近年来,随着我国工业化进程的不断加剧,焦炉烟气排放的污染物对环境破坏愈发地严重。随着绿色经济倡导和环保意识的提高,焦炉烟气排放标准也在不断提高,选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)烟气脱硝系统由于其脱硝效率高、氨逃逸量小、操作简便、安全等优点,现已成为我国主要的烟气脱硝工艺技术,且SCR烟气脱硝反应系统已广泛地应用于焦化行业中。由于SCR脱硝反应系统塔身结构、催化剂结构和喷氨格栅结构等设计和选型的局限,造成SCR脱硝反应系统内部流场和浓度场的不均匀,导致反应系统催化剂和内部各部件使用寿命缩短,以及整体脱硝效率的低下。因此,为了提升SCR脱硝反应系统的脱硝效率,有必要对反应系统内流体的流动特性进行分析且对内部部件的结构进行优化。本文采用数值模拟方法,对SCR脱硝反应系统进行研究。对系统和系统催化剂内流动特性的研究,首先通过实验验证了采用k-ε模型和多孔介质模型模拟宏观和细观条件下催化剂流场的准确性,然后在细观层面下研究了不同高度的催化剂层产生的阻力随进口速度的变化,并计算得到阻力关系式,然后在宏观层面下,基于阻力关系式计算出催化剂宏观结构数值模拟所需的粘性阻力系数和惯性阻力系数,最后建立催化剂多尺度间的数据传递关系。对于喷氨格栅的研究,首先通过实验验证了采用k-ε模型和组分输运模型对反应系统内流场和浓度场进行数值模拟的准确性,然后分析了喷氨格栅喷口结构参数对SCR脱硝反应系统内流场和氨浓度场的影响;最后基于响应曲面法,以反应系统内氨浓度分布不均匀系数为优化目标,对SCR脱硝反应系统内喷氨格栅的结构参数进行了优化,最后得到了最优的喷氨格栅结构参数和运行参数。结果表明:(1)细观尺度下,随着风速增加,催化剂阻力变化趋势与Ergun方程一致。本文基于Ergun方程的基本形式结合催化剂细观模拟阻力值进行拟合,得到蜂窝状催化剂的阻力计算关系式。由此式计算得到宏观多孔介质的粘性阻力系数值和惯性阻力系数值,从而为宏观尺度模拟提供指导。宏观尺度下,本文选取了多孔介质进口风速分别为v=3.6 m/s、v=4.0 m/s、v=4.4 m/s和v=4.8 m/s的四种工况进行数值模拟。结果显示,数值计算结果与实验结果均是阻力值随进口风速增大而增大。且宏观和细观条件下催化剂阻力模拟值与实验值的最大误差为8.6%。得到的结论与实验值的趋势保持一致,既证明了蜂窝状催化剂阻力计算公式是可信的,也证明了本文使用的基于CFD的催化剂宏观和细观相结合的多尺度数值模拟方法的正确性。(2)将阻力计算公式应用在不同种类催化剂宏观多孔介质参数选取中,结果得到催化剂细观三维模型和宏观多孔介质模型的数值模拟结果趋势一致,最大误差为12.8%。证明了本文中得到的SCR蜂窝状催化剂阻力计算公式应用在不同种类催化剂上的可行性并且该公式针对于不同结构催化剂的阻力计算具有实际推广价值。(3)通过对SCR脱硝反应系统进出口的压力损失和温度变化进行了实验测试,将实验与模拟二者之间得到的结果进行对比,发现其中最大误差在11.8%以内,说明采用k-ε模型对SCR脱硝反应系统的流场进行数值模拟是完全可行的;并将反应系统脱硝效率的实验测试结果和反应系统内氨浓度分布不均匀系数的模拟结果进行对比分析,发现二者之间存在着负增长的定性关系,说明氨浓度分布不均匀系数值的大小可定性的表示出反应系统整体脱硝效率的高低。(4)通过数值模拟得到,增大格栅的喷口密度,能够有效的提升氨浓度的均匀性,但氨浓度分布不均匀系数并不是一致性的减小,喷口密度过大时,氨浓度均匀性会降低;随着格栅开孔率的增大,氨浓度分布不均匀系数呈先增大后减小的趋势;随着格栅喷口角度的增大,氨浓度分布不均匀系数呈逐渐递减的趋势。(5)通过响应曲面法分析可知,喷口密度N,开孔率ψ,喷口角度α及入口风速v对氨浓度分布不均匀系数都存在着一定影响,其中影响的显著性为N>α>v>ψ。在本文研究中存在着一组最优的喷氨格栅结构参数和最佳的系统运行参数能够使SCR脱硝反应系统内的氨浓度分布不均匀系数达到最优值,该值为0.0151。喷氨格栅最优的结构参数分别是:r=8个、d=57 mm、α=90°,系统最佳的运行参数为v=8.17 m/s。