SCR煙氣脫硝系統模擬優化及噴氨量最優控制研究

羅光明

摘要：隨著目前我國對于環境保護的要求越來越高，當前對于火電機組排放的NOx已經進行嚴格的管控，我們如何研發出具有高效、可靠的煙氣脫硝技術已經是一件十分重要的事情。當前在大氣污染中影響最為關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、天然氣等物質在燃燒時釋放出來的氮氧化物高達百分之九十左右，這些釋放出來的氮氧化物可以在大氣當中產生相應的化學反應，進而污染環境，對生態系統造成嚴重危害，比如出現酸雨等現象。

關鍵詞：煙氣脫硝；系統模擬優化；噴氨量

引言：

對于SCR煙氣脫硝系統來講，在進行實際操作過程當中，其反應器內部對應區域的氮氧化物分布是不均勻的，并且對應的氮氧化物摩爾比都是不相同的，對于有些區域的供氧量過大，必然導致在一定的程度上提升了其運作成本。相關的研究人員構建了一套關于SCR脫硝相對應的反應器流場冷態實驗裝置，這種裝置可以有效的將脫硝反應以及對應的煙道流場進行分析和了解，并且在這一個基礎上建立了有效的脫硝數學模型，提出了關于相關物質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境之下的運作進行研究，并且對有關的參數進行合理化調節，根據模擬的結果我們可以知道，裝設傾斜的對應導流板可以改善煙道的煙氣流場。

一、當前SCR脫硝技術發展狀況探討

近些年來，隨著火電機組煙氣排放量的不斷增多，煙氣中含有的NOX物質已經被嚴格的監控起來，因此我們在諸多情況都使用催化還原法來進行改善，這種方法也是當前SCR煙氣脫硝效率最高的方法，能夠達到百分之九十左右，并且這項技術的可靠性比較強，結構較為簡單，逐漸應用于各大燃煤電站中。

當前我國對于SCR脫硝技術過程中對應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反應器和省煤器旁路，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。氨氣來自于氨區液氨制備系統，通過氨空混合器將氨氣與稀釋風機提供的空氣按照體積濃度為6%的比例進行調配，然后通過噴氨支管經噴氨格柵注入反應器。噴氨系統內部有噴氨母管以及 8 路噴氨支管，在每根支管中都設有手動流量調節閥。脫硝反應器入口煙氣具體參數詳情見圖表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的排放濃度進行控制，但是在實際運行過程當中，根據檢測儀表測量得出SCR反應器出口煙道處與煙囪入口處的NOx質量濃度有著很大的偏差，最高可以達到28mg/Nm3。

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

三、對于SCR脫硝系統的入口煙道處進行模擬優化

在當前SCR脫硝系統優化設計以及運行兩者的關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，從而可以保障設計要求的脫硝效率并且降低氨氣逃逸量，由于多數電廠存在省煤器出口到SCR煙氣脫硝反應器入口處之間的煙道設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裝置中加裝導流板能夠有效改善彎道內的流場，因脫硝系統結構不盡相同，因此導流板的選擇與布置要根據具體系統的結構設計而定。同時，由于SCR脫硝系統的設備結構比較復雜且體型巨大，難以對于已投運的脫硝系統進行試驗研究或采用常規搭建試驗臺的研究方法進行研究，這樣研究難以達到滿意的結果，既不現實也不經濟。

3.1 流場數值模擬方法

對于計算流體力學來講，它是一種通過計算機來對流體流動、熱傳遞以及化學反應等問題來進行數據模擬的，從而可以分析出流場內各個位置中的一些基本物理量分布，我們可以通過數據模擬的方法來對流場進行一定的分析計算以及預測，通常我們在進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格，將問題轉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，設置相應的求解模型和參數，就可以完成相應的計算任務；（3）后處理，主要是對以計算收斂的結果繼續處理，得到直觀清晰便于交流的數據和圖表。

3.2 SCR入口煙道流場的優化

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

其次我們還可以改善SCR脫硝系統煙道內的流場。比較成功的方法就是在煙道中加裝導流板和整流格柵，有研究表明煙道內加裝弧度直邊導流板是最為有效且合理的方法之一，由于其結構布置不同，導流板的布置方案也不同。通過科學合理地布置導流板，能夠有效的減少流體流經彎道時的分離現象，同時也減小二次流帶來的阻力。因此，應用數值模擬方法對SCR反應器入口煙道及其內部導流板、整流格柵的布置進行模擬分析，改善系統的結構布置，優化流場提高脫硝性能。

3.3 SCR脫硝的混合模擬優化過程

在SCR煙氣脫硝系統中煙氣與還原劑NH3兩者混合的均衡程度，會直接影響到催化劑層內出現的化學反應，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兩者進行混合的程度不均衡，即使噴入反應器內的氨氣量增大，必然出現氨氣以及氮氧化物兩者不能進行有效的反應，不僅很難得到較高的脫硝效率，同時也導致逃逸量增大，從而在一定的程度上加大了運行成本。因此，我們只有合理的設計噴氨格柵布局，保證脫硝煙道內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。

我們應當合理的對噴嘴格柵進行設計，并且為反應物提供足夠長的混合煙道，通過改善煙氣布局達到氣氨與NOx的均衡混合。因此，我們在對SCR脫硝系統中的AIG以及噴嘴系統在進行設計的時候，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，因此需要對內部的氨氮摩爾比合理的分配和控制。

通過對SCR脫硝系統煙道內煙氣與還原劑的混合進行了數值模擬，當噴嘴個數確定時，比較了單層噴管噴嘴速度相同與分區設置噴嘴速度的混合效果。結果表明當各噴嘴的噴氨速度一致時，煙道內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；當對噴嘴劃分為兩個區域，合理的調節各區內噴嘴的速度，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，能夠滿足設計要求的催化劑入口濃度偏差系數小于5%的要求。

四、系統優化過程以及最后的結果

4.1 優化前摸底測試

因為在SCR反應器出口煙道處測量NO x質量濃度的CEMS測點是采取單點采樣的方式得出的，那么其顯示的NOx質量濃度不能夠全面反映出在整個煙道截面的NOx質量濃度情況，因此我們測得的NOx質量濃度與實際當中的NOx平均質量濃度仍然會存在一定程度的偏差。那么我們為了保證選取的數據能夠具有一定的代表性以及測試結果的可靠性，在我們進行摸底測試的時候，分別在甲、乙兩側的SCR反應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據，本次實驗中我們一共選擇了128 個測點。根據《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規范》以及《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》，我們可以采用芬蘭某家公司生產的DX—4000 型煙氣分析儀，來通過截面網絡法選取4個深度進行測量，機組100%負荷時相關測試數據見表3。我們通過一系列的測試結果計算得出，在甲、乙兩側SCR反應器出口中NO x 的相對標準偏差分別為31.49%和28.26%，高于15%的設計要求。

4.2 我們可以對于噴氨支管進行有效的改變

在我們對噴氨支管閥門進行調整之前，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據來進行分析，從而可以確定噴氨母管的供氨量是否滿足SCR系統的需求。經過我們的核算分析，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行微量的調整。我們還可以根據優化前的摸底測試內容，對比 SCR反應器出口每個測孔的NOx平均質量濃度及其測試斷面的NOx平均質量濃度、SCR反應器出口每個測孔的氨逃逸平均質量濃度及其測試斷面的氨平均質量濃度，并且還可以對SCR系統中每一根噴氨支管上的手動流量調節閥門進行初步調整，具體的調整方法見表4。

我們在進過一系列的初步調整后，還需要估算在各噴氨支管當中的的噴氨量，從而可以觀察噴氨量的變化情況，了解閥門調節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，直接關系到下一步調整的成功與否。然后我們在繼續選取SCR反應器出口NOx質量濃度、SCR反應器出口氨逃逸質量濃度、SCR反應器入口煙氣流速、SCR反應器入口煙氣溫度這4個參數來作為權重因子，并且我們還可以依照具體情況來對這4個權重因子構建出不同的權重比例，按照得出的測試數據和各權重因子在測試斷面的均勻度對閥門開度進行再次調整。以甲側SCR反應器1號噴氨支管閥門為實驗，我們進一步調整數據可以見表5。

4.3 優化結果

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

結束語：

隨著目前我國對于環境保護的要求越來越高，當前對于火電機組排放的NOx已經進行嚴格的管控，如何研發出具有高效、可靠的煙氣脫硝技術已經是一件十分重要的事情。我們在對噴氨閥門進行一定的優化調整之后，基本消除了NOx質量濃度偏差的問題，并且我們還可以通過一些結論以及有效措施，來幫助相關從業者提供幫助。SCR反應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生成的重要因素。并且對于SCR反應器入口的NOx以及氨質量兩者進行混合的濃度不一致，就會導致實際運行中CEMS測得SCR反應器出口煙道處和煙囪入口處兩者之間的NOx質量濃度有著一定的偏差，另外噴氨質量濃度不均勻的時候會相應的降低脫硝性能，同時噴氨過量時還會導致氨逃逸量變大，形成的硫酸氫銨等易造成空氣預熱器堵塞和冷段腐蝕，因此需保證SCR反應器入口處NO x 和氨質量濃度分布的均勻性。

參考文獻

[1]宋玉寶，程世軍，姚燕，安德欣，金理鵬，方朝君.SCR煙氣脫硝系統氨逃逸濃度在線預測方法研究[J].中國電力，2018，51（10）：145-149.

[2]趙文杰，張楷.基于互信息變量選擇的SCR煙氣脫硝系統非線性自回歸神經網絡建模[J].熱力發電，2018，47（09）：22-26.

[3]蘇超.600MW機組SCR煙氣脫硝系統模擬及優化[J].能源與環境，2018（04）：38-39+42.

[4]汪作勝.火力發電廠鍋爐煙氣脫硝系統煙道加固肋的設計與研究[A].《環境工程》編委會、工業建筑雜志社有限公司.《環境工程》2018年全國學術年會論文集（上冊）[C].《環境工程》編委會、工業建筑雜志社有限公司：《環境工程》編輯部，2018：3.

[5]姜曉明，聶宇宏，金云學，岳站峰，顧永振.基于組分輸運模型的SCR煙氣脫硝系統模擬及優[J].熱力發電，2016，45（11）：106-113.

[6]毛淑東.燃煤電廠脫硝系統優化研究[D].華北電力大學，2014.

[7]趙乾.SCR煙氣脫硝系統模擬優化及噴氨量最優控制[D].重慶大學，2012.

[8]潘麗秋.600MW機組選擇性催化還原煙氣脫硝反應系統模擬優化研究[D].南京理工大學，2009.

[9]陳海林.SCR煙氣脫硝系統流場與濃度場的數值模擬及實驗研究[D].江蘇大學，2008.

[10]蔡小峰.基于數值模擬的SCR法煙氣脫硝技術優化設計[D].華北電力大學（北京），2006.