Scr脱硝系统现场运行优化方法
【专利摘要】一种SCR脱硝系统现场运行优化方法，包括步骤：以SCR脱硝系统反应器本体的几何中心为坐标原点，构建SCR脱硝系统的三维模型；根据SCR脱硝系统的结构特征，对三维模型进行划分网格得到网格模型；建立SCR脱硝系统内部结构的物理模型，根据物理模型设置所述网格模型中各个网格之间的传递方程，并确定网格模型的初始边界条件；对SCR脱硝系统进行现场试验，获得SCR脱硝系统现场运行的烟气参数；将烟气参数导入所述网格模型进行模拟反应，获取SCR脱硝系统运行的工况参数；根据工况参数对SCR脱硝系统现场运行参数进行优化。本发明的技术，可以降低优化成本、提高优化效率，同时，通过改变网格划分及参数设置获得准确性更高的工况参数，可以提高优化准确性。
【专利说明】SCR脱硝系统现场运行优化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力工程【技术领域】，特别是涉及一种SCR脱硝系统现场运行优化方法。
【背景技术】
[0002]大气污染是全球面临的突出环境问题之一，按污染物存在状态的不同大致可分为两大类:气溶胶状态污染物和气体状态污染物，其中气体状态污染物包括以SO2为主的含硫化合物，以NOx为主的含氮化合物，碳氢化合物和卤素化合物等。含氮化合物主要有Ν0、Ν02、N2O, N2O3> N2O4, N2O5,在燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和N02。
[0003]随着大气NOx浓度的增加，一系列的城市和区域环境问题更加突出，对人体健康和生态环境都构成巨大的威害，为此，2011年环保部发布了最新“火电厂大气污染物排放标准”(GB13223-2011)，对火力发电厂的污染物排放提出了更高要求:N0X的排放浓度要小于100mg/Nm3，因此，炉内脱硝技术和非选择催化还原(SNCR)脱硝技术已难以达到新标准的要求，而选择催化还原(SCR)反应脱硝技术由于其系统简单可靠、脱硝效率高的特点而得到广泛米用。
[0004](I)脱硝工艺流程:压缩机卸车、液氨贮存、液氨气化、减压至脱硝装置、配风混合、脱硝反应系统、鼓风机。
[0005](2)主要设备(按两台脱硝机组公用一套氨站系统设计)。
[0006]I)卸料压缩机(共2台)；
[0007]氨站系统设置2台卸料压缩机，一备一用。卸料压缩机抽取储氨罐中的氨气，经压缩后将槽车的液氨推挤入液氨储罐中。设计时需选择压缩机排气量，储氨罐内液氨的饱和蒸汽压，液氨卸车流量，液氨管道阻力及卸氨时气候温度等。
[0008]2)储氨罐(至少两个储氨罐)；
[0009]液氨的贮罐容量，应按照锅炉BMCR工况，在设计条件下，考虑两台炉的脱硝装置运行，每天运行20小时，连续运行7天的消耗量考虑。贮罐上安装有超流阀、逆止阀、紧急关断阀、安全阀、温度计、压力表、液位计、高液位报警仪和相应的变送器。贮罐四周安装有工业水喷淋管线及喷嘴，当贮罐罐体温度过高时自动淋水装置启动,对罐体自动喷淋降温；当有微量氨气泄漏时也可启动自动淋水装置，对氨气进行吸收，控制氨气污染。
[0010]3)液氨蒸发槽(2台)；
[0011]液氨蒸发所需要的热量采用蒸汽加热来提供热量，蒸发器上装有压力控制阀将氨气压力控制在一定范围，蒸发器也应装有安全阀，可防止设备压力异常过高。液氨蒸发器应按照在BMCR工况下2 X 100%容量设计(一用一备)。
[0012]4)氨气缓冲槽(I台)；
[0013]从蒸发器蒸发的氨气流进入氨气稳压罐，通过调压阀减压成一定压力，再通过氨气输送管线送到锅炉侧的脱硝系统。氨气稳压罐应能满足为SCR系统供应压力稳定的氨气，避免受蒸发器操作不稳定所影响。[0014]5)氨气稀释槽(I台)；
[0015]氨气稀释罐为一定容积水槽，水槽的液位应由溢流管线维持，液氨系统各排放处所排出的氨气由管线汇集后从稀释罐底部进入，通过分散管将氨气分散入稀释罐中，利用大量水来吸收安全阀等排放的氨气。
[0016]6)稀释风机(每台机组2台风机)；
[0017]喷入反应器烟道的氨气应为空气稀释后的含5%左右氨气的混合气体。所选择的风机应该满足脱除烟气中NOx最大值的要求，并留有一定的余量。稀释风机应按两台100%
容量(一用一备)设置。
[0018]7)氨气泄漏检测安全报警系统(套)；
[0019]液氨贮存及供应系统周边应设有氨气检测器，以检测氨气的泄漏，并显示大气中氨的浓度。当检测器测得大气中氨浓度过高时，在脱硝装置公用系统控制系统和机组控制室会发出警报，就地发出声响、闪光警报，以提醒操作人员采取必要的措施，以防止氨气泄漏的异常情况发生。
[0020]8)氮气吹扫系统；
[0021]在液氨卸料之前通过氮气吹扫管线对氨区各设备进行吹扫，防止氨气泄漏和氨气与系统中残余的空气混合造成危险。
[0022]9)消防与安全设施；
[0023]液氨储存与供应区域应设置完善的消防系统、洗眼器及防毒面罩等。
[0024]1.SCR数值模拟拟解决的问题
[0025]在SCR脱硝系统设计中，催化剂的选项和反应器都将直接影响着SCR脱硝系统的运行性能，当反应器设计不佳或者其在不理想的工况下运行时，即使催化剂性能良好，该SCR脱硝系统的运行特性也不会达到理想状况。
[0026]一般情况下，在反应器运行重要的技术问题是:
[0027]催化剂入口 ΝΗ3/Ν0χ浓度分布、喷氨栅格(AIG)和第一层催化剂入口面速度均布，以及飞灰颗粒在脱硝反应器内的运动。
[0028](I) ΝΗ3/Ν0χ 浓度分布；
[0029]NH3/N0X的均匀分布对反应器高效运行是至关重要的。如果ΝΗ3/Ν0χ分布不均，在反应器内就会产生nh3/nox比较高的区域，一旦混合不均匀的烟气进入催化剂层，高nh3/nox的烟气区域会导致一些负面影响，如产生过高的氨逃逸，降低系统脱硝率以及造成反应器下游设备的腐蚀等。在设计时针对喷氨装置建立流动模型，以及在运行时对反应器进行定期的测试都是解决MVNOx分布有效的方法。
[0030](2)喷氨栅格(AIG)和催化剂入口速度均匀性均布；
[0031 ] 优化反应器内部的速度分布是反应器设计的一项很重要的工作。速度分布不均不仅会影响nh3/nox的分布，更重要的是这会在高速区域造成催化剂的过渡磨损，同时还会在低速区域造成飞沉积使催化剂烧结。通过对反应器搭建冷态测试试验台以及开展数值模拟工作，来优化反应器内部导流装置和整流装置布置，来实现速度的均布要求。
[0032](3)飞灰颗粒的运动；
[0033]同速度分布不均一样，飞灰颗粒分布不均也会增加反应器内催化剂的磨损和积灰。可通过数值模拟的方法，优化流场分布来实现飞灰颗粒均匀分布和有效脱除的目的。[0034]为了获取SCR脱硝系统运行的工况参数，需要在现场进行试验，或者建立一套实体物理模拟装置来进行模拟反应试验，获取相关工况参数，以控制现场运行的SCR脱硝系统的运行参数，但无论现场进行试验还是物理模拟装置，成本都比较高，特别是随着SCR脱硝系统内部结构的复杂性越高，这个问题越明显，同时，每次都需要进行实际反应模拟试验，导致现场优化的效率也比较低。
【发明内容】
[0035]基于此，有必要针对上述成本高、效率低的问题，提供一种SCR脱硝系统现场运行优化方法，可以降低SCR脱硝系统现场运行优化成本、提高现场优化效率。
[0036]一种SCR脱硝系统现场运行优化方法，包括如下步骤:
[0037]以SCR脱硝系统反应器本体的几何中心为坐标原点，构建SCR脱硝系统的三维模型；
[0038]根据SCR脱硝系统的结构特征，对所述三维模型进行划分网格得到网格模型；
[0039]建立SCR脱硝系统内部结构的物理模型，根据所述物理模型设置所述网格模型中各个网格之间的传递方程，并确定所述网格模型的初始边界条件；
[0040]对SCR脱硝系统进行现场试验，获得SCR脱硝系统现场运行的烟气参数；
[0041]将所述烟气参数导入所述网格模型进行模拟反应，获取SCR脱硝系统运行的工况参数；
[0042]根据所述工况参数对SCR脱硝系统现场运行参数进行优化。
[0043]上述SCR脱硝系统现场运行优化方法，构建SCR脱硝系统的三维模型，通过划分网格得到网格模型，现场运行的烟气参数，导入网格模型进行模拟反应得到运行的工况参数，对SCR脱硝系统现场运行参数进行优化。基于数值模拟和现场试验结合的SCR脱硝系统三维数值模拟及现场优化，无需采用物理模拟装置来试验获取工况参数，可以降低优化成本、提高优化效率，同时，通过改变网格划分及参数设置获得准确性更高的工况参数，可以提高优化准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]图1为SCR脱硝系统的部分结构示意图；
[0045]图2为一个实施例的SCR脱硝系统现场运行优化方法流程图；
[0046]图3为喷氨栅格入口截面烟气流场分布情况示意图；
[0047]图4为催化剂层入口截面烟气流场分布情况示意图；
[0048]图5为截面宽度中心线Z = O及深度中心线X = O两中心线上速度分布示意图；
[0049]图6为催化剂入口截面氨浓度分布情况示意图；
[0050]图7为催化剂入口截面B飞灰浓度分布示意图；
[0051]图8为不同位置网格面上喷入颗粒在反应器内的轨迹跟踪示意图。
【具体实施方式】
[0052]下面结合附图对本发明的SCR脱硝系统现场运行优化方法的【具体实施方式】作详细描述。[0053]参考图1所示，图1为SCR脱硝系统的部分结构示意图，图中示出了烟气入口至烟气出口部分，包括灰斗、烟道以及反应器，其中，反应器中设有整流器、催化剂层，其工作原理是:通过在一定温度的烟气中加入氨，在催化剂的作用下，与NO选择性的还原反应成N2和 H20。
[0054]参见图2所示，图2为一个实施例的SCR脱硝系统现场运行优化方法流程图，主要包括如下步骤:
[0055]步骤S101，以SCR脱硝系统反应器本体的几何中心为坐标原点，构建SCR脱硝系统的三维模型。
[0056] 本步骤中，可以按照电厂的SCR脱硝系统建立1:1比例的三维几何模型，包括灰斗、烟道以及反应器，其中，反应器中设有整流器、催化剂层，在此过程中，由于催化剂结构复杂，并且其蜂窝空距尺度远小于反应器尺度，因此，可以把催化剂看成是由平行通道组成的不同向的多孔介质，另外，导流板厚度以及氨注射栅格(AIG)叶片厚度也远小于反应器尺度，故可以将其厚度忽略。具体建模中，以反应器本体几何中心为坐标原点，模型可以参考图1所示，其中A面是氨喷射入口前烟道截面，B面是第一层催化剂入口前所在截面。
[0057]步骤S102，根据SCR脱硝系统的结构特征，对所述三维模型进行划分网格得到网格模型。
[0058]在本步骤中，考虑到模型复杂的内部结构，可以根据SCR脱硝系统内部的结构特征，将计算区域采用结构化和非结构化的混合网格进行划分。
[0059]在一个实施例中，可以将三维模型的计算区域的烟道、及反应器部分以结构化网格进行划分，以及将三维模型的计算区域的烟道导流板、及反应器入口部分以非结构化网格进行划分。所述网格模型的总网格数可以为150万。
[0060]步骤S103，建立SCR脱硝系统内部结构的物理模型，根据所述物理模型设置所述网格模型中各个网格之间的传递方程，并确定所述网格模型的初始边界条件。
[0061]在一个实施例中，根据脱硝系统的内部结构情况，可以建立SCR脱硝系统内部流动湍流模型，物质反应的物质输运模型，模拟催化剂层的多孔介质模型，以及气体与固体颗之间滑移的气固两相流模型。
[0062]具体地，各种模型介绍如下:
[0063](I)湍流模型；
[0064]SCR脱硝系统内部的流动是一个复杂的湍流流动，考虑到数学模型的可靠性和工程应用的可行性，可以选用标准κ-ε双方程模型来模拟SCR脱硝系统内部的流动状况。
[0065]在直角坐标系下，等温、不可压流场基本控制微分方程可以表示如下:
[0066]
€(βφ ,,^CirC0)t C[r ^ I CiirCf' ◎
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ax cv cr CY'.cv/ a*1, erf cr...<r.,
[0067]式中，f分别代表速度u，v, w、湍动能κ、湍动能耗散率ε，当Cp=I时为连续性方程，S(p是由气相引起的源项。
[0068]式中的扩散系数和源项的具体形式可以见表一:[0069]表一
[0070]
【权利要求】
1.一种SCR脱硝系统现场运行优化方法，其特征在于，包括如下步骤: 以SCR脱硝系统反应器本体的几何中心为坐标原点，构建SCR脱硝系统的三维模型； 根据SCR脱硝系统的结构特征，对所述三维模型进行划分网格得到网格模型； 建立SCR脱硝系统内部结构的物理模型，根据所述物理模型设置所述网格模型中各个网格之间的传递方程，并确定所述网格模型的初始边界条件； 对SCR脱硝系统进行现场试验，获得SCR脱硝系统现场运行的烟气参数； 将所述烟气参数导入所述网格模型进行模拟反应，获取SCR脱硝系统运行的工况参数； 根据所述工况参数对SCR脱硝系统现场运行参数进行优化。
2.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统现场运行优化方法，其特征在于，所述根据SCR脱硝系统的结构特征，对所述三维模型进行划分网格得到网格模型的步骤包括: 根据SCR脱硝系统内部的结构特征，将计算区域采用结构化和非结构化的混合网格进行划分。
3.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统现场运行优化方法，其特征在于，所述将计算区域采用结构化和非结构化的混合网格进行划分的步骤包括: 将三维模型的计算区域的烟道、及反应器部分以结构化网格进行划分，以及将三维模型的计算区域的烟道导流板、及反应器入口部分以非结构化网格进行划分。
4.根据权利要求2或3所述的SCR脱硝系统现场运行优化方法，其特征在于，所述网格模型的总网格数为150万。
5.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统现场运行优化方法，其特征在于，所述建立SCR脱硝系统内部结构的物理模型的步骤包括: 建立SCR脱硝系统内部流动湍流模型，物质反应的物质输运模型，模拟催化剂层的多孔介质模型，以及气体与固体颗之间滑移的气固两相流模型。
6.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统现场运行优化方法，其特征在于，所述SCR脱硝系统内部流动湍流模型的传递方程为标准κ-ε双方程模型。
7.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统现场运行优化方法，其特征在于，所述将所述烟气参数导入所述网格模型进行模拟反应，获取SCR脱硝系统运行的工况参数的步骤包括: 将所述烟气参数代入所述网格模型的各个物理模型对应的传递方程，求解所述传递方程，获得所述SCR脱硝系统内部在现场运行过程中的工况参数。
8.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统现场运行优化方法，其特征在于，所述工况参数包括:喷氨栅格入口截面烟气流场分布参数，催化剂层入口截面烟气流场分布参数，催化剂入口截面氨浓度分布参数，和/或反应器飞灰浓度参数。
【文档编号】G06F19/00GK103488824SQ201310405144
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】李德波 申请人:广东电网公司电力科学研究院