CN111437721B - 一种选择性催化还原脱硝装置混合器多工况性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种选择性催化还原脱硝装置混合器多工况性能优化方法，包括：步骤1，基于实际SCR脱硝系统的尺寸和结构，以1:1比例建立包含锅炉省煤器出口和脱硝装置反应器的三维几何模型，并将所述三维几何模型离散化，创建网格模型，搭建数值计算平台；步骤2，基于迎风面积相同的不同种类混合器，数值模拟SCR脱硝系统内气固两相流场及各组分混合过程，分析催化剂上方截面气固两相流及氨氮比的不均匀性，以确定最优的混合器形式。本发明能够解决因气固两相流场不均、氨氮掺混不足及机组深度调峰导致脱硝入口流场变化等因素造成催化剂磨损、氨逃逸高、还原剂过量消耗及空预器堵塞等问题。

Description

一种选择性催化还原脱硝装置混合器多工况性能优化方法

技术领域

本发明属于燃煤锅炉大气污染控制技术领域，尤其涉及一种选择性催化还原脱硝装置混合器多工况性能优化方法。

背景技术

随着社会对环保的要求持续提高，针对燃煤电厂氮氧化物(NOx)污染物排放的标准越来越严格。我国300MW以上的火电机组超过90％采用选择性催化还原脱硝(SCR)技术脱除NOx。近年来，我国能源战略不断向绿色低碳方向发展，新能源发电装机容量大规模增加迫使燃煤机组通过深度调峰(低负荷)、提升灵活性(变负荷)等措施保障新能源大规模消纳，减少弃风、弃光、弃水。燃煤机组长期在低负荷、变负荷条件下运行，将导致SCR脱硝反应器入口氨氮比不均、烟尘速度、烟尘浓度偏差大，造成催化剂磨损、氨逃逸排放超标(产生蓝色烟羽)、还原剂过量消耗及空预器堵塞等问题。上述问题严重影响燃煤机组烟气脱硝系统安全、稳定、经济运行，成为燃煤发电领域亟待解决的关键技术难题。传统的SCR脱硝流场设计方法是以经验为主的单工况设计方法，经验因素偏多，且没有科学的理论与数学模型作为支撑，因此需要对SCR脱硝装置混合器进行多工况性能优化设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种选择性催化还原脱硝装置混合器多工况性能优化方法，以解决现有技术中因气固两相流场不均、氨氮掺混不足及机组深度调峰导致脱硝入口流场变化等因素造成催化剂磨损、氨逃逸高、还原剂过量消耗及空预器堵塞等问题。

本发明提供了一种选择性催化还原脱硝装置混合器多工况性能优化方法，包括：

步骤1，基于实际SCR脱硝系统的尺寸和结构，以1:1比例建立包含锅炉省煤器出口和脱硝装置反应器的三维几何模型，并将所述三维几何模型离散化，创建网格模型，搭建数值计算平台；

步骤2，基于迎风面积相同的不同种类混合器，数值模拟SCR脱硝系统内气固两相流场及各组分混合过程，分析催化剂上方截面气固两相流及氨氮比的不均匀性，以确定最优的混合器形式。

进一步地，所述步骤2包括：

1)将催化剂上方截面的氨氮比Cv与压损Δp归一化处理后的差值确定为目标函数，将混合器结构参数中的角度θ、直径d、高度h确定为设计变量，将催化剂上方截面烟气流速CV、锅炉省煤器出口至SCR脱硝系统首层催化剂入口截面压损确定为性能约束条件；

其中：

max Obj＝(1-C_v′)-Δp′(3)

s.t.速度Cv≤15％，Δp≤190Pa；

式中，n为试验次数；x为试验结果；

为试验结果均值；Cv'、Δp'分别为样本中氨氮比、压损的归一化值；Cv^min、Δp^min为所有样本中氨氮比、压损的最小值；Cv^max、Δp^max为所有样本中氨氮比、压损的最小值；

2)通过中心复合设计，对混合器角度θ、直径d、高度h进行多因素多水平试验设计；

3)根据步骤1中搭建的数值计算平台，对各试验方案进行单工况计算，计算单工况设计混合器的SCR脱硝系统的速度、烟尘浓度、氨氮比与压损；

4)对数值试验数据进行统计分析、拟合曲面、建立数学预测模型，对目标函数在预测模型的基础上求最优解结构参数。

进一步地，所述步骤2还包括：

5)根据燃煤发电机组全年运行负荷在脱硝三个典型工况点附近出现的概率，对多工况条件下混合器性能参数赋予不同的权重，对期望函数进行多目标优化，求解具有更好负荷适应性的结构参数。

进一步地，所述步骤5)具体包括：

基于发电厂SIS系统采集燃煤发电机组全年负荷数据，统计机组全年运行负荷在脱硝三个典型工况点50％BMCR、75％BMCR、100％BMCR附近出现的概率，将其定义为权重系数wti；

根据步骤2)中的设计方案重新进行三个典型工况点的数值计算，计算每种方案混合器在不同工况点下的性能参数，分别乘以对应的权重系数wt_i后做代数和，构成新的期望Obj；

根据步骤4)重新对数值试验数据建立数学预测模型，对目标函数求解多工况最优解结构参数。

借由上述方案，通过选择性催化还原脱硝装置混合器多工况性能优化方法，能够解决因气固两相流场不均、氨氮掺混不足及机组深度调峰导致脱硝入口流场变化等因素造成催化剂磨损、氨逃逸高、还原剂过量消耗及空预器堵塞等问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明一实施例中混合器的几何结构及布置方式示意图；其中，(a)为圆盘混合器，(a)为管式混合器，(c)为V型混合器，(d)为三角翼混合器；

图2是本发明一实施例中多因素条件对期望值的影响；

图3是本发明一实施例中某机组全年运行负荷曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参图1至图3所示，以某300MW亚临界燃煤发电机组SCR脱硝装置为例，对选择性催化还原脱硝装置混合器多工况性能优化方法进行说明：

(1)基于脱硝装置的尺寸和结构，建立包含锅炉省煤器出口和脱硝装置反应器的三维几何模型，并将所述三维几何模型离散化，创建网格模型；为了对比各种混合器的流动特性和阻力损失，采用基于有限体积法的离散化方法分别对原型及各种混合器进行湍流计算。由于烟气流经混合器速度梯度较大，对其附近的网格进行局部加密，经网格无关性验证，网格总数为12470890-12671192。

烟气流动采用Realizable k-ε湍流模型描述，二阶迎风格式，Simple算法。

主要设计参数如下：烟气温度为633K，烟气流速为4.1m/s，动力粘度为3.02×10^{- 5}Pa·s，烟气密度为0.568kg/m³。氨氮比设定为0.9，氨空比为0.05。工况烟尘浓度为62275mg/m³，烟尘粒径服从Rosin-Rammler分布，最大粒径200μm，最小粒径2.5μm，平均粒径127.10μm，分布指数1.118，烟尘真实密度为2000kg/m³。

通过数值计算，首层催化剂上方截面0.50m截面流场均匀性及省煤器出口至首层催化剂上方截面0.50m处流阻的计算结果见表1。

表1各种混合器性能对比表

类型	流阻/P<sub>a</sub>	相对差值/％	速度C<sub>v</sub>/％	相对差值/％	氨氮比C<sub>v</sub>/％	相对差值/％	烟尘浓度C<sub>v</sub>/％	相对差值/％
									原型	136.63	0	12.23	0	8.76	0	81.51	0
圆盘	169.49	24.05	11.05	-9.63	4.86	-44.49	67.12	-17.65
									管式	147.70	8.11	11.78	-3.64	7.29	-27.24	68.57	-15.87
V型	151.61	10.97	12.40	-5.98	6.37	-16.84	75.36	-7.55
									三角翼	163.90	19.96	11.50	1.38	9.31	6.28	73.97	-9.25

(2)构造催化剂上方截面的氨氮比Cv与压损Δp归一化处理后的差值为目标函数，以圆盘混合器为例，角度(θ)、直径(d)结构参数为设计变量，催化剂上方截面烟气流速CV、锅炉省煤器出口至SCR脱硝系统首层催化剂入口截面压损为性能约束条件；

max Obj＝(1-C_v′)-Δp′ (3)

s.t.速度Cv≤15％，Δp≤190Pa

其中，n为试验次数；x为试验结果；

为试验结果均值；Cv'、Δp'分别为样本中氨氮比、压损的归一化值；Cv、Δp为原始样本值；Cv^min、Δp^min为所有中氨氮比、压损的最小值；Cv^max、Δp^max为所有中氨氮比、压损的最小值。

各个参数根据前人研究结果确定各因素的取值范围，两因素三水平表如下表2所示。

表2因素水平表

将两种因素的最大值与最小值输入到Design-Expert中，对数值试验数据进行统计分析、拟合曲线、建立数学模型。当满足速度Cv≤15％，压损在技术协议要求值(190Pa)以下，且期望最大时，圆盘混合器的结构为最优，预测响应值的期望用式(3)进行定义。

通过中心复合(CCD)设计得到的13种结构分别进行建模、网格划分、模拟计算，得到各种结构的氨氮比Cv、压损与Obj，见表3。

表3两因素数值计算结果和期望值表

利用Design-Expert对试验数据进行二次多项式拟合，得到目标函数Obj与两个因素的多元二次同归方程。其中代入实际步长，得到未编码的方程模型如下式：

Obj＝-1.51353+0.024772×θ+3.75775×d-0.01144×θ×d-0.000170887×θ²-2.26447×d²

对目标函数在二次多项式预测模型的基础上求最优解，所得的最优结构参数为θ＝48.82°、d＝710mm，此时Obj为0.418515。

(3)通过SIS系统调取某330MW机组2018年度运行负荷情况，如下图3所示。统计该机组运行负荷在SCR脱硝三个典型工况点(50％、75％、100％BMCR)附近出现的概率，定义为权重系数wt_i。对设计方案(表3)重新进行三个典型工况点的数值计算，计算得到不同工况点下的混合器性能参数，分别乘以对应的权重系数wt_i后做代数和，构成新的期望Obj，见式(5)。

式中，wt_i为权重。

对目标函数在二次多项式预测模型的基础上求最优解，所得的最优结构参数为θ＝49.57°、d＝700mm。

表4多工况优化计算结果对比表

本发明采用数值模拟计算不同种类混合器针对某特定SCR脱硝系统的性能优劣，以确定混合器形式；将各种类型混合器结构分解为：角度、直径、安装高度等结构参数，以催化剂上方截面的氨氮比Cv与压损Δp归一化处理后的差值为目标函数，通过中心复合(CCD)设计，运用统计学软件Design-Expert，对数值试验数据进行统计分析、拟合曲面、建立数学模型，对目标函数在预测模型的基础上求最优解结构参数；根据燃煤发电机组全年运行负荷在脱硝三个典型工况点(50％BMCR、75％BMCR、100％BMCR)附近出现的概率，对多工况条件下混合器性能参数赋予不同的权重，对目标函数进行多工况修正，求解具有更好负荷适应性的混合器结构参数。有助于解决因气固两相流场不均、氨氮掺混不足及机组深度调峰导致脱硝入口流场变化等因素造成催化剂磨损、氨逃逸高、还原剂过量消耗及空预器堵塞等问题，为SCR脱硝系统混合器结构参数多工况优化提供了借鉴。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种选择性催化还原脱硝装置混合器多工况性能优化方法，其特征在于，包括：

步骤1，基于实际SCR脱硝系统的尺寸和结构，以1:1比例建立包含锅炉省煤器出口和脱硝装置反应器的三维几何模型，并将所述三维几何模型离散化，创建网格模型，搭建数值计算平台；

步骤2，基于迎风面积相同的不同种类混合器，数值模拟SCR脱硝系统内气固两相流场及各组分混合过程，分析催化剂上方截面气固两相流及氨氮比的不均匀性，以确定最优的混合器形式，包括：

1)将催化剂上方截面的氨氮比的Cv与压损Δp归一化处理后的差值确定为目标函数，将混合器结构参数中的角度θ、直径d、高度h确定为设计变量，将催化剂上方截面烟气流速的Cv、锅炉省煤器出口至SCR脱硝系统首层催化剂入口截面压损确定为性能约束条件；

其中：

max Obj＝(1-C_v′)-Δp′ (3)

s.t.速度Cv≤15％，Δp≤190Pa；

式中，n为试验次数；x为试验结果；

为试验结果均值；Cv'、Δp'分别为样本中氨氮比、压损的归一化值；Cv^min、Δp^min为所有样本中氨氮比、压损的最小值；Cv^max、Δp^max为所有样本中氨氮比、压损的最大值；

2)通过中心复合设计，对混合器角度θ、直径d、高度h进行多因素多水平试验设计；

3)根据步骤1中搭建的数值计算平台，对各试验方案进行单工况计算，计算单工况设计混合器的SCR脱硝系统的速度、烟尘浓度、氨氮比与压损；

4)对数值试验数据进行统计分析、拟合曲面、建立数学预测模型，对目标函数在预测模型的基础上求最优解结构参数；

5)根据燃煤发电机组全年运行负荷在脱硝三个典型工况点附近出现的概率，对多工况条件下混合器性能参数赋予不同的权重，对期望函数进行多目标优化，求解具有更好负荷适应性的结构参数，具体包括：

基于发电厂SIS系统采集燃煤发电机组全年负荷数据，统计机组全年运行负荷在脱硝三个典型工况点50％BMCR、75％BMCR、100％BMCR附近出现的概率，将其定义为权重系数wt_i；

根据步骤2)中的设计方案重新进行三个典型工况点的数值计算，计算每种方案混合器在不同工况点下的性能参数，分别乘以对应的权重系数wt_i后做代数和，构成新的期望Obj；

根据步骤4)重新对数值试验数据建立数学预测模型，对目标函数求解多工况最优解结构参数。

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