o w g u i d e di n t e m a l sc a n 北京化工大学硕士学位论文 i m p r o v et h eu n i f o m l i t yo fv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n b u ti su n f i w o r a b l ef o rt 1 1 e _ - u n i f o m 蚵 o fn h 3c o n c e n t m t i o nd i s 劬u t i o n t h e r e f o r e ， m e黜o n i a i 巧e c t i o n 鲥d s ( a i g ) w i t hf o u r 虹n d so f n o z z l ed i 锄e t e r s ( i e 1 o m m ，1 5 砌1 2 o i 啪a n dm i x e dd i 锄e t e r s ) w e r ei n v e s t i g a t e d ，a n di ti sf o u n dt h a tt h e 触g w i t hm i x e dn o z z l ed i 锄e t e r si nw h i c ha 3 ，a 4 ，b 3a i l db 4n o z z l e s d i a m 戗e 瑙 a r e1 o i n ma n do m e rn o z z l e s d i 锄e t e r sa 1 e1 5 n l i ni st 1 1 em o s tf a v o i a b l ef - 0 r t h eu n i f o m i t yo fn h 3c o n c 删i o nd i s 仃i b u t i o n i n 也es c rr e a c t o rs e c t i o n t h e 印p r o p r i a t es p a c el e n g t hb e 觚e e n 锕oc a t a l y s tl a y e r si s a _ b o u t1o o 删咀， 10 0 0 n l 】ma n d12 i i l 】 i l 氨时 h o n e y c o m b l i k ec o r d i 舐t ec a t a l y s t ，p l a t e - t y p e c a t a l y s t s w i t h p a r a l l e l c h a l l n e l a r r a n g e m e n t ， a n dw i mc r o s sc h 籼e l 锄加g e m e n t ，r e s p e c t i v e l y t h e r e f i o r e ，t h e c r o s sc h a n n e la n a n g e m e n ti s s u p e r i o rt o t h ep a r a l l e lc h a n n e la m m g e m e n ti i ls a v i n gt h es c rr e a c t o r v o l u m e s e c o n d l mt h ec o m p a d s o n so ft r 刁l n s f e ra n dr e a c t i o np e r f o m l a n c e sf o r t r l d i t i o n a lp e l l e tp a c k e d b e dr e a c t o ra i l d 咖t y p e so fs t r u c t i l r e dc a t a l y s t sw e 他 i n v e s t i g a t e d ni sf o u n dt h a ts t n l c t i l r e dc a t a l y s th a sam u c hl o wp r e s s u r ed r o p a n dh i g he 虢c t i v e n e s sf a c t o rt h a n 旬隐d i t i o n a lp e l l e tp a c k e d - b e dr e a c t o r a n d c o a t i n gc a t a l y s ts e e m s1 1 1 0 r es u i t a b l em a i le x t m ( 1 e dc a t a l y s tf o rs c r f o rn o r i 暑m o v a l t h el a s t ，t h ec o m p a d s o n so fn a n s f i e ra n dr e a c t i o np e r f o m a n c e sf o rf i v e b n d so fs t n j c m r e dc a t a l y s tc h a m l e ls h a p e sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d a l t h o u 曲 r o u n dc h a l l i l e lb r i n g st h eb e s t h e a ta i l dm a s st r a 皿s f e r ，t r i a n 9 1 ec h 锄e lo f g a sd e n i t r i f i c a t i o n k e yw o r d s ：s c r ；s t m 咖e dc 砌y s t s ；o p t i m i z 撕o no fi n t e m a l s ；c h a n n e l s h a p e ；t r a n s f e ra n dr e a c t i o np e r f o 姗a n c e s v 目录 目录 1 1 1s c r 技术的反应原理。2 1 1 2s c r 技术的主要反应2 1 2s c r 脱硝技术的工艺设计3 1 2 1s c r 系统中的导流板与混合器3 1 2 2 喷氨格栅5 1 3 结构化催化剂6 1 3 1 结构化催化剂的结构：6 1 3 2 结构化催化剂的分类及选择7 1 4s c r 系统中的数学模型8 1 5 本课题研究的意义及主要内容9 第二章s c r 流动系统内部构件的优化l l 2 1 模型描述1 1 2 1 1s c r 流动模型1 1 2 1 2s c r 催化剂模型1 3 2 2 网格无关性和模型可靠性的验证1 6 2 2 1 网格无关性的验证1 6 2 2 2 模型可靠性的验证。1 6 2 3 优化模型对气流分布的影响1 9 2 4 喷氨格栅结构的优化：2 1 2 5 催化剂层间结构的优化2 4 2 6 本章小结3l 第三章结构化催化剂的传递特性3 3 3 1 模型描述3 3 3 2 实验验证3 6 3 3 热量传递3 8 3 3 1 结构化催化剂内温度的分布4 0 3 3 2 径向有效导热系数4 2 3 3 3 努赛尔特数4 4 3 4 质量传递4 7 3 4 1 结构化催化剂内浓度的分布4 7 3 4 2 修伍德数4 9 3 5 动量传递5 l 3 6 本章小结5 3 第四章结构化催化剂的反应特性。5 5 i l 1 2 一 一 北京化工大学硕士学位论文 4 1 坦克莱准数5 5 4 2 有效因子5 6 4 3n o 转化率5 9 4 4 本章小结6 1 第五章结论与建议6 3 5 1 结论6 3 5 2 建议6 4 参考文献6 5 致谢一7 l 研究成果及发表的学术论文7 3 作者和导师简介：7 5 v i i i l ：! ：! ：1 1 2t h e p r o c 懿sd 髓i 盟0 fs c rd 硒丘c 撕0 n “融m o l o 蹦3 1 2 1g l l i d ep l a t t 洛a n ds t a 缸cn l i x e ri i ls c r 趵r s t e m 3 1 2 2a - n 撇0 i l i ai n j e c t i o n 霉r i d 5 1 3s 仃u c t u r e dc a t a l v s t s 一6 1 3 1t h es t n 】c t l l l eo fs 臼飞【c t l l l e dc a t a l v s t s 6 1 3 2c a t e g o r ya n ds e l e c t i o no fs t l l l c t u r c dc 删y s t s 7 1 4m a n l 锄a d c a lm o d e li ns c r 删a n 8 1 5p u r p o s ea i l dc o n t e n to f l es h l i i y 9 c h a p t e r2o p t i l n i z a t i o n o fi n t e r n a l si ns c rn o w s y s t e m 1 1 2 1m o d e ld e s c r i l ) t i o n 。11 2 1 1s c rn 0 、m o d e l 。l1 2 1 2s c rc a t a l 、r s t 埘1 0 d d l3 2 2v 甜i d a t i o no f 酣di n d e p 锄d 锄雅dm o d dr e l i a b i l 时。l6 2 2 1v a l i d a t i o no f 鲥di i l d q ) e i d e n c e 。1 6 2 2 2v 砒i d a 垃o n0 fm o d e lr e l i a b i l i t 、，16 2 3h l n u 即c eo fo p t i m a lm o d e lo nn o wd i s t r i b u t i o n 19 2 40 l p t i m i z a t i o no f a i gs t l l l c t l l 陀2l 2 5o p t i i l l i z a ：t i o no fs 缸u c t l l r eb e t w e e nc a t a l y s tl a y e f s 2 4 2 6s u m m a r yo f n l ec h a p t e r 31 c h a p t e r3t i r a n s f e rp e r f o r m a n c e so fs t r u c t l l r e dc a t a l y s t s 3 3 3 1m o d e ld e s c r i p t i o n 3 3 3 2e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n 3 6 3 3h e a tn a n s f e r 一3 8 3 3 1t e r n p e r a m r ed i s t r i b u t i o ni n 曲m c 删c a t a l y s t s 4 0 3 3 2r a d i a le f r e c t i v eh e a tc o n d u c t i 讥t y 。4 2 3 3 3n u s s e l tn 啪b e r 4 4 3 4m a s st 1 肌s f e f 4 7 3 4 1c o n c e n n j a t i o nd i s t r i b u t i o ni ns 缸1 j c t t l i e dc a t a ：i v s t s 一4 7 3 4 2s h e n 7 l r o o dn u m b e r 一4 9 3 5m o m e n t l 玎柏臼? a n s f e r 5 l 3 6s u m m a r yo f t l l ec h a p t 盯5 3 c h a p t e r4r e a c 廿o np e r f o r m a n c e so fs t n i c t l l r e dc a t a l y s t s 5 5 北京化工大学硕士学位论文 4 1d a i 】 1 k o l l l e rm m l b e r 5 5 4 2e 任- e c d v e n e s sf h c t o r 5 6 4 3n oc o n v e r s i o n 5 9 4 4s ：1 1 【1 1 a r yo f m ec h a p t e r 一6 l c h a p t e r 5c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 6 3 5 1c o n c l u s i o n s 6 3 5 2s u g g e s t i o n s 6 4 r e f e r e n c e s 6 5 a c k n o w l e d g m e n t s 7 l r e s e a r c hr e s u l t sa n d p u b s h e dp a p e r s 7 3 i n t l o d u c t i o no fa u t h o ra n dt l i t o r 7 5 x 符号说明 符号说明 ，m ? 度，l c r n 0 1 i n - 3 因子，m 。1 定压比热容，j l 【矿1 k 1 定容比热容，j k g 1 k - 1 n h 3 摩尔分数的相对标准偏差 坦克莱准数 扩散系数，m 2 s 。1 有效扩散系数，m 7 s 。1 孔道的当量直径，i n l n 孔道的边长，m m 球形颗粒催化剂的直径，m m 格雷兹数 传热因子 传质因子 反应速率常数，s 1 特定的反应速率常数，s 1 特征长度( 如涂层体积与流体和固相的界面面积之比) ，m m 分子质量，k g m o l d 努赛尔特数 压力，p a 普朗特常数 气体常数，j m o l k - 1 径向距离，m m 反应速率，k m 0 1 m 3 s 。1 。 雷诺数 涂层壁中反应速率的平均值，k m 0 1 m 3 s 1 在涂层壁外表面的温度和浓度下的反应速率值，k m 0 1 1 n 3 s 1 g 眈 嘶比矗席矗如七厶m m p 丹r ， c 2 i 北京化工大学硕士学位论文 砌 丁 幻 “ 所 i 此w a l l z 希腊字母 r s p 仃 f k 8 铀 缈 呀 h m 心 下标 g f s 修伍德数 温度，k 壁厚，衄 气体速度，m s - l 气体组分的分子扩散体积，m 7 m o l 1 氨气摩尔分数的平均值 壁面上气体的质量分数 轴向距离，m m 方程( 1 8 ) 中的传递特性 方程( 1 8 ) 中的传递系数 方程( 1 8 ) 中的源项 气体密度，k g i n - 3 标准偏差 催化剂的曲折因子 分子粘度，k g m - 1 s 。1 径向有效热导率，w m 1 k 1 多孔介质的孔隙率 填充床的空隙率 球形系数 有效因子 反应热，j m o l 。l 多孔板的厚度，m m 压降，p a 气相 组分( f 为n o 、n h 3 、0 2 、h 2 0 和n 2 ) 固相 第一章文献综述 一章文献综述 随着经济的不断发展，g d p 的逐年上升，我国对煤和石油的需求与消耗大幅度地 增加，所带来的代价是，这些化石燃料在燃烧过程中释放出的污染物带来了严重的环 境问题，如近几年酸雨的屡见不鲜，城市空气污染严重等，这些环境问题迫使我们着 手研究燃料洁净的技术。其中燃煤氮氧化物排放控制与脱除技术是近2 0 年来国际上 研究的热点。有关资料显示，在我国某些地区氦氧化物已经取代硫化物成为酸雨的主 要来源。因此，如果不加紧治理氮氧化物排放控制与脱除问题，则脱硫所取得的成果 将被大大削弱【l 卅。根据我国可持续发展战略，必须从长远角度考虑、立足国情，开发 适应不同规模的氮氧化物排放控制与脱除技术。因此，研究开发高效、廉价、易于工 业化的氮氧化物排放控制与脱除技术显得相当重要。 氮氧化物脱除技术可分为湿法和干法。湿法脱硝虽然很有效，但是由于系统的复 杂性，以及此过程需要消耗大量的水并存在水污染问题，因此很少应用在燃煤锅炉上。 目前，干法脱硝起着重要作用，其中以n h 3 作为还原剂的选择性催化还原( s c r ) 技 术由于脱氮效率高、没有副产物、装置结构简单、可避免二次污染、运行可靠、便于 维护而得到广泛应用瞪培】。1 9 7 7 年利用选择性催化还原法( s c r ) 进行烟气脱硝技术 首先在日本开始商业化应用，随后从8 0 年代中期开始，在几年时间里迅速在日本、 西欧、美国等国家的电站得到了应用，而在我国，利用s c r 进行烟气脱硝的工作则 刚刚起步f 9 】。虽然氨法s c r 技术已经发展了几十年，但由于各方面理论研究的欠缺， 使得这项技术并没有达到完善的程度，对它的研究仍处于探索研究阶段。而目前国内 应用的s c r 技术几乎都是通过从国外引进整套技术和设备的方法，对它们的工艺流 程和运行特性并不是完全掌握，这对s c r 技术在国内的发展都将不利，因此必须加 快国内氨法s c r 技术的自主开发。 整个s c r 系统可以分为两个部分：由流动导流构件和喷氨格栅组成的流动部分， 以及装有几层整体催化剂的反应部分。催化剂是s c r 反应过程的关键部分，它的催 化性能将直接影响s c r 系统脱硝效果的好坏；催化剂的更换与装填量的多少更是s c r 系统经营成本的主要来源。结构化催化剂具有几何面积大、床层阻力小、成本低、高 活性、可以克服烟气粉尘堵塞等优点，对其研究比较关注。其中，蜂窝堇青石结构化 催化剂又可分为两种：。一种是涂层催化剂，即先在堇青石表面上涂敷一层载体涂层， 再将活性组分浸渍到涂层中；另一种是挤出催化剂，即堇青石、载体和活性组分混合 在一起的多孔介质型催化剂。 北京化工大学硕士学位论文 1 1s c r 脱硝技术 1 1 1s c r 技术的反应原理 传统s c r 烟气脱硝原理为：在催化剂作用下，向一定温度( 约2 5 0 4 5 0 ) 的 烟气中喷入还原剂，还原剂有选择性地将n 0 还原成无毒无害的n 2 和h 2 0 。其中以 n h 3 作为还原剂【9 ，1 0 1 ，v 2 0 5 w 0 3 仍0 2 为催化剂，在一些国家已得到了广泛应用。n h 3 可以是纯氨( 液氨) ，也可以是氨水。此法的缺点是n h 3 的刺激性大，泄漏过多会造 成环境的再次污染，因此喷入n h 3 的量必须进行严格的化学计量，将其排放体积分数 控制在5 p p m 以下；液氨的运输、贮存和释放系统也需严密监控，以免发生泄漏事故 而造成危险。 氨法s c r 的吸附、反应及脱附过程如下【1 1 】( 见图1 1 ) ：当烟气和氨气进入s c r 流动系统内的反应器时，首先氨气通过主体气相扩散到催化剂的外表面，然后再由外 表面向催化剂的微孔内扩散，最后被吸附在催化剂的活性中心上；而氮氧化物和氧气 从气相扩散到吸附态氨气的表面后，三者发生还原反应，生成n 2 和h 2 0 ；n 2 和h 2 0 通过微孔扩散到催化剂的外表面，再由外表面扩散到气相主体。 1 1 2s c r 技术的主要反应 图1 1s c r 的过程 f 喀l - 1m 即c 嚣so f s c r s c r 的化学反应有很多副反应，因此比较复杂，催化剂的作用是降低反应活化能， 使反应温度可降低到2 5 0 4 5 0 之间，反应如下【5 1 2 】： 4 n 3 + 0 2 专4 n 2 + 6 h 2 0 i 4 n h 3 + 6 n o 哼5 n 2 + 6 h 2 0 、 4 n h 3 + 2 n 0 2 + 0 2 3 n 2 + 6 h 2 0 2 ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 第一章文献综述 8 n h 3 + 6 n 0 2 寸7 n 2 + 1 2 h 2 0( 1 q 反应( 1 1 ) 为最主要的反应，因为烟气中的绝大部分氮氧化物为n o 。在不使用催化 剂的情况下，当温度在9 8 0 左右时这些反应才能进行，通过选择合适的催化剂，可 以使反应温度降低到适合电厂实际工况的应用范围。 在反应条件发生变化时，会有以下反应发生： 钋m 3 + 3 0 2 2 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 - 5 ) 2 n h 3 n 2 + 3 h 2 0( 1 6 ) 4 n h 3 + 5 0 2 专4 n 0 牛6 h 2 0 ( 1 - 7 ) 当温度高于3 5 0 时上述反应( 1 6 ) 、( 1 - 7 ) 才能进行，温度只有达到4 5 0 以上才能 剧烈反应。在通常的选择性催化还原工艺中，反应温度常常被控制在3 0 0 以下，这 时仅有副反应( 1 5 ) 发生。 1 2s c r 脱硝技术的工艺设计 传统的s c r 系统主要由烟道、喷氨系统和催化剂反应器构成，其中催化剂入口 截面上气体速度和浓度分布的均匀性对脱硝效率有很大的影响。蔡小峰等人提供了美 国a e ss o m e r s e t 电厂的s c r 系统刚1 3 】，如图1 2 。如果气速分布不均，催化剂内在 速度过高的地方容易被冲蚀和磨损，在速度过低的地方容易造成积灰和堵塞，这将会 影响催化剂的寿命和脱硝效果；而气体浓度分布不均匀则会使得选择性催化还原反应 不充分，降低氮氧化物的转化率，并且氨气泄漏量增多，造成环境污染【1 4 1 。因此，为 了保证在催化剂入口截面上气体速度和浓度分布的均匀性，应当优化设计导流板、混 合器和喷氨系统的结构及分布。国际上，一般将气体速度和浓度分布的标准偏差分别 控制在1 5 和1 0 以下。 1 2 1s c r 系统中的导流板与混合器 从图1 2 的s c r 系统图中可以看出，若烟道中不添加导流板，其结构简单，但是 会造成烟气速度场分布非常不均匀。导致这种现象的主要原因是气体经过烟道转弯处 时，将改变流动方向，由于惯性的作用从而导致整个流体各处的压强变得不相同，根 据伯努利方程，压强高的地方则流速低，压强低的地方则流速高，烟道中的速度场分 布就不再均匀，因此烟道中添加导流板等整流装置是不可缺少的。 徐妍，李文彦【1 5 】设计了4 种不同结构的导流板，如图1 3 ，并设计了5 个方案进 行模拟分析，得出采用直形导流板和弧形导流板相结合的布置方案可以使得烟气与氨 气混合更充分，烟气在反应器内分布也更均匀，并且符合对s c r 反应器入口烟气速 度的要求。陈海林【坫】通过对流场进行模拟，得出在烟道转弯处添加导流板可以使烟道 北京化工大学硕士学位论文 内速度场分布更加均匀。添加的导流板数目越多，流场分布越均匀，然而s c r 系统 内的压降也会相应地增大。 图l - 2 美国a e ss 伽坝葛c l 电厂6 7 5 m ws c r 系统 f 塘1 - 26 7 5 m ws c rs y s t e mo f u s aa e ss 伽勰tp o w 盯p l 蛆t ( a ) 直形导流板 ( a ) s 昀i 曲tg l l i d e p l a t e 4 ( b ) 弧形导流板 ( b ) 觚- s h a p eg i l i d ep l a t e 第一章文献综述 ( c ) 直弧形导流板( d ) 直弧直形导流板 ( c ) s 缸面g h t - a 啪g u i d ep l a ：t e( d ) i g h t - a 坞蚰面g h tg i l i d ep l a 绝 图1 3 四种不同形状导流板结构 f i g 1 - 3m a i gs 仇l c t u o f f o 盯d i ts h a p s c r 系统中安装混合器也可改善烟道中烟气的速度场和浓度场分布，其中对氨气 与烟气的混合尤为重要。混合器一般安装在氨喷射系统的上方，当烟气流经混合器时， 流动方向发生转变，容易形成涡流，增大了流体的湍动程度，使得氨气与烟气的混合 更加均匀。目前，国际上已经开发了多种混合器，如丹麦托普索公司的星形混合器、 美国巴威公司的板式静态混合器以及b a b c 0 c kp o w 既公司的“三角翼”静态混合器等。 然而在实际应用中，还应配合喷氨系统来选择。 1 2 2 喷氨格栅 s c r 系统中的氨气与来自送风机的空气充分混合后，通过喷氨系统( 一般是喷氨 格栅灿g ) 喷入s c r 系统中，与烟气混合后流经烟道进入催化剂部分进行反应。喷 氨格栅设计对于s c r 系统中浓度的均匀分布具有重要作用，其主要分为三大类型【1 6 】： “( 1 ) 采用大直径喷嘴配合涡流式静态混合器使用的喷射技术，一般喷嘴个数和静态 混合器的片数一样，总量只有几个。( 2 ) 线性控制式喷氨格栅，如图l - 4 ( a ) ，沿着烟 道的两个相互垂直的方向或者其中一个方向分别引若干根管子，每根管子上又设置若 干个喷嘴，每根管子的流量可以不用调节，也可以单独调节，以匹配烟气中n o x 的 含量。( 3 ) 分区控制式喷氨格栅，如图1 4 ( b ) 。把烟道截面分成2 0 3 0 个大小相同的 区域，每个区域有若干个喷射孔。每个分区的流量可以单独调节，以匹配烟气中n o x 的分布。”第一种类型必须配合静态混合器使用，且结构比较简单，可设计的方案较 少。第三种类型，结构复杂，不利于设计，在应用中也不方便。第二种类型，易于用 软件来优化设计，在模拟中应用较多。周丽丽旧在s c r 系统中添加了导流板、静态 混合器和喷氨格栅，采用正交设计的方法得到了s c r 系统的优化模型，速度分布更 加均匀，但浓度分布反而不如空白模型的均匀。 北京化工大学硕士学位论文 ( a ) 线性控制式喷氨格栅( b ) 分区控制式喷氨格栅 ( a ) l i n e 盯c o n 臼la i g( b ) z i o n ec o n 臼la i g 图1 - 4 喷氨格栅的结构 f i g 1 - 41 ks 衄比t u o f 触g 1 3 结构化催化剂 催化剂在s c r 系统中的地位是举足轻重的，它的催化及反应性能直接关系到烟 气脱硝的效率。催化剂的失活是影响催化剂寿命的一个关键因素，它的更换更是s c r 系统运行费用最主要的来源。最初开发的s c r 催化剂形状基本都是颗粒状的，现在 为了防止催化剂内被粉末堵塞，减少压力的损失，而采用蜂窝状或平板状催化剂【1 8 】。 并且最近的研究【1 9 - 2 4 】也报道了结构化催化剂( 也叫做整体催化剂) 在气固或多相反应 中起着越来越重要的作用，这是因为它们与传统的颗粒填充床反应器相比有着以下优 势：压降低、通量大和易于过程放大等。 1 3 1 结构化催化剂的结构 催化剂通常由基材、涂层载体和活性组分构成。基材起着承载涂层和活性组分的 作用，并为参与反应的气体提供合适的流体通道。结构化催化剂的传递和反应性能 很大程度上是依赖于基材材料及基材的几何结构的，现在工业上常用的基材包括：陶 瓷f 2 5 。2 羽、金属【2 9 3 3 】和堇青石【3 4 。3 8 】。其中，早期的基材多用陶瓷，但陶瓷和堇青石的 径向导热系数较小，反应器接近绝热操作，因此不适于反应放热或吸热