摘 要

氮氧化物(NO_X)是主要的大气污染源之一，大量排放的氮氧化物会引起雾霾、光化学烟雾及酸雨等灾害性天气现象，对人、动植物、建筑物和环境带来显著的危害。

水泥、热力发电及其它涉及高温燃烧的行业都是NO_X排放的主要源头。随着我国绿色发展理念的提出，氮氧化物的减排控制也愈来愈严格。目前，选择性催化还原法(SCR)烟气脱硝技术因其成熟和高效性在国外得到了广泛应用。但SCR的相关技术研究多集中在热力发电等行业，对于水泥行业的SCR研究不论是低温催化剂配方还是SCR反应器设计都相对较少。

本文将针对这一热点问题，结合国内外研究成果，以日产5000吨水泥熟料的水泥窑炉为研究对象，设计研究适用于水泥厂的SCR脱硝反应器，通过对SCR反应器内的烟气流动情况、氨喷射等过程进行模拟和分析，达到SCR系统优化设计的目的，为我国的SCR烟气脱硝系统的设计工作提供参考依据。

论文利用FLUENT软件，选用湍流模型、多孔介质模型对SCR反应器的流场进行模拟计算，研究流场的均匀性：运用组分输运模型和离散相（DPM）模型模拟氨与烟气的混合过程，研究喷氨格栅布置位置、喷口数量对氨气与烟气混合均匀性的影响。通过设置相对标准偏差系数来检验设计的反应器催化剂层入口截面的烟气速度和氨气的浓度分布是否满足工业设计要求。根据反应器内流场特点设计导流板进行优化，以达到改善流场的目的。

模拟结果表明，圆弧形弯道设计的反应器的流场有良好的均匀性，氨与烟气的混合程度与喷氨格栅的布置位置和喷口数量等因素有关。合理的导流板设计，能够消除回流现象，使流场分布更均匀。

关键词：选择性催化还原；数值模拟；水泥窑；脱硝反应器

Abstract

Nitrogen oxides (NOX) is one of the main sources of air pollution, a lot of nitrogen oxides can cause haze, photo-chemical smog and acid rain and other severe weather phenomena, which do great harm to human beings, animals and plants, architecture and environment.

Cement, thermal power generation and other high-temperature combustion industries are the main source of nitrogen oxides emissions. With the introduction of the concept of green development, control of emissions of nitrogen oxides are also more stringent. Currently, selective catalytic reduction (SCR) flue gas denitrification technology has been widely used in many foreign countries because of its maturity and efficiency. However, related technology research on SCR more concentrated in thermal power generation and other industries, the research on SCR catalyst formulations or SCR reactor system designs in cement industry are relatively less.

This dissertation will focus on this hot issue, combined with the research results at home and abroad，5000-tonne cement kilns as a research object,design SCR reactor for cement kilns. Through simulating and analyzing the gas flow,ammonia injection in SCR reactor,achieving the purpose of optimizing the SCR system to provide reference for the design of our SCR flue gas denitrification system.

Turbulence and porous model has been selected for simulating the flow field in the SCR reactor to study its uniformity while component transport and DPM model to research the fluence that the position of grid and the number of injection have to mixing ammonia with flue by FLUENT. The relative standard deviation coefficient has been set to verify whether the gas velocity and the concentration of NH₃ meet requirements of industrial design.According to the feature of the flow field in the reactor,baffle has been designed to improve the flow field.

The simulation results show that the uniformity of reactor flow field with arc-shaped curve is well.The concentration of NH₃ has something to do with the position of grid and the number of injection. Reasonable designed baffle would eliminate the phenomenon of reflux and make the flow field more uniform.

Key Words:SCR;numerical simulation;cement kilns;denitrification reactor

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 水泥窑炉中NO_X的生成机理 1

1.3 水泥窑炉中NO_X的控制技术 3

1.3.1 低氮燃烧技术 4

1.3.2 选择性非催化还原技术 5

1.3.3 选择性催化还原技术 5

1.4 烟气SCR脱硝研究现状 6

1.4.1 烟气SCR脱硝技术工业应用现状 6

1.4.2 数值模拟在烟气SCR脱硝中的应用现状 7

1.5 课题研究的内容及意义 8

第2章 SCR反应器模型的建立 9

2.1 影响SCR脱硝系统运行效率的因素 9

2.1.1 反应器内的催化剂 9

2.1.2 反应器内的温度 9

2.1.3 烟气停留的时间和空速 9

2.1.4 烟气与NH₃的混合程度 10

2.1.5 氨氮比及氨逃逸量 10

2.2 SCR反应器流场数值模拟的数学模型 10

2.2.1 湍流模型 10

2.2.2 壁面函数 11

2.2.3 组分输运模型 12

2.2.4 多孔介质模型 13

2.2.5 离散相模型 13

2.3 SCR反应器几何模型的建立及边界条件 13

2.3.1 烟气量的计算 13

2.3.2 空速、催化剂载体体积及入口速度的计算 15

2.3.3 SCR反应器几何模型 15

2.4 流场模拟条件和步骤 15

2.4.1 SCR反应器流场的数值模拟条件 15

2.4.2 SCR反应器的数值模拟步骤 16

2.5 SCR反应器流场评价指标 16

2.6 本章小结 17

第3章 SCR脱硝反应器的数值模拟及结果分析 18

3.1 SCR反应器内数值模拟结果 18

3.1.1 流场速度分布 18

3.1.2 流场温度分布 19

3.1.3 流场压力分布 20

3.2 NH₃与烟气的混合 20

3.2.1 喷氨格栅所处位置对NH₃浓度分布的影响 20

3.2.2 喷氨格栅结构对NH₃浓度分布的影响 22

3.3 空速对流场均匀性的影响 23

3.4 SCR反应器流场的优化 24

第4章 结论与展望 29

4.1 结论 29

4.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 引言

氮氧化物（NO、NO₂等，简称NO_X）是化石燃料燃烧产生的主要大气污染物之一，其中NO和NO₂所占的比例超过90%^[1]。NO_X通过污染源头排放至大气中后，经过一系列的物理和化学反应作用，会产生很多的环境污染问题。

在大气中NO_X很容易与水和氧气反应生成硝酸，硝酸是酸雨的重要贡献者。酸雨对农林业的损害相当严重，可引起农作物和林木枯萎，产量降低，且随着污染物质的扩散可危及广大地区。高浓度的NO_X对呼吸系统有强烈的刺激性；NO_X通过光化学反应产生光化学烟雾，光化学烟雾对人的眼睛和呼吸系统有很强的刺激性。在城市上空中，NO_X可以转化形成PM10和PM2.5，这些细颗粒物能在空气中漂浮很长距离，对人体肺部带来严重危害。此外，NO_X可以破坏无数的臭氧分子,导致臭氧层的减少，使紫外线辐射得以到达地球表面。研究表明，人类皮肤癌、免疫系统的抑制、极端天气、水陆生物系统的恶化都可能与此有关。可以看出，NO_X会直接或间接地对人、动植物、建筑物和环境造成显著的危害。

“十二五”期间，水泥工业年均增长3%以上，2015年国内水泥需求量为22亿吨左右。通常情况下，生产1吨水泥将消耗0.64吨熟料，按照1.584千克氮氧化物/吨^[2]，熟料的产污系数测算，水泥行业2016年氮氧化物的产生量将达到240万吨，是2010年排放量的1.36倍。NO_X排放量的控制已引起了很多国家的重视，欧美等发达国家都制定了严格的限制NO_X排放的法规和标准。我国环保部门相继出台了一系列政策和排放控制标准，如GB50529-2008水泥厂设计规范规定：水泥厂焚烧废弃物NO_X排放量应小于500mg/Nm³；GB4915-2012水泥工业大气污染物排放标准规定：水泥窑NO_X排放量应小于500mg/Nm³特殊地区要求小于200mg/Nm³。实现水泥行业NO_X减排，不仅符合我国十八届五中全会提出的“十三五”绿色发展理念，更对水泥企业将来的发展有重要的意义。

1.2 水泥窑炉中NO_X的生成机理

煤燃烧过程中NO_X的生成量和排放量与煤的燃烧方式有关，特别是与燃烧温度和过剩空气系数等燃烧参数关系密切。通常情况下，煤燃烧生成的NO_X中，NO占90%以上，NO₂占5%左右。此外，还可能含有少量的N₂O，约只占1%左右。从生成机理来看，NO_X主要分为三种：热力型NO_X(Thermal-NO_X)、燃料型NO_X(Fuel-NO_X)和瞬时型NO_X(Prompt-NO_X)^[3]。