内蒙古电力技术  2023, Vol. 41 Issue (06): 26-34   DOI: 10.19929/j.cnki.nmgdljs.2023.0081
0

引用本文 

王轶, 樊雄飞, 顾超, 何宝晶, 李伟, 李兵, 伍力拓, 杨浩, 杨祖旺, 张健. 燃煤锅炉SCR脱硝系统及其流场优化研究[J]. 内蒙古电力技术, 2023, 41(6): 26-34. DOI: 10.19929/j.cnki.nmgdljs.2023.0081.
WANG Yi, FAN Xiongfei, GU Chao, HE Baojing, LI Wei, LI Bing, WU Lituo, YANG Hao, YANG Zuwang, ZHANG Jian. Research on SCR Denitrification System and Its Flow Field Optimization for Coal-Fired Boilers[J]. Inner Mongolia Electric Power, 2023, 41(6): 26-34. DOI: 10.19929/j.cnki.nmgdljs.2023.0081.

基金项目

青铜峡铝业发电有限责任公司科技项目“2号机组SCR脱硝系统智能测控及调平系统技术研究及应用”(QIOLED-JG-2022-08-29)

第一作者简介

王轶(1984), 男, 宁夏人, 工程师, 从事锅炉控制工作。E-mail: 231830987@qq.com;
樊雄飞(1990), 男, 宁夏人, 工程师, 从事锅炉运行工作。E-mail: 87979193@qq.com;
顾超(1986), 男, 宁夏人, 工程师, 从事火电厂设备维护检修工作。E-mail: 18995390326@189.cn

文章历史

收稿日期: 2023-06-05
修改日期: 2023-10-05
燃煤锅炉SCR脱硝系统及其流场优化研究
王轶 1, 樊雄飞 1, 顾超 1, 何宝晶 1, 李伟 1, 李兵 1, 伍力拓 2, 杨浩 2, 杨祖旺 2, 张健 2     
1. 青铜峡铝业发电有限责任公司, 陕西 青铜峡 751600;
2. 西安格瑞电力科技有限公司, 西安 710000
摘要: 为解决燃煤机组瞬态过程中选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)系统精准喷氨困难的问题,基于数值计算结果对燃煤锅炉的省煤器出口烟道导板和SCR顶部导流板进行优化,建立被控系统和动态响应模型,利用人工智能算法在线完善模型,以实现精准喷氨。改造后,SCR入口烟道A、B侧烟气流速分别为9.0 m/s和9.2 m/s,相对标准偏差CV值为11.4%和10.7%。SCR入口烟道A、B侧NOx平均质量浓度为250.7 mg/m3和260.5 mg/m3,相对标准偏差CV值分别为4.8%和5.0%。SCR出口烟道A、B侧NOx平均放质量浓度为47.1 mg/m3和51.6 mg/m3,相对标准偏差CV值分别为12.3%和12.5%,基本实现了超低排放的要求。液氨单耗从改造前0.278 3 kg/MWh下降到0.215 2 kg/MWh,下降了27.8%。
关键词: 燃煤锅炉    SCR优化    精准喷氨    流场优化    脱硝系统    
Research on SCR Denitrification System and Its Flow Field Optimization for Coal-Fired Boilers
WANG Yi 1, FAN Xiongfei 1, GU Chao 1, HE Baojing 1, LI Wei 1, LI Bing 1, WU Lituo 2, YANG Hao 2, YANG Zuwang 2, ZHANG Jian 2     
1. Qingtongxia Aluminum Power Generation Co., Ltd, Qingtongxia 751600, China;
2. Xi'an Gerui Power Technology Co., Ltd, Xi'an 710000, China
Abstract: In order to address the difficulty of precise ammonia injection in the Selective Catalytic Reduction(SCR) system during the transient process of coal-fired power units, the author optimizes the outlet flue guide plate and SCR top guide plate of the economizer of a coal-fired boiler based on numerical calculation results, establishes a controlled system and dynamic response model, and improves the model online using artificial intelligence algorithms to achieve precise ammonia injection. After the renovation, the flue gas flow rates on the A and B sides of the SCR inlet flue are 9.0 m/s and 9.2 m/s respectively, with relative standard deviation (CV) values of 11.4% and 10.7%. The average concentrations of NOx on the A and B sides of the SCR inlet flue are 250.7 mg/m3 and 260.5 mg/m3 respectively, with CV values of 4.8% and 5.0%. The average NOx on the A and B sides of the SCR outlet flue are 47.1 mg/m3 and 51.6 mg/m3 respectively, with CV values of 12.3% and 12.5%. These values meet the requirements of ultra-low emissions. The unit consumption of liquid ammonia decreases from 0.278 3 kg per MWh before the renovation to 0.215 2 kg per MWh, with a decrease of 27.8%.
Keywords: coal-fired boiler    SCR optimization    precise ammonia injection    flow field optimization    denitrification system    
0 引言

近年来,我国经济快速发展,对一次能源的消费需求不断增加,虽然核能、风能和太阳能等新能源的占比逐年升高,但煤炭仍占据主导地位[1-3]。煤炭燃烧伴随着大量的污染物生成,为减缓污染物对生态环境的影响,我国生态环境部在2011年颁布了GB 13223—2011《火电厂大气污染排放标准》,严格要求NOx的日平均排放质量浓度控制在100 mg/m3,超低排放法规要求NOx的日排放质量浓度需低于50 mg/m3[4]。目前,选择性非催化还原技术(Selec⁃ tive Non⁃Catalytic Reduction,SNCR)是降低燃煤排放的氮氧化物的主要技术之一[5-6]。我国超过95% 的超临界燃煤电厂采用SNCR脱硝系统,满足超低排放标准的煤电机组装机容量达10.3亿kW,占煤电总装机量的93%。

选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)系统的脱硝性能受到众多因素的影响,如NOx质量浓度[7-8]、NH3质量浓度[8]、烟气温度和流速[9]、催化剂性能[10]、锅炉负荷[11]和NH3与NOx的摩尔比[12]等。其中NH3与NOx摩尔比是影响NOx还原的关键因素,如果喷NH3量不足,将导致NOx排放超标并造成大气污染;相反,如果喷NH3量过多,将造成大量的NH3逃逸,同样会对大气环境造成严重危害[13]

间歇性可再生能源在电网中的高渗透率,使得燃煤机组不得不在负荷循环过程中承担越来越频繁的调峰任务[14]。这些瞬态过程使NOx的生成速率和SCR系统性能不断变化。在这些复杂的条件下,烟道中的NH3喷入量很难精确控制,许多燃煤电厂选择喷入过量的NH3以确保调峰运行期间NOx达到排放标准,但会导致NH3的浪费和NH3逃逸的增加。因此,对燃煤机组调峰、变负荷等瞬态过程中SCR脱硝系统的优化调整对燃煤机组的低污染安全运行具有重要意义[15]

目前,众多研究人员针对燃煤电厂SCR系统优化开展了研究。方俊等人[16]采用数值模拟的方法研究了不同的导流板安装对SCR系统中喷NH3格栅前流场的影响,发现在高速区安装导流板对格栅前的流畅具有较好的优化效果,可将其相对标准偏差值CV降至13.62%,有效提升了流场的均匀性。吴宇星等人[17]同样通过数值模拟的方法优化SCR系统中的流场,发现通过适当增加导流板的数量、改变导流板形状可以在各运行负荷下实现喷NH3格栅前和反应器首层催化剂前的速度CV值均小于15%。韦振祖等人[18]基于计算流体力学提出了喷NH3系统前置和导流板优化方案,模拟计算表明,该方案可将SCR入口CV值降至13.2%,改造后NOxCV值均低于20%。所以,对SCR的流场进行优化,同时精准控制喷NH3量是目前燃煤机组SCR高效脱硝的关键。本文对某电厂2号燃煤锅炉的SCR脱硝系统及其流场进行优化调整,在保证脱硝效率的前提下降低SCR系统NH3的喷入量,减少NH3逃逸,以保证SCR和空预器的安全稳定运行。

1 改造方法 1.1 SCR系统流场优化方法

在进行SCR系统优化调整前,首先对原始烟道中A、B两侧的流速和烟气组分进行测量,基于实际工况建立边界条件,对SCR系统的初始流场进行计算流体力学仿真(Computational Fluid Dynamics,CFD)计算,然后通过采集原始烟道中的速度场等数据来验证模型的可靠性,并对模型进行流场修正,得到准确性较高的SCR进出口烟道流场。在充分考虑和分析SCR烟道实际工况的前提下,对喷NH3、整流和导流设备、烟气混合设备和反应器出入口烟道结构的设计进行仿真计算,并对CFD计算结果进行分析验证。

SCR系统的流场优化包括省煤器出口水平烟道导流板优化和SCR顶部导流板改造,见图 1图 2。省煤器出口水平段烟道管径突变,内部流场不均匀,因此对烟道内的导流板进行优化设计,来改善喷NH3格栅入口烟气流场分布的均匀性。脱硝顶部烟道位置导流板优化改造,可以基本消除催化剂区域的低速流体区,减小催化剂层入口截面速度偏差。脱硝顶部加装导流板后,SCR反应器催化剂层的速度分布会更加均匀。

图 1 省煤器出口水平烟道导流板优化示意图 Figure 1 Schematic diagram of optimized horizontal flue deflector at the coal economizer outlet
图 2 SCR顶部导流板改造示意图 Figure 2 Schematic diagram of SCR top deflector modification
1.2 SCR系统精准喷氨优化方法

根据SCR系统的实际工况建立被控系统的稳态和动态响应模型,利用人工智能算法在线完善模型,并修正预测值。首先,对燃煤机组各燃烧工况下的NOx排放进行精准预估。利用人工智能算法,通过建立动态燃烧模型,对燃煤机组燃烧工况与NOx质量浓度历史相关性的自学习大数据进行分析,并利用遗传算法对数据库进行快速精准定位,实现对环保总排放的NOx精准预估。其次,采用锅炉及反应器模型预估的方式,根据系统优化控制目标,直接计算氨气喷入量,精确控制的脱硝系统氨气流量控制原理如图 3所示。

图 3 精确控制的脱硝系统氨气流量控制原理 Figure 3 Precise control principle of ammonia flow control in denitrification system

(1)入口NOx质量浓度预估:锅炉燃烧产生的NOx量与锅炉燃烧的各种参量相关,在锅炉负荷较大时,产生的NOx量较大。根据锅炉燃烧状态和出口NOx量的相关性分析,建立锅炉燃烧与NOx产生量模型,从而预估出口NOx量,同时用NOx实际测量的结果对模型预测结果进行长期修正拟合,减少NOx含量测量延迟对控制系统的影响。

(2)氨气控制模型中,不仅考虑反应器入口NOx总量(风量×NOx质量浓度),同时计算反应器氨耗率,保证对出口NOx的精确控制。

(3)分析和配比脱硝系统左右侧氨气喷入量,保证脱硝系统两侧氨耗率均衡,降低氨逃逸率。

试验确保测试期间2号燃煤锅炉机组负荷稳定在200 MW,最大波动幅度不超过5%;煤质基本不变;燃料配比不变;制粉系统固定运行方式,给粉均匀;甲乙侧引风机挡板开度变化不大;烟气量和烟尘量均匀稳定;锅炉没有投油助燃;脱硝系统处于完好状态,可正常稳定运行;锅炉控制系统和主要仪表运行均正常。同时对烟气分析仪、烟气流量计等检测设备进行标定。基于此,测量SCR反应器进出口界面的NO/O2质量浓度场、速度场分布,并统计对比分析喷氨量,以此判断2号机组SCR脱硝系统智能测控及其调平系统技术研究及应用项目在优化改造后,其性能指标是否满足相关排放标准。

2 评价方法及指标定义 2.1 烟气流速测量及评价方法

烟道中流速的测量采用等截面网格法。在SCR进口的直烟道选择测量面,在选定测量面的宽度方向开设若干测孔,在每个测孔深度方向上选取若干测点。采用标准皮托管和微压计测量界面上各网格点的动压。根据上述测得的动压计算该截面的平均动压,计算公式如式(1)所示:

(1)

式中:Pd为流量测量截面处平均动压,Pa;Pdi为流量测量截面处各个等分面积上的时间平均动压,Pa;n为测点数量。

采用大气压力表测量当地大气压力,分别采用铠装K形热电偶和U形管压力计测量选定截面处的介质温度和静压。

选定截面处介质流量计算公式如式(2)所示:

(2)

式中:qv为选定测量截面处流量,m2/s;A为选定测量截面面积,m2ρ为选定测量截面介质密度,kg/m3,其计算公式如式(3)所示:

(3)

式中:ρ0为标准状态下介质(空气和烟气)的密度,kg/m3Pa为选定测量处大气压力,Pa;Ps为选定测量截面处静压,Pa;t为选定测量截面处介质温度,℃。

2.2 NOx排放质量浓度测量及评价方法

在SCR反应器的进口和出口烟道选定测量截面,利用网格法进行烟气取样,烟气经不锈钢管引出烟道外,经过冷却、除尘和除湿等预处理后,进入电化学烟气分析仪(德国,Testo350,±1%),测量烟气中NOx的含量,以此获得选定测量截面的NOx质量浓度分布(本文所提及的NOx质量浓度均为修正至标准状态、干基和6%标准氧的NOx质量浓度。)。

SCR反应器进口和出口选定测量截面处的NOx质量浓度计算公式如式(4)—(6)所示:

(4)
(5)
(6)

式中:φNOin, act, O2φNOout, act, O2为SCR进口和出口选定测量截面各点的NO体积分数,10-6ρO2, act为实测O2质量浓度(干基);ρNOxinρNOxout为SCR进口和出口选定测量截面NOx质量浓度,mg/m3ρNOxin(out)为SCR出口和进口选定测量截面处NOx质量浓度的平均值,mg/m3;0.95为经验参数,在燃煤产生的NOx中NO占95%,NO2占5%;2.05为NO2体积分数和质量浓度的转化系数。

烟道中选定测量截面的NOx质量浓度分布相对标准偏差CV值计算公式如式(7)—(9)所示:

(7)
(8)
(9)

式中:ρNOxi为烟道中选定测量截面各点NOx质量浓度,mg/m3ρNOx为选定测量截面处NOx质量浓度平均值,mg/m3δ为NOx质量浓度分布标准偏差,%。

3 结果与讨论 3.1 改造前2号锅炉测试 3.1.1 改造前SCR入口烟道流场分布

改造前2号锅炉200 MW工况下SCR入口烟道流场分布如图 4图 5所示。本文图中H1—H7测点相对位置均为面向烟道由右至左。由图 4图 5可知,SCR入口烟道A侧烟气流速最大值出现在H7测点,为14.8 m/s;烟气流速最小值出现在H1测点,为8.0 m/s。SCR入口A侧烟道平均值为11.3 m/s,标准偏差值为2.6 m/s,相对标准偏差值高达23.4%。对于SCR入口烟道B侧流速最大值出现在H1测点,为14.5 m/s,略低于A侧烟道最高流速;烟气流速最小值出现在H6测点,为9.2 m/s,高于A侧烟道最高流速。对比A侧烟道和B侧烟道,B侧烟道流速的平均值高于A侧烟道,为11.6 m/s;但是标准偏差值和相对标准偏差值较低,分别为2.1 m/s和18.3%。由上述SCR入口A侧和B侧入口烟道的烟气流速可知,二者的相对标准偏差(CV)较大,速度分布不均匀,不利于SCR脱硝系统的安全运行。

图 4 SCR入口A、B侧烟道风速分布 Figure 4 Wind speed distribution in the A and B side flue of SCR inlet
图 5 A、B侧烟道风速统计值 Figure 5 Statistical values of wind speed in A and B side flues
3.1.2 改造前SCR入口NOx分布

改造前2号锅炉200 MW工况下SCR入口NOx和O2分布情况见图 6图 7。由图可知,在SCR入口A侧烟道选定测量截面7个测点中,H4的O2质量浓度最高,为3.8 mg/m3;H2的O2质量浓度最低,为3.0 mg/m3。对于A侧7个测点的NOx,H3的NOx质量浓度最高,高达255.6 mg/m3;H1的NOx质量浓度最低,为164.6 mg/m3。SCR入口A侧烟道选定测量截面的NOx质量浓度平均值为205.9 mg/m3,标准偏差为32.3 mg/m3,相对偏差为16.1%。SCR入口B侧烟道选定测量截面的7个测点中,H7的O2质量浓度最高,为4.8 mg/m3,高于A侧烟道;H1的O2质量浓度最低,仅为2.4 mg/m3,低于A侧烟道。对于选定截面测点的NOx质量浓度,H2的NOx质量浓度同样最高,高达250.0 mg/m3,高于A侧烟道;H4的NOx质量浓度最低,仅为170.3 mg/m3,同样高于A侧烟道。相对于A侧,B侧烟道选定测量截面的NOx质量浓度平均值较高,为208.6 mg/m3;但标准偏差和相对标准偏差均低于A侧烟道,分别为31.9 mg/m3和15.3%。由于改造前2号机组的流场分布和温度场分布偏差过大,同时通过分析烟道选定测量截面的NOx实测值发现,SCR的A、B两侧烟道NOx分布偏差也较大,不利于SCR系统的有效脱硝,导致机组烟气排放不达标。

图 6 SCR入口A、B侧烟道NOx和O2分布 Figure 6 NOx and O2 distribution in the A and B side flues of SCR inlet
图 7 A、B侧烟道NOx和O2统计值 Figure 7 Statistical values of NOx and O2 in the A and B side flues
3.1.3 改造前SCR出口NOx分布

改造前2号锅炉200 MW工况下SCR出口NOx和O2分布见图 8图 9。由图可知,在SCR出口A侧烟道选定测量截面的7个测点中,H7的O2质量浓度最高,为4.7 mg/m3;H5的最低,仅为3.80 mg/m3。在A侧烟道选定测量截面的7个测点中,H4的NOx质量浓度最高,高达81.4 mg/m3;H7的NOx质量浓度最低,仅为45.7 mg/m3。SCR出口B侧烟道选定截面的7个测点中,H6和H7的O2质量浓度相同且最高,为4.4 mg/m3;H1和H3的O2质量浓度相同且最低,均为3.2 mg/m3。B侧烟道选定测量截面7个测点中,H7的NOx质量浓度最高,超过80 mg/m3,为81.9 mg/m3;H1的最低,为50.9 mg/m3。相较于A侧烟道,B侧烟道选定测量截面7个测点NOx质量浓度的平均值较低,为63.1 mg/m3;标准偏差和相对标准偏差则高于A侧,分别为14.1 mg/m3和21.6%。经分析发现,SCR出口的NOx质量浓度偏差较大,且高于超低排放标准(50 mg/m3[19]

图 8 SCR出口A、B侧烟道NOx和O2分布 Figure 8 NOx and O2 distribution in the A and B side flues of SCR outlet
图 9 A、B侧烟道NOx和O2统计值 Figure 9 Statistical values of NOx and O2 for A and B side flues
3.2 改造后2号锅炉测试 3.2.1 改造后SCR入口烟道流场分布

改造后选定的测量截面由改造前的1个截面增加至3个不同深度的截面,深度由小至大分别记为D1、D2和D3。对2号机组改造后,SCR入口烟道流场分布见图 10图 11。由图可知,选定的3个不同深度截面的最高流速均出现在H1,且随着深度的增加而增大,分别为9.9 m/s、10.1 m/s和11.0 m/s;3个不同深度的截面最小流速分别出现在H4、H5和H5,分别为7.4 m/s,6.9 m/s和8.2 m/s。A侧入口3个不同深度截面21个测点流速的平均值为9.0 m/s。此外,SCR入口A侧流速的标准偏差和相对标准偏差显著低于改造前,分别为1.0 m/s和11.4%。对于SCR入口B侧烟道3个不同选定测量截面的最大值同样出现在H1,分别为10.3 m/s、11.2 m/s、10.8 m/s,最小值分别出现在H3、H4、H6测点,分别为7.5 m/s、8.5 m/s和7.8 m/s。B侧烟道3个不同深度选定测量截面21个测点的流速均值为9.2 m/s,与A侧的均值仅相差0.2 m/s。相较于改造前B侧烟道的标准偏差值和相对标准偏差显著降低,分别为1.0 m/s和10.7%。此外,A侧入口烟道流速的标准偏差值相同,相对标准偏差仅差0.4%,所以改造后SCR入口烟道A、B两侧的速度分布均匀,相对标准偏差较小,显著改善了SCR入口流道的流场分布,且满足相对标准偏差≤15%[20]

图 10 SCR进口A、B侧烟道流速分布 Figure 10 Velocity distribution in the A and B side flues of SCR inlet
图 11 A、B侧烟道风速统计值 Figure 11 Statistical values of wind speed in A and B side flues
3.2.2 改造后SCR入口NOx分布

同样的,改造后SCR入口的NOx分布选定的测量截面同样为3个不同深度的截面D1、D2和D3,见 图 12图 14。由图可知,A侧入口烟道选定的3个不同深度截面O2质量浓度最大值出现在H3、H2和H3,分别为3.88 mg/m3、4.23 mg/m3和4.51 mg/m3;O2质量浓度最小值均出现在H6、H5和H6,分别为3.26 mg/m3、3.23 mg/m3和3.12 mg/m3。根据入口3个不同深度截面的O2质量浓度,计算对应6%标准氧的NOx质量浓度。由图 13可知,D1、D2和D3的NOx质量浓度最大值分别出现在H5、H7和H1测点,为256.1 mg/m3、272.2 mg/m3和271.6 mg/m3;最小值出现在H6,为234.6 mg/m3、239.5 mg/m3和223.4 mg/m3。A侧D1、D2和D3截面21个测点的NOx质量浓度平均值为250.7 mg/m3。此外,相较于改造前,改造后的标准偏差和相对标准偏差显著降低,分别降低了19.6 mg/m3和10.5%。B侧入口烟道3个不同深度截面D1、D2和D3的O2质量浓度最大值出现在H7、H1和H6,分别为4.62 mg/m3、3.87 mg/m3和3.92 mg/m3。3个不同深度截面的NOx质量浓度最大值分别出现在H7、H3和H6测点,分别为279.8 mg/m3、266.6 mg/m3和279.9 mg/m3;最小值出现在H1、H2和H1,分别为229.7 mg/m3、240.7 mg/m3和260.9 mg/m3。B侧D1、D2和D3截面21个测点的NOx质量浓度平均值为260.5 mg/m3。相较于改造前B侧烟道,改造后的B侧烟道NOx的标准偏差和相对标准偏差分别降低了19.2 mg/m3和10.3%。对比改造前后SCR入口A、B两侧烟道NOx质量浓度,显著增加烟道内NOx质量浓度分布的均匀性;对比改造后的A、B两侧烟道NOx质量浓度,标准偏差和相对标准偏差分别相差0.4 mg/m3和0.2%,表明改造后的SCR入口A、B两侧烟道的NOx分布均匀,且符合改造要求。

图 12 SCR进口A、B侧烟道O2分布 Figure 12 O2 distribution of SCR inlet A and B side flue
图 13 SCR进口A、B侧烟道NOx分布 Figure 13 NOx distribution of SCR inlet A and B side flue
图 14 SCR进口A、B侧烟道NOx统计 Figure 14 NOx statistics of SCR inlet A and B side flue
3.2.3 改造后SCR出口NOx分布

改造后SCR出口的A、B两侧烟道同样选取3个不同深度(D1、D2和D3)的截面测试NOx分布,结果如图 1517所示。由图可知,A侧入口烟道选定的3个不同深度截面O2质量浓度最大值分别出现在H4、H1和H1,为3.51 mg/m3,4.21 mg/m3和3.95 mg/m3;最小值分别出现在H5、H7和H4,分别为3.11 mg/m3,3.14 mg/m3和2.99 mg/m3。D1、D2和D3的NOx质量浓度最大值分别出现在H1、H1和H7,为46.8 mg/m3、60.3 mg/m3和57.4 mg/m3;最小值均出现在H5,分别为37.9 mg/m3、38.6 mg/m3和49.9 mg/m3。D1、D2和D3不同的测量截面上21个测点NOx质量浓度的均值为47.1 mg/m3,相较于改造前降低了16 mg/m3,符合超低排放要求。相较于改造前,SCR出口A侧烟道NOx质量浓度的标准偏差和相对标准偏差显著降低,分别降低了6.5 mg/m3和7.2%。SCR出口B侧烟道3个不同深度的O2质量浓度最大值出现在H7、H7和H2,为4.12 mg/m3、3.76 mg/m3和3.95 mg/m3;最小值分别出现在H1、H3和H3,分别为3.23 mg/m3、3.23 mg/m3和3.27 mg/m3。D1、D2和D3的NOx质量浓度最大值出现在H7、H5和H7,分别为56.3 mg/m3、59.0 mg/m3和59.5 mg/m3;最小值出现在H1、H6和H1,分别为35.9 mg/m3、46.5 mg/m3和41.1 mg/m3。D1、D2和D3截面21个测点的NOx质量浓度的平均值为51.6 mg/m3,比改造前显著降低了13.6 mg/m3。相较于改造前,改造后SCR出口B侧烟道3个不同深度截面的21个测点的标准偏差和相对标准偏差显著降低,分别降低了7.6 mg/m3和9.15%。SCR出口A、B两侧的NOx质量浓度均值相差4.5 mg/m3,标准偏差相差0.7 mg/m3,相对标准偏差相差0.2%,所以改造后SCR出口NOx质量浓度分布均匀,且满足超低排放要求,达到了改造的目的。

图 15 SCR出口A、B侧烟道O2分布 Figure 15 O2 distribution of SCR outlet A and B side flues
图 16 SCR出口A、B侧烟道NOx分布 Figure 16 NOx distribution of SCR outlet A and B side flues
图 17 SCR出口A、B侧烟道NOx统计 Figure 17 NOx statistics of SCR outlet A and B side flue
3.2.4 精准喷氨改造喷氨量计算对比

调取2号锅炉SCR系统优化改造前后5天,每天相同6 h的历史参数,选取SCR测量截面A、B两侧的喷氨量进行对比。根据对比结果分析改造效果,改造前后选定测量截面A、B两侧的喷氨量分别如表 1所示。由表中数据可知,5天中,SCR脱硝系统入口NOx平均质量浓度为208 mg/m3,发电量为200 MWh。A侧6 h累计喷氨量为146~185 kg,B侧6 h累计喷氨量为158~179 kg;单天A、B两侧累计喷氨量304~364 kg;单天每小时喷氨量55.0~60.7 kg;6天内平均每小时喷氨量为55.6 kg。液氮单耗量为0.278 3 kg/MWh。

表 1 改造前、后SCR系统喷氨统计 Table 1 Ammonia injection statistics of SCR system before and after renovation

改造后,SCR脱硝系统入口NOx平均质量浓度为255 mg/m3,发电量为200 MWh。A侧6 h累计喷氨量介于135~143 kg,B侧6 h累计喷氨量介于149~ 162 kg;单天A、B两侧累计喷氨量介于292~303 kg;单天每小时喷氨量为48.7~50.5 kg。5天内平均每小时喷氨量49.5 kg。液氮单耗量0.200 9 kg/MWh,比改造前的液氨单耗降低0.077 kg/MWh,降低了27.8%。一方面,因经过优化后流场和NOx、O2分布均匀,NH3喷入反应器后可更均匀的和NOx混合,并进行NH3-NOx催化还原反应,NH3-NOx可更充分进行反应。其次,流场优化后,烟道A、B两侧的烟气分布更均匀,避免了SCR的温度因为烟气流速和NOx组分的不均匀而导致温度不均匀,使得全部的SCR催化剂均处于NH3-NOx催化还原的最佳反应温度窗口内。另一方面,在SCR精准喷氨优化中,建立了动态燃烧模型对燃煤机组燃烧工况与NOx质量浓度历史相关性的自学习大数据,并利用遗传算法对数据库进行快速准确定位,所以在锅炉变负荷过程中,可快速精准预测NOx排放量,并快速反馈到SCR喷氨控制阀门,避免过量的氨喷入反应器内。此外,建立了被控系统的自学习和自适应模型,通过对系统模型的实时在线训练,使其逼近真实控制系统。依据脱硝系统的环保和经济指标,通过模型实时计算,可以确定在实际运行工况下的最优控制目标。所以,在经过神经网络控制和专家控制等复杂人工智能算法和控制组态,对各瞬态过程中SCR系统的喷氨量可以实现精准控制。综上所述,经过对SCR的流场优化和喷氨精准控制,一方面NH3-NOx可以反应更充分,同时SCR催化剂表面分布更加均匀,使其全部处在SCR反应的最佳温度窗口。同时,在瞬态过程中可以根据不同负荷精准预估NOx生成量,并反馈给喷氨系统,实现了精准喷NH3的目标。

4 结束语

间歇性可再生能源在电网中的高渗透率,使得燃煤机组在瞬态过程中NOx的生成速率和SCR系统性能不断变化,导致向烟道中的氨喷入量很难精确控制。本文基于数值计算结果对燃煤锅炉的省煤器出口烟道导板和SCR顶部导流板进行优化,建立被控系统和动态响应模型,利用人工智能算法在线完善模型,实现了SCR系统中流场和NOx分布均匀,达到了精准控制喷氨量的目的。

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