SCR烟气脱硝系统模拟优化及喷氨量最优控制研究

罗光明

摘要：随着目前我国对于环境保护的要求越来越高，当前对于火电机组排放的NOx已经进行严格的管控，我们如何研发出具有高效、可靠的烟气脱硝技术已经是一件十分重要的事情。当前在大气污染中影响最为关键的因素是氮氧化物，它的形式是多样化的，并且对于煤碳以及石油、天然气等物质在燃烧时释放出来的氮氧化物高达百分之九十左右，这些释放出来的氮氧化物可以在大气当中产生相应的化学反应，进而污染环境，对生态系统造成严重危害，比如出现酸雨等现象。

关键词：烟气脱硝；系统模拟优化；喷氨量

引言：

对于SCR烟气脱硝系统来讲，在进行实际操作过程当中，其反应器内部对应区域的氮氧化物分布是不均匀的，并且对应的氮氧化物摩尔比都是不相同的，对于有些区域的供氧量过大，必然导致在一定的程度上提升了其运作成本。相关的研究人员构建了一套关于SCR脱硝相对应的反应器流场冷态实验装置，这种装置可以有效的将脱硝反应以及对应的烟道流场进行分析和了解，并且在这一个基础上建立了有效的脱硝数学模型，提出了关于相关物质分布不均匀的模拟分析建议，使用具有信息化的模拟方法对不同环境之下的运作进行研究，并且对有关的参数进行合理化调节，根据模拟的结果我们可以知道，装设倾斜的对应导流板可以改善烟道的烟气流场。

一、当前SCR脱硝技术发展状况探讨

近些年来，随着火电机组烟气排放量的不断增多，烟气中含有的NOX物质已经被严格的监控起来，因此我们在诸多情况都使用催化还原法来进行改善，这种方法也是当前SCR烟气脱硝效率最高的方法，能够达到百分之九十左右，并且这项技术的可靠性比较强，结构较为简单，逐渐应用于各大燃煤电站中。

当前我国对于SCR脱硝技术过程中对应催化剂在不同的方向展开了研究和分析。对于某电厂选择性催化还原法脱硝装置未设反应器和省煤器旁路，采用 2 层蜂窝催化剂，催化剂运行中的温度大约为 310度～420度左右，并且我们在使用蒸汽吹灰或者声波吹灰的时候，使用液氨作为还原剂。氨气来自于氨区液氨制备系统，通过氨空混合器将氨气与稀释风机提供的空气按照体积浓度为6%的比例进行调配，然后通过喷氨支管经喷氨格栅注入反应器。喷氨系统内部有喷氨母管以及 8 路喷氨支管，在每根支管中都设有手动流量调节阀。脱硝反应器入口烟气具体参数详情见图表1。

二、存在的不足之处以及问题探讨

为了能够在一定程度上使得NOx的排量可以达到燃煤电厂最低的要求，我们在没有增加第三层脱硝催化剂的时候，可以使用增加喷氨量对NOx的排放浓度进行控制，但是在实际运行过程当中，根据检测仪表测量得出SCR反应器出口烟道处与烟囱入口处的NOx质量浓度有着很大的偏差，最高可以达到28mg/Nm3。

我们经过一系列的分析可以知道，具体的原因主要包括：在SCR反应器中NO与氨气两者混合不均匀，无法充分接触，从而使得SCR反应器出口烟道处的NOx质量浓度分布不均衡。并且在烟道入口处的NOx在经过一段的时间，内部的NOx在整个烟道截面上分布较为均衡，那么对于烟气自动监控系统所得出的SCR反应器出口烟道处和烟囱入口处的NOx两者的质量浓度有着一点的偏差，具体如图2所示，从图2中我们可以发现当机组在进行百分之百运行的时候，NO的质量浓度偏差此时最为严重。

三、对于SCR脱硝系统的入口烟道处进行模拟优化

在当前SCR脱硝系统优化设计以及运行两者的关键主要是在于如何尽可能的保障烟气流动场以及温度场两者均匀分布，从而可以保障设计要求的脱硝效率并且降低氨气逃逸量，由于多数电厂存在省煤器出口到SCR烟气脱硝反应器入口处之间的烟道设计与布置都十分紧凑且有两个直角拐弯，致使烟气速度和温度分部不均匀，难以保证烟气与氨气的均匀混合。在SCR装置中加装导流板能够有效改善弯道内的流场，因脱硝系统结构不尽相同，因此导流板的选择与布置要根据具体系统的结构设计而定。同时，由于SCR脱硝系统的设备结构比较复杂且体型巨大，难以对于已投运的脱硝系统进行试验研究或采用常规搭建试验台的研究方法进行研究，这样研究难以达到满意的结果，既不现实也不经济。

3.1 流场数值模拟方法

对于计算流体力学来讲，它是一种通过计算机来对流体流动、热传递以及化学反应等问题来进行数据模拟的，从而可以分析出流场内各个位置中的一些基本物理量分布，我们可以通过数据模拟的方法来对流场进行一定的分析计算以及预测，通常我们在进行解决问题的时候大致分为三个步骤：（1）前处理，通过前处理软件对计算域划分网格，将问题转化为求解器可以接受的形式；（2）求解，求解器读取前处理生成的文件，设置相应的求解模型和参数，就可以完成相应的计算任务；（3）后处理，主要是对以计算收敛的结果继续处理，得到直观清晰便于交流的数据和图表。

3.2 SCR入口烟道流场的优化

由于煙气在反应器当中的停留时间会直接影响到脱硝的效率。若是烟气在反应器中停留时间恰当时，就能够与还原剂在催化剂微孔内进行充分的反应，从而提高脱硝效率。若烟气停留时问过长，容易产生还原剂NH3副反应发生，并且容易造成烟道的积灰，从而降低脱硝效率，影响整个系统的运行。因此SCR系统要合理设计烟气流速，我们需要在进行设计时要求烟气通过催化剂的速度控制在5M/s之内。

其次我们还可以改善SCR脱硝系统烟道内的流场。比较成功的方法就是在烟道中加装导流板和整流格栅，有研究表明烟道内加装弧度直边导流板是最为有效且合理的方法之一，由于其结构布置不同，导流板的布置方案也不同。通过科学合理地布置导流板，能够有效的减少流体流经弯道时的分离现象，同时也减小二次流带来的阻力。因此，应用数值模拟方法对SCR反应器入口烟道及其内部导流板、整流格栅的布置进行模拟分析，改善系统的结构布置，优化流场提高脱硝性能。

3.3 SCR脱硝的混合模拟优化过程

在SCR烟气脱硝系统中烟气与还原剂NH3两者混合的均衡程度，会直接影响到催化剂层内出现的化学反应，并且也在一定的程度上影响到脱硝率的高低以及氨逃逸的大小，如何气氨和NOX两者进行混合的程度不均衡，即使喷入反应器内的氨气量增大，必然出现氨气以及氮氧化物两者不能进行有效的反应，不仅很难得到较高的脱硝效率，同时也导致逃逸量增大，从而在一定的程度上加大了运行成本。因此，我们只有合理的设计喷氨格栅布局，保证脱硝烟道内烟气速度在最佳范围，才能确保气氨与NOx均匀混合，充分接触，从而提高脱硝效率，也可以降低氨逃逸量提高催化剂的使用寿命。

我们应当合理的对喷嘴格栅进行设计，并且为反应物提供足够长的混合烟道，通过改善烟气布局达到气氨与NOx的均衡混合。因此，我们在对SCR脱硝系统中的AIG以及喷嘴系统在进行设计的时候，大体上需要满足两个方面的要求：第一，对于保证喷嘴喷出的还原剂NH3能够在一定的长度烟道内和烟气可以均衡混合。第二，喷嘴喷入的氨气量和烟气中的氮氧化物两者需要的比例也要合理，因此需要对内部的氨氮摩尔比合理的分配和控制。

通过对SCR脱硝系统烟道内烟气与还原剂的混合进行了数值模拟，当喷嘴个数确定时，比较了单层喷管喷嘴速度相同与分区设置喷嘴速度的混合效果。结果表明当各喷嘴的喷氨速度一致时，烟道内氨气的分布极不均匀，不利于煙气和氨气的混合，影响脱硝效率；当对喷嘴划分为两个区域，合理的调节各区内喷嘴的速度，能够改善氨气浓度场的均匀性，有利于烟气与还原剂的混合，能够满足设计要求的催化剂入口浓度偏差系数小于5%的要求。

四、系统优化过程以及最后的结果

4.1 优化前摸底测试

因为在SCR反应器出口烟道处测量NO x质量浓度的CEMS测点是采取单点采样的方式得出的，那么其显示的NOx质量浓度不能够全面反映出在整个烟道截面的NOx质量浓度情况，因此我们测得的NOx质量浓度与实际当中的NOx平均质量浓度仍然会存在一定程度的偏差。那么我们为了保证选取的数据能够具有一定的代表性以及测试结果的可靠性，在我们进行摸底测试的时候，分别在甲、乙两侧的SCR反应器出入口各均匀选取8个测孔，在每个测孔均匀选择4个测点来做为我们的参考数据，本次实验中我们一共选择了128 个测点。根据《燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》以及《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》，我们可以采用芬兰某家公司生产的DX—4000 型烟气分析仪，来通过截面网络法选取4个深度进行测量，机组100%负荷时相关测试数据见表3。我们通过一系列的测试结果计算得出，在甲、乙两侧SCR反应器出口中NO x 的相对标准偏差分别为31.49%和28.26%，高于15%的设计要求。

4.2 我们可以对于喷氨支管进行有效的改变

在我们对喷氨支管阀门进行调整之前，还需要通过一系列的理论计算以及实际测试两者得出的数据来进行分析，从而可以确定喷氨母管的供氨量是否满足SCR系统的需求。经过我们的核算分析，对于脱硝装置的喷氨母管来讲，供氨量满足基本的需求，从而不需要对喷氨母管的供氨控制逻辑进行微量的调整。我们还可以根据优化前的摸底测试内容，对比 SCR反应器出口每个测孔的NOx平均质量浓度及其测试断面的NOx平均质量浓度、SCR反应器出口每个测孔的氨逃逸平均质量浓度及其测试断面的氨平均质量浓度，并且还可以对SCR系统中每一根喷氨支管上的手动流量调节阀门进行初步调整，具体的调整方法见表4。

我们在进过一系列的初步调整后，还需要估算在各喷氨支管当中的的喷氨量，从而可以观察喷氨量的变化情况，了解阀门调节特点以及阀门灵敏开度的范围，掌握不同阀门开度对支管喷氨量的影响效果。这一些情况尤为重要，直接关系到下一步调整的成功与否。然后我们在继续选取SCR反应器出口NOx质量浓度、SCR反应器出口氨逃逸质量浓度、SCR反应器入口烟气流速、SCR反应器入口烟气温度这4个参数来作为权重因子，并且我们还可以依照具体情况来对这4个权重因子构建出不同的权重比例，按照得出的测试数据和各权重因子在测试断面的均匀度对阀门开度进行再次调整。以甲侧SCR反应器1号喷氨支管阀门为实验，我们进一步调整数据可以见表5。

4.3 优化结果

我们按照上述的一些方法经过多次的优化之后，从一定程度上改善了SCR反应器入口NOx与氨的质量浓度分布，对于甲、乙两侧SCR反应器出口NOx质量浓度的相对标准偏差均明显的降低，就可以说明经优化后的NOx与氨混合更加均匀，甲、乙两侧 SCR反应器出口 NO x 的分布均匀性都有所提高，优化效果更加明显。并且在对优化前、后 SCR反应器出口NOx质量浓度比较见表6，优化后SCR反应器出口烟道处与烟囱入口处的NO x质量浓度偏差情况见表7。

结束语：

随着目前我国对于环境保护的要求越来越高，当前对于火电机组排放的NOx已经进行严格的管控，如何研发出具有高效、可靠的烟气脱硝技术已经是一件十分重要的事情。我们在对喷氨阀门进行一定的优化调整之后，基本消除了NOx质量浓度偏差的问题，并且我们还可以通过一些结论以及有效措施，来帮助相关从业者提供帮助。SCR反应器入口中氨氮分布的均匀性以及喷氨格栅出口流速的均匀性都是影响脱硝效率以及副反应生成的重要因素。并且对于SCR反应器入口的NOx以及氨质量两者进行混合的浓度不一致，就会导致实际运行中CEMS测得SCR反应器出口烟道处和烟囱入口处两者之间的NOx质量浓度有着一定的偏差，另外喷氨质量浓度不均匀的时候会相应的降低脱硝性能，同时喷氨过量时还会导致氨逃逸量变大，形成的硫酸氢铵等易造成空气预热器堵塞和冷段腐蚀，因此需保证SCR反应器入口处NO x 和氨质量浓度分布的均匀性。

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