SCR煙氣脫硝系統(tǒng)模擬優(yōu)化及噴氨量最優(yōu)控制研究

羅光明

摘要：隨著目前我國對于環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，當(dāng)前對于火電機(jī)組排放的NOx已經(jīng)進(jìn)行嚴(yán)格的管控，我們?nèi)绾窝邪l(fā)出具有高效、可靠的煙氣脫硝技術(shù)已經(jīng)是一件十分重要的事情。當(dāng)前在大氣污染中影響最為關(guān)鍵的因素是氮氧化物，它的形式是多樣化的，并且對于煤碳以及石油、天然氣等物質(zhì)在燃燒時釋放出來的氮氧化物高達(dá)百分之九十左右，這些釋放出來的氮氧化物可以在大氣當(dāng)中產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而污染環(huán)境，對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，比如出現(xiàn)酸雨等現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：煙氣脫硝；系統(tǒng)模擬優(yōu)化；噴氨量

引言：

對于SCR煙氣脫硝系統(tǒng)來講，在進(jìn)行實際操作過程當(dāng)中，其反應(yīng)器內(nèi)部對應(yīng)區(qū)域的氮氧化物分布是不均勻的，并且對應(yīng)的氮氧化物摩爾比都是不相同的，對于有些區(qū)域的供氧量過大，必然導(dǎo)致在一定的程度上提升了其運作成本。相關(guān)的研究人員構(gòu)建了一套關(guān)于SCR脫硝相對應(yīng)的反應(yīng)器流場冷態(tài)實驗裝置，這種裝置可以有效的將脫硝反應(yīng)以及對應(yīng)的煙道流場進(jìn)行分析和了解，并且在這一個基礎(chǔ)上建立了有效的脫硝數(shù)學(xué)模型，提出了關(guān)于相關(guān)物質(zhì)分布不均勻的模擬分析建議，使用具有信息化的模擬方法對不同環(huán)境之下的運作進(jìn)行研究，并且對有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行合理化調(diào)節(jié)，根據(jù)模擬的結(jié)果我們可以知道，裝設(shè)傾斜的對應(yīng)導(dǎo)流板可以改善煙道的煙氣流場。

一、當(dāng)前SCR脫硝技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r探討

近些年來，隨著火電機(jī)組煙氣排放量的不斷增多，煙氣中含有的NOX物質(zhì)已經(jīng)被嚴(yán)格的監(jiān)控起來，因此我們在諸多情況都使用催化還原法來進(jìn)行改善，這種方法也是當(dāng)前SCR煙氣脫硝效率最高的方法，能夠達(dá)到百分之九十左右，并且這項技術(shù)的可靠性比較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)較為簡單，逐漸應(yīng)用于各大燃煤電站中。

當(dāng)前我國對于SCR脫硝技術(shù)過程中對應(yīng)催化劑在不同的方向展開了研究和分析。對于某電廠選擇性催化還原法脫硝裝置未設(shè)反應(yīng)器和省煤器旁路，采用 2 層蜂窩催化劑，催化劑運行中的溫度大約為 310度～420度左右，并且我們在使用蒸汽吹灰或者聲波吹灰的時候，使用液氨作為還原劑。氨氣來自于氨區(qū)液氨制備系統(tǒng)，通過氨空混合器將氨氣與稀釋風(fēng)機(jī)提供的空氣按照體積濃度為6%的比例進(jìn)行調(diào)配，然后通過噴氨支管經(jīng)噴氨格柵注入反應(yīng)器。噴氨系統(tǒng)內(nèi)部有噴氨母管以及 8 路噴氨支管，在每根支管中都設(shè)有手動流量調(diào)節(jié)閥。脫硝反應(yīng)器入口煙氣具體參數(shù)詳情見圖表1。

二、存在的不足之處以及問題探討

為了能夠在一定程度上使得NOx的排量可以達(dá)到燃煤電廠最低的要求，我們在沒有增加第三層脫硝催化劑的時候，可以使用增加噴氨量對NOx的排放濃度進(jìn)行控制，但是在實際運行過程當(dāng)中，根據(jù)檢測儀表測量得出SCR反應(yīng)器出口煙道處與煙囪入口處的NOx質(zhì)量濃度有著很大的偏差，最高可以達(dá)到28mg/Nm3。

我們經(jīng)過一系列的分析可以知道，具體的原因主要包括：在SCR反應(yīng)器中NO與氨氣兩者混合不均勻，無法充分接觸，從而使得SCR反應(yīng)器出口煙道處的NOx質(zhì)量濃度分布不均衡。并且在煙道入口處的NOx在經(jīng)過一段的時間，內(nèi)部的NOx在整個煙道截面上分布較為均衡，那么對于煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)所得出的SCR反應(yīng)器出口煙道處和煙囪入口處的NOx兩者的質(zhì)量濃度有著一點的偏差，具體如圖2所示，從圖2中我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)組在進(jìn)行百分之百運行的時候，NO的質(zhì)量濃度偏差此時最為嚴(yán)重。

三、對于SCR脫硝系統(tǒng)的入口煙道處進(jìn)行模擬優(yōu)化

在當(dāng)前SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計以及運行兩者的關(guān)鍵主要是在于如何盡可能的保障煙氣流動場以及溫度場兩者均勻分布，從而可以保障設(shè)計要求的脫硝效率并且降低氨氣逃逸量，由于多數(shù)電廠存在省煤器出口到SCR煙氣脫硝反應(yīng)器入口處之間的煙道設(shè)計與布置都十分緊湊且有兩個直角拐彎，致使煙氣速度和溫度分部不均勻，難以保證煙氣與氨氣的均勻混合。在SCR裝置中加裝導(dǎo)流板能夠有效改善彎道內(nèi)的流場，因脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不盡相同，因此導(dǎo)流板的選擇與布置要根據(jù)具體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計而定。同時，由于SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且體型巨大，難以對于已投運的脫硝系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究或采用常規(guī)搭建試驗臺的研究方法進(jìn)行研究，這樣研究難以達(dá)到滿意的結(jié)果，既不現(xiàn)實也不經(jīng)濟(jì)。

3.1 流場數(shù)值模擬方法

對于計算流體力學(xué)來講，它是一種通過計算機(jī)來對流體流動、熱傳遞以及化學(xué)反應(yīng)等問題來進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬的，從而可以分析出流場內(nèi)各個位置中的一些基本物理量分布，我們可以通過數(shù)據(jù)模擬的方法來對流場進(jìn)行一定的分析計算以及預(yù)測，通常我們在進(jìn)行解決問題的時候大致分為三個步驟：（1）前處理，通過前處理軟件對計算域劃分網(wǎng)格，將問題轉(zhuǎn)化為求解器可以接受的形式；（2）求解，求解器讀取前處理生成的文件，設(shè)置相應(yīng)的求解模型和參數(shù)，就可以完成相應(yīng)的計算任務(wù)；（3）后處理，主要是對以計算收斂的結(jié)果繼續(xù)處理，得到直觀清晰便于交流的數(shù)據(jù)和圖表。

3.2 SCR入口煙道流場的優(yōu)化

由于煙氣在反應(yīng)器當(dāng)中的停留時間會直接影響到脫硝的效率。若是煙氣在反應(yīng)器中停留時間恰當(dāng)時，就能夠與還原劑在催化劑微孔內(nèi)進(jìn)行充分的反應(yīng)，從而提高脫硝效率。若煙氣停留時問過長，容易產(chǎn)生還原劑NH3副反應(yīng)發(fā)生，并且容易造成煙道的積灰，從而降低脫硝效率，影響整個系統(tǒng)的運行。因此SCR系統(tǒng)要合理設(shè)計煙氣流速，我們需要在進(jìn)行設(shè)計時要求煙氣通過催化劑的速度控制在5M/s之內(nèi)。

其次我們還可以改善SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)的流場。比較成功的方法就是在煙道中加裝導(dǎo)流板和整流格柵，有研究表明煙道內(nèi)加裝弧度直邊導(dǎo)流板是最為有效且合理的方法之一，由于其結(jié)構(gòu)布置不同，導(dǎo)流板的布置方案也不同。通過科學(xué)合理地布置導(dǎo)流板，能夠有效的減少流體流經(jīng)彎道時的分離現(xiàn)象，同時也減小二次流帶來的阻力。因此，應(yīng)用數(shù)值模擬方法對SCR反應(yīng)器入口煙道及其內(nèi)部導(dǎo)流板、整流格柵的布置進(jìn)行模擬分析，改善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置，優(yōu)化流場提高脫硝性能。

3.3 SCR脫硝的混合模擬優(yōu)化過程

在SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中煙氣與還原劑NH3兩者混合的均衡程度，會直接影響到催化劑層內(nèi)出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，并且也在一定的程度上影響到脫硝率的高低以及氨逃逸的大小，如何氣氨和NOX兩者進(jìn)行混合的程度不均衡，即使噴入反應(yīng)器內(nèi)的氨氣量增大，必然出現(xiàn)氨氣以及氮氧化物兩者不能進(jìn)行有效的反應(yīng)，不僅很難得到較高的脫硝效率，同時也導(dǎo)致逃逸量增大，從而在一定的程度上加大了運行成本。因此，我們只有合理的設(shè)計噴氨格柵布局，保證脫硝煙道內(nèi)煙氣速度在最佳范圍，才能確保氣氨與NOx均勻混合，充分接觸，從而提高脫硝效率，也可以降低氨逃逸量提高催化劑的使用壽命。

我們應(yīng)當(dāng)合理的對噴嘴格柵進(jìn)行設(shè)計，并且為反應(yīng)物提供足夠長的混合煙道，通過改善煙氣布局達(dá)到氣氨與NOx的均衡混合。因此，我們在對SCR脫硝系統(tǒng)中的AIG以及噴嘴系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計的時候，大體上需要滿足兩個方面的要求：第一，對于保證噴嘴噴出的還原劑NH3能夠在一定的長度煙道內(nèi)和煙氣可以均衡混合。第二，噴嘴噴入的氨氣量和煙氣中的氮氧化物兩者需要的比例也要合理，因此需要對內(nèi)部的氨氮摩爾比合理的分配和控制。

通過對SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)煙氣與還原劑的混合進(jìn)行了數(shù)值模擬，當(dāng)噴嘴個數(shù)確定時，比較了單層噴管噴嘴速度相同與分區(qū)設(shè)置噴嘴速度的混合效果。結(jié)果表明當(dāng)各噴嘴的噴氨速度一致時，煙道內(nèi)氨氣的分布極不均勻，不利于煙氣和氨氣的混合，影響脫硝效率；當(dāng)對噴嘴劃分為兩個區(qū)域，合理的調(diào)節(jié)各區(qū)內(nèi)噴嘴的速度，能夠改善氨氣濃度場的均勻性，有利于煙氣與還原劑的混合，能夠滿足設(shè)計要求的催化劑入口濃度偏差系數(shù)小于5%的要求。

四、系統(tǒng)優(yōu)化過程以及最后的結(jié)果

4.1 優(yōu)化前摸底測試

因為在SCR反應(yīng)器出口煙道處測量NO x質(zhì)量濃度的CEMS測點是采取單點采樣的方式得出的，那么其顯示的NOx質(zhì)量濃度不能夠全面反映出在整個煙道截面的NOx質(zhì)量濃度情況，因此我們測得的NOx質(zhì)量濃度與實際當(dāng)中的NOx平均質(zhì)量濃度仍然會存在一定程度的偏差。那么我們?yōu)榱吮ＷC選取的數(shù)據(jù)能夠具有一定的代表性以及測試結(jié)果的可靠性，在我們進(jìn)行摸底測試的時候，分別在甲、乙兩側(cè)的SCR反應(yīng)器出入口各均勻選取8個測孔，在每個測孔均勻選擇4個測點來做為我們的參考數(shù)據(jù)，本次實驗中我們一共選擇了128 個測點。根據(jù)《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規(guī)范》以及《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》，我們可以采用芬蘭某家公司生產(chǎn)的DX—4000 型煙氣分析儀，來通過截面網(wǎng)絡(luò)法選取4個深度進(jìn)行測量，機(jī)組100%負(fù)荷時相關(guān)測試數(shù)據(jù)見表3。我們通過一系列的測試結(jié)果計算得出，在甲、乙兩側(cè)SCR反應(yīng)器出口中NO x 的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為31.49%和28.26%，高于15%的設(shè)計要求。

4.2 我們可以對于噴氨支管進(jìn)行有效的改變

在我們對噴氨支管閥門進(jìn)行調(diào)整之前，還需要通過一系列的理論計算以及實際測試兩者得出的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，從而可以確定噴氨母管的供氨量是否滿足SCR系統(tǒng)的需求。經(jīng)過我們的核算分析，對于脫硝裝置的噴氨母管來講，供氨量滿足基本的需求，從而不需要對噴氨母管的供氨控制邏輯進(jìn)行微量的調(diào)整。我們還可以根據(jù)優(yōu)化前的摸底測試內(nèi)容，對比 SCR反應(yīng)器出口每個測孔的NOx平均質(zhì)量濃度及其測試斷面的NOx平均質(zhì)量濃度、SCR反應(yīng)器出口每個測孔的氨逃逸平均質(zhì)量濃度及其測試斷面的氨平均質(zhì)量濃度，并且還可以對SCR系統(tǒng)中每一根噴氨支管上的手動流量調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行初步調(diào)整，具體的調(diào)整方法見表4。

我們在進(jìn)過一系列的初步調(diào)整后，還需要估算在各噴氨支管當(dāng)中的的噴氨量，從而可以觀察噴氨量的變化情況，了解閥門調(diào)節(jié)特點以及閥門靈敏開度的范圍，掌握不同閥門開度對支管噴氨量的影響效果。這一些情況尤為重要，直接關(guān)系到下一步調(diào)整的成功與否。然后我們在繼續(xù)選取SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度、SCR反應(yīng)器出口氨逃逸質(zhì)量濃度、SCR反應(yīng)器入口煙氣流速、SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度這4個參數(shù)來作為權(quán)重因子，并且我們還可以依照具體情況來對這4個權(quán)重因子構(gòu)建出不同的權(quán)重比例，按照得出的測試數(shù)據(jù)和各權(quán)重因子在測試斷面的均勻度對閥門開度進(jìn)行再次調(diào)整。以甲側(cè)SCR反應(yīng)器1號噴氨支管閥門為實驗，我們進(jìn)一步調(diào)整數(shù)據(jù)可以見表5。

4.3 優(yōu)化結(jié)果

我們按照上述的一些方法經(jīng)過多次的優(yōu)化之后，從一定程度上改善了SCR反應(yīng)器入口NOx與氨的質(zhì)量濃度分布，對于甲、乙兩側(cè)SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均明顯的降低，就可以說明經(jīng)優(yōu)化后的NOx與氨混合更加均勻，甲、乙兩側(cè) SCR反應(yīng)器出口 NO x 的分布均勻性都有所提高，優(yōu)化效果更加明顯。并且在對優(yōu)化前、后 SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度比較見表6，優(yōu)化后SCR反應(yīng)器出口煙道處與煙囪入口處的NO x質(zhì)量濃度偏差情況見表7。

結(jié)束語：

隨著目前我國對于環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，當(dāng)前對于火電機(jī)組排放的NOx已經(jīng)進(jìn)行嚴(yán)格的管控，如何研發(fā)出具有高效、可靠的煙氣脫硝技術(shù)已經(jīng)是一件十分重要的事情。我們在對噴氨閥門進(jìn)行一定的優(yōu)化調(diào)整之后，基本消除了NOx質(zhì)量濃度偏差的問題，并且我們還可以通過一些結(jié)論以及有效措施，來幫助相關(guān)從業(yè)者提供幫助。SCR反應(yīng)器入口中氨氮分布的均勻性以及噴氨格柵出口流速的均勻性都是影響脫硝效率以及副反應(yīng)生成的重要因素。并且對于SCR反應(yīng)器入口的NOx以及氨質(zhì)量兩者進(jìn)行混合的濃度不一致，就會導(dǎo)致實際運行中CEMS測得SCR反應(yīng)器出口煙道處和煙囪入口處兩者之間的NOx質(zhì)量濃度有著一定的偏差，另外噴氨質(zhì)量濃度不均勻的時候會相應(yīng)的降低脫硝性能，同時噴氨過量時還會導(dǎo)致氨逃逸量變大，形成的硫酸氫銨等易造成空氣預(yù)熱器堵塞和冷段腐蝕，因此需保證SCR反應(yīng)器入口處NO x 和氨質(zhì)量濃度分布的均勻性。

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