CN114839322B - 一种scr反应器出口no浓度测量结果置信度评估方法 - Google Patents

一种scr反应器出口no浓度测量结果置信度评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，属于SCR脱硝技术领域，包括以下步骤：S1、建立SCR反应器仿真模型和脱硝预测模型；S2、确定催化剂入口参数的随机场分布特性；S3、确定催化剂入口参数的分布参数取值；S4、确定蒙特卡洛模拟次数；S5、根据催化剂入口参数的分布参数取值产生随机数；S6、进行蒙特卡洛模拟，得到出口NO浓度分布情况；S7、对出口NO浓度分布模拟样本进行处理；S8、得到满足置信度要求的催化剂入口参数条件。本发明提供了一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，利用本发明的置信度评估方法，在保证出口NO浓度排放达标的同时，可使得SCR反应器出口NO浓度分布更均匀，喷氨调节更可靠，有效避免氨逃逸。

Description

一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法
技术领域
本发明涉及技术领域，具体涉及一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法。
背景技术
烧结是钢铁行业的主要工艺过程，烧结烟气中NOx排放量占钢铁工业总排放量的50％～55％。烧结烟气具有烟气量大且波动幅度大，烟气温度波动大，含湿量大，含氧量高等特点。与燃煤烟气相比，烧结烟气脱硝的条件更为严格。2019年颁布的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》针对各污染物排放浓度提出了更严格的限制标准，其中规定了烧结烟气NOx排放浓度不得高于50mg/m3。钢铁行业施行超低排放将会有效减少污染物排放量，显著改善空气质量，同时也对节能减排技术提出了更高要求。
选择性催化还原(SCR)是控制NOx排放的有效技术，该技术是指在催化剂的作用下混合烟气中的还原剂选择性地与烟气中的NOx发生氧化还原反应，从而生成清洁的N2和H2O。在SCR脱硝技术中，NH3喷射被认为是最可行和最有前途的技术。
目前很多文献提出了权重法喷氨，实现了氨氮摩尔比分布的均匀。与氨氮摩尔比分布情况的调节相比，温度分布、速度分布的调节更难，因为他们几乎完全由已有结构决定。速度、温度对脱硝效率的影响很显著，不均匀的速度、温度往往造成出口NOx浓度极不均匀，烧结烟气NOx中NO占95％以上，以此下文均用NO表示。
现有的出口NO浓度主要是以点抽样为主，通常是在脱硝反应器出口的中心位置布置一个测点，且出口NO浓度控制标准均参照排放标准执行。如果测得的出口NO浓度小于出口NO浓度排放标准则认定排放浓度合格，反之则不合格，同时也是依据测得的出口NO浓度来调节喷氨量。但是实际工程中当出口NO浓度不均匀且NO测点单一，测量结果是否可以准确反映出口平均NO浓度还有待商榷，为此，提出一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决实际工程中当出口NO浓度不均匀且NO测点单一，测量结果是否可以准确反映出口平均NO浓度还有待商榷的问题，提供了一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，得出速度、温度不均匀性对出口NO浓度测量结果置信度的影响，这里的“出口NO浓度测量结果”既指蒙特卡洛模拟得到的出口中心测点所测得NO浓度结果，又指实际工程中出口中心测点所测得NO浓度结果。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
S1：建立SCR反应器仿真模型和脱硝预测模型；
S2：确定催化剂入口参数的随机场分布特性，根据实际风量和实际SCR反应器模型模拟得出催化剂层入口速度、温度分布符合正态分布；
S3：确定催化剂入口参数的分布参数取值，按照步骤S2得到的分布模型，确定催化剂入口速度、温度的均值和相对标准差；
S4：确定蒙特卡洛模拟次数，模拟结果随着模拟抽样次数n的收敛增加逐渐收敛到理论解，据此确定蒙特卡洛模拟次数N；
S5：根据催化剂入口参数的分布参数取值产生随机数，利用MATLAB中的Normrnd函数生成服从正态分布的随机数，即产生不同催化剂入口边界条件；
S6：进行蒙特卡洛模拟，得到出口NO浓度分布情况，将步骤S5产生的随机数作为输入加到步骤S1建立的脱硝预测模型中，按照步骤S4确定的模拟次数进行蒙特卡洛模拟，获得每种工况下N个出口NO浓度分布模拟样本；
S7：对出口NO浓度分布模拟样本进行处理：统计每一次随机场模拟所得的出口平均NO浓度与出口中心NO浓度cp并计算中心浓度偏差ω；
S8：得到满足置信度要求的催化剂入口参数条件，统计出口NO浓度测量结果的置信度，得到计算不同工况下出口NO浓度测量结果置信度的关系模型，最后得到满足置信度的速度、温度相对标准差限值。
更进一步地，在所述步骤S1中，建立的SCR反应器仿真模型包括烟气入口、烟气管道、热风管道、喷氨格栅、2层催化剂和烟气出口。
更进一步地，在所述步骤S1中，基于建立的SCR反应器仿真模型，采用CCD方法建立脱硝预测模型如下：
Y＝-2418-83.75A+8.791B+215.8C-1.015A2-0.008337B2-148.2C2+0.1614AB-2.955AC+0.2458BC
其中，Y为脱硝效率η，A为催化剂入口风速v，B为反应温度T，C为氨氮摩尔比a。
更进一步地，在所述步骤S3中，催化剂入口风速均值用速度相对标准差Cv表示，催化剂入口温度均值用温度相对标准差CT表示，出口NO浓度均值用浓度相对标准差Cρ来进行表示，表达式如下：
其中，vi为测点速度，单位为m/s；n为断面的测点数；为测点断面的平均速度，单位为m/s；Ti为测点温度，单位为K；/>测点断面的平均温度，单位为K；ci为测点NO浓度，单位为kg/m3；/>为测点断面的平均NO浓度，单位为kg/m3。
更进一步地，在所述步骤S4中，蒙特卡洛模拟次数取1000次，即每种工况生成1000组。
更进一步地，在所述步骤S7中，中心浓度偏差ω计算如下：
其中，cp为出口中心NO浓度，单位为kg/m3；为出口平均NO浓度，单位为kg/m3。
本发明相比现有技术具有以下优点：相较于传统的SCR脱硝反应器优化思路，考虑到了出口NO浓度分布均匀性对喷氨调节的影响；利用本评估方法，可以得到满足置信度的催化剂入口速度、温度相对标准差限值，以此为结构优化依据可以在保证出口NO浓度排放达标的同时，可使得SCR反应器出口NO浓度分布更均匀，喷氨调节更可靠，有效避免氨逃逸。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的基于蒙特卡洛模拟的SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法中SCR脱硝反应器几何模型示意图，图中1-入口，2-热风管，3-喷氨格栅，4-静态混合器，5-整流格栅，6-催化剂层，7-出口；
图2为本发明实施例中提供的基于蒙特卡洛模拟的SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法的流程示意图；
图3中的a为本发明实施例中提供的基于蒙特卡洛模拟的SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法中首层催化剂上游温度分布频率图，图3中的b为本发明实施例中提供的基于蒙特卡洛模拟的SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法中首层催化剂上游速度分布频率图；
图4为本发明实施例中提供的基于蒙特卡洛模拟的SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法中偏差等级标准为0.25时不同温度相对标准差下催化剂入口风速与测量结果置信度关系图；
图5为实施例提供的基于蒙特卡洛模拟的SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法中偏差等级标准为0.25时不同速度相对标准差下催化剂入口风速与测量结果置信度关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种技术方案：一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，包括以下步骤：
S1、建立SCR反应器仿真模型和脱硝预测模型：利用商业CFD软件Ansys Fluent建立SCR反应器模型包含烟气入口、烟气管道、热风管道、喷氨格栅、2层催化剂和烟气出口；基于该SCR反应器，采用CCD(中心复合法)建立脱硝预测模型。
在本实施例中，SCR反应器几何尺寸如下：
表1 SCR反应器几何尺寸表
SCR反应器 尺寸
进口截面尺寸/(mm×mm) 2500×7000
烟道截面尺寸/(mm×mm) 2400×9288
反应器主体截面尺寸/(mm×mm) 8000×8950
出口截面尺寸/(mm×mm) 2500×7000
催化剂层厚度/mm 800
催化剂孔隙率 0.718
反应器高度/mm 20000
在本实施例中，脱硝预测模型如下：
Y＝-2418-83.75A+8.791B+215.8C-1.015A2-0.008337B2-148.2C2+0.1614AB-2.955AC+0.2458BC；
其中，Y为脱硝效率η(％)，A为催化剂入口风速v(m/s)，B为反应温度T(K)，C为氨氮摩尔比a。
S2、确定催化剂入口参数的随机场分布特性：根据实际风量和实际SCR反应器模型模拟得出催化剂层入口速度、温度分布符合正态分布。
从图3中的a可以看出首层催化剂上游温度分布呈现两边频率低、中间频率高，近似正态分布，因此可认为首层催化剂上游温度分布为正态分布。
从图3中的b可以看出首层催化剂上游速度分布除了0～0.5m/s范围分布的频率较高，其它速度分布呈现两边频率低、中间频率高，0～0.5m/s速度范围出现的频率较高是烟气在SCR脱硝反应器内流动时贴近四壁处的流速较小造成的；仍认为首层催化剂上游速度分布为正态分布，基本符合实际情况。
S3、确定催化剂入口参数的分布参数取值：
按照步骤S2得到的分布模型，确定催化剂入口速度、温度的均值和相对标准差；
其中，催化剂入口风速均值就是脱硝预测模型中的“A为催化剂入口风速v”；催化剂入口温度均值就是脱硝预测模型中的“B为反应温度T”；相对标准偏差在步骤S2中得到。将这几个参数带入脱硝预测模型中可得到出口脱硝效率Y。
在本实施例中，催化剂入口风速均匀性可用速度相对标准差Cv表示，催化剂入口温度均匀性可用温度相对标准差CT表示，出口NO浓度均匀性可用浓度相对标准差Cρ来进行表示，其表达式如下：
其中，vi为测点速度，m/s；n为断面的测点数；为测点断面的平均速度，m/s；Ti为测点温度，单位为K；/>测点断面的平均温度，单位为K；ci为测点NO浓度，kg/m3；/>为测点断面的平均NO浓度，kg/m3。
在本实施例中，设计如下温度随机场：催化剂入口温度取553K温度相对标准差CT取0.005、0.010、0.015、0.020、0.025五种工况，催化剂入口速度均值取1.35m/s、2.1m/s、3.2m/s、4.3m/s、5.05m/s，共生成5×5＝15种工况。每一次随机场模拟都相当于脱硝过程，其出口NO浓度也呈现不同的分布特征，详细的设计工况总结于表2。
表2温度随机场工况设计(速度均值不同)：
在本实施例中，设计如下速度随机场：速度均值取1.35m/s、2.1m/s、3.2m/s、4.3m/s、5.05m/s，速度相对标准差Cv取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3共6种工况，共生成5×6＝30种工况的速度随机场；每一次随机场模拟都相当于脱硝过程，其出口NO浓度也呈现不同的分布特征。设计工况见表3。
表3速度随机场工况设计
S4：确定蒙特卡洛模拟次数：模拟结果随着模拟抽样次数n的收敛增加逐渐收敛到理论解，据此可确定蒙特卡洛模拟次数N。
需要说明的是，蒙特卡洛方法是通过抽样试验来计算所求参数的统计特性，得出该事件发生的频率。具体来说是当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，它们可以通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的频率，或者这个随机变数的平均值，并用它们作为问题的解。
在本实施例中，蒙特卡洛模拟次数取1000次，即每种工况生成1000组。
S5、根据催化剂入口参数的分布参数取值产生随机数：利用MATLAB中的Normrnd函数生成服从正态分布的随机数，即产生不同催化剂入口边界条件。
S6、进行蒙特卡洛模拟，得到出口NO浓度分布情况
将步骤S5产生的随机数作为输入加到步骤S1建立的脱硝预测模型中，按照步骤S4确定的模拟次数进行蒙特卡洛模拟，获得每种工况下N个出口NO浓度分布模拟样本。
S7、对出口NO浓度分布模拟样本进行处理：
统计每一次随机场模拟所得的出口平均NO浓度与出口中心NO浓度cp并计算中心浓度偏差ω。中心浓度偏差越大表示中心测点测得的NO浓度与出口平均NO浓度的偏差越大，中心测点测量结果越不具备代表出口平均NO浓度水平的能力。
在本实施例中，中心浓度偏差ω计算如下：
其中，cp为出口中心NO浓度，kg/m3；为出口平均NO浓度，kg/m3。
在本实施例中，人为地将中心浓度偏差划分为若干个偏差等级标准(以下简称“偏差等级标准”)，不同的偏差等级标准代表不同的出口NO测量准确度。例如，若规定中心浓度偏差等级标准为0.05，这代表只有当中心浓度偏差ω小于等于0.05时，才认为所测的出口中心NO浓度cp可以代表整个出口截面的NO浓度水平。
统计每种工况的N组模拟结果，可以得到中心测点测量结果落在某一中心浓度偏差等级标准范围内的次数与总次数的比值，该比值定义为“出口NO测量结果置信度”(以下简称“测量结果置信度”)，用以描述针对某一工况、一定偏差等级标准下测量结果是否可信的概率。例如，规定中心浓度偏差等级标准为0.1，若1000次模拟结果中有900次结果满足0.1偏差等级标准，表明单次测量结果中有90％的可能性中心NO浓度可以代表出口NO平均浓度，单次测量结果置信度为0.9。
中华人民共和国国家环境保护标准《固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续监测技术规范HJ 75-2017》指出的氮氧化物检测准确度如下：20μmol/mol(41mg/m3)≤排放浓度<50μmol/mol(103mg/m3)时，相对误差不超过±30％；排放浓度<20μmol/mol(41mg/m3)时，绝对误差不超过±6μmol/mol(12mg/m3)。
据此本实施例设定偏差等级标准为0.25。规定测量结果置信度大于等于0.90为高可信度，即规定中心浓度偏差ω小于等于0.25时中心测点所测NO浓度可以代表出口NO浓度平均水平，测量结果置信度大于等于0.90时测量结果可靠性足够。
由附图4可知，同一温度相对标准差下，测量结果置信度随催化剂入口风速的增加呈先减小后增大，其中在催化剂入口风速为2.1m/s时，测量结果置信度达到最小。随着温度相对标准差的减小，每个催化剂入口风速对应的测量结果置信度增大。温度相对标准差小于等于0.005时，SCR脱硝反应器催化剂入口风速在1.35～5.05m/s之间置信度均大于0.9，即可认为此时均可满足测量结果可信。
由附图5可知，同一速度相对标准差下，测量结果置信度随催化剂入口风速的增加呈先减小后增大，其中在催化剂入口风速3.2m/s～4.3m/s之间时，测量结果置信度达到最小。随着速度相对标准差的减小，每个催化剂入口风速对应的测量结果置信度增大。速度相对标准差小于等于0.1时，SCR脱硝反应器催化剂入口风速在1.35～5.05m/s之间置信度均大于0.9，即可认为此时均可满足测量结果可信。
S8、得到满足置信度要求的催化剂入口参数条件：
统计出口NO浓度测量结果的置信度，最后得到满足置信度的速度、温度相对标准差限值，温度相对标准差小于等于0.005时，SCR脱硝反应器催化剂入口风速在1.35～5.05m/s之间置信度均大于0.9，即可认为此时均可满足测量结果可信；速度相对标准差小于等于0.1时，SCR脱硝反应器催化剂入口风速在1.35～5.05m/s之间置信度均大于0.9，即可认为此时均可满足测量结果可信。
综上所述，上述实施例的SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，相较于传统的SCR脱硝反应器优化思路，考虑到了出口NO浓度分布均匀性对喷氨调节的影响；利用本评估方法，可以得到满足置信度的催化剂入口速度、温度相对标准差限值，以此为结构优化依据可以在保证出口NO浓度排放达标的同时，可使得SCR反应器出口NO浓度分布更均匀，喷氨调节更可靠，有效避免氨逃逸，值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立SCR反应器仿真模型和脱硝预测模型；
S2：确定催化剂入口参数的随机场分布特性：根据实际风量和实际SCR反应器模型模拟得出催化剂层入口速度、温度分布符合正态分布；
S3：确定催化剂入口参数的分布参数取值：按照步骤S2得到的分布模型，确定催化剂入口速度、温度的均值和相对标准差；
S4：确定蒙特卡洛模拟次数：模拟结果随着模拟抽样次数n的收敛增加逐渐收敛到理论解，据此确定蒙特卡洛模拟次数N；
S5：根据催化剂入口参数的分布参数取值产生随机数：利用MATLAB中的Normrnd函数生成服从正态分布的随机数，即产生不同催化剂入口边界条件；
S6：进行蒙特卡洛模拟，得到出口NO浓度分布情况：将步骤S5产生的随机数作为输入加到步骤S1建立的脱硝预测模型中，按照步骤S4确定的模拟次数进行蒙特卡洛模拟，获得每种工况下N个出口NO浓度分布模拟样本；
S7：对出口NO浓度分布模拟样本进行处理：统计每一次随机场模拟所得的出口平均NO浓度与出口中心NO浓度cp并计算中心浓度偏差ω，将中心浓度偏差划分为多个偏差等级标准，统计每种工况的N组模拟结果，得到中心测点测量结果落在某一中心浓度偏差等级标准范围内的次数与总次数的比值，该比值定义为出口NO浓度测量结果置信度；
S8：得到满足置信度要求的催化剂入口参数条件：统计出口NO浓度测量结果的置信度，得到计算不同工况下出口NO浓度测量结果置信度的关系模型，最后得到满足置信度的速度、温度相对标准差限值。
2.根据权利要求1所述的一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，其特征在于：在所述步骤S1中，建立的SCR反应器仿真模型包括烟气入口、烟气管道、热风管道、喷氨格栅、2层催化剂和烟气出口。
3.根据权利要求2所述的一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，其特征在于：在所述步骤S1中，基于建立的SCR反应器仿真模型，采用CCD方法建立脱硝预测模型如下：
Y＝-2418-83.75A+8.791B+215.8C-1.015A2-0.008337B2-148.2C2+0.1614AB-2.955AC+0.2458BC
其中，Y为脱硝效率η，A为催化剂入口风速v，即步骤S3中的催化剂入口速度均值，B为反应温度T，即步骤S3中催化剂入口温度均值，C为氨氮摩尔比a。
4.根据权利要求3所述的一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，其特征在于：在所述步骤S3中，催化剂入口风速均值用速度相对标准差Cv表示，催化剂入口温度均值用温度相对标准差CT表示，出口NO浓度均值用浓度相对标准差Cρ来进行表示，表达式如下：
其中，vi为测点速度，单位为m/s；n为断面的测点数；为测点断面的平均速度，单位为m/s；Ti为测点温度，单位为k；/>测点断面的平均温度，单位为k；ci为测点NO浓度，单位为kg/m3；/>为测点断面的平均NO浓度，单位为kg/m3。
5.根据权利要求1所述的一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，其特征在于：在所述步骤S4中，蒙特卡洛模拟次数取1000次，即每种工况生成1000组。
6.根据权利要求4所述的一种SCR反应器出口NO浓度测量结果置信度评估方法，其特征在于：在所述步骤S7中，中心浓度偏差ω计算如下：
其中，cp为出口中心NO浓度，单位为kg/m3；为出口平均NO浓度，单位为kg/m3。
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烧结烟气SCR 脱硝反应器流场数值模拟及结构优化;叶蒙蒙等;第十一届全国能源与热工学术年会论文集;第146-149页 *

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