CN210544373U - 分区涡流卷吸喷氨系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种分区涡流卷吸喷氨系统，在烟道入口处设有箱型栅格，箱型栅格由隔板至少均分为六个单元，分隔各单元的隔板平行于烟气方向设置形成若干烟气通道；每个单元底部四角处分别设置一个喷氨嘴，每个单元的四个喷氨嘴呈同向顺时针或逆时针排布。本实用新型的喷氨系统中喷氨嘴与烟气来流方向呈85°～90°的夹角，还原剂射流会在运动的过程中对烟气造成冲击，在射流和烟气之间会产生一个速度不连续的间断面，形成涡体促进烟道中的NH₃与NOx更加均匀地混合。

Description

分区涡流卷吸喷氨系统

技术领域：

本实用新型属于大气污染控制领域，涉及一种燃煤电站烟气脱硝装置分区涡流卷吸喷氨系统，适用于火电机组烟气脱硝装置的喷氨调节。

背景技术：

火电机组SCR反应器自身的尺寸较为庞大，如果喷入的氨气存在过量太多，会导致氨气逃逸现象的发生，氨逃逸控制较为困难。灵活性改造后，机组负荷在较大的范围内波动，负荷波动的同时导致烟气流场的波动和入口氮氧化物浓度场的变化，原有的喷氨系统采用的喷入方式调节范围较为有限，如何在机组负荷波动条件下，保证脱硝反应器入口烟气的氨/氮摩尔比成为脱硝系统适应机组负荷的变化，满足出口NOx浓度要求，保持较低的氨逃逸率所必须解决的关键问题。

目前的脱硝系统喷氨量的控制控制回路多采用机组负荷、燃煤量等作为前馈控制参数，反应器出口氮氧化物浓度作为反馈控制参数，由于烟气从反应器入口烟道的喷氨位置到达反应器出口的氮氧化物浓度测点存在一定的延时，在机组负荷波动情况下，控制系统的响应较慢，需要手工干预，不能适应机组发电量自动控制的调整要求。目前针对脱硝系统喷氨控制的主流技术包括：PID串级控制、自适应Smith控制等，都基于这一较长控制回路采取优化调整的方法进行。在机组负荷变动范围较小时，部分技术能适应机组负荷波动的响应速度要求，但是在机组负荷变动较大时，则有可能超出其调整的能力范围。

有专利提出采用涡流板形式的涡流混合装置，但是在实际应用中，由于烟道含有高浓度的飞灰，导致应用一段时间后涡流板发生严重磨损，涡流混合效果差，氨逃逸率高，甚至于影响喷嘴附近的流场，导致喷嘴磨损，喷氨射流速度也受到影响，无法达到预期的喷氨效果。

发明内容：

针对上述问题，本实用新型提出一种火电机组烟气脱硝装置的分区涡流卷吸喷氨系统，其技术方案如下：

一种分区涡流卷吸喷氨系统，用于火电机组烟气脱硝装置的喷氨调节，包括混氨系统和喷氨嘴，喷氨嘴设于烟道入口处，混合后的氨气由喷氨嘴喷入烟道，其特征在于：烟道入口处还设有箱型栅格，该箱型栅格由隔板至少均分为六个单元，分隔各单元的隔板平行于烟气方向设置形成若干烟气通道；每个单元底部四角处分别设置一个喷氨嘴，每个单元的四个喷氨嘴呈同向顺时针或逆时针排布，并且与相邻边的锐角夹角呈5°～30°；每个单元的四个喷氨嘴均沿与水平方向呈 0°～5°夹角设置。

优选地，所述混氨系统包括稀释风调节支管、氨气支管、喷氨母管、流量计、调节阀和静态混和器；其中，稀释风经稀释风调节支管与来自氨气支管来的氨气经静态混合器混合，混合后的混合气体分别由喷氨母管输送至各单元的喷氨嘴，每个喷氨母管与一个单元的四个喷氨嘴连接。

优选地，稀释风调节支管、氨气支管和喷氨母管上分别设置流量计和调节阀。

优选地，所述箱型栅格高度为1～1.5m。

优选地，所述箱型栅格由隔板均分为六个、八个、十个和十二个单元。

优选地，所述火电机组烟气脱硝装置的出口和所述箱型栅格的入口对应每个单元分别设有抽取采样装置，用于测量氨气和氮氧化物浓度。

优选地，所述喷氨嘴的孔径为8～30mm。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：

1.本实用新型喷氨系统采用的喷氨嘴与烟气来流方向呈85～90°的夹角，还原剂射流会在运动的过程中对烟气造成冲击，在射流和烟气之间会形成一个速度不连续的间断面，在烟气干扰下，出现局部波动，发展成涡体，卷吸周围的烟气进入射流，两者混掺在一起向前流动。

2.本实用新型喷氨系统从竖直方向看，当还原剂从喷口射入烟气中时，射流还受到纵向烟气的冲击作用发生偏转，在射流偏转过程中，主体竖直断面内逐渐形成和发展出一对旋转方向相反的涡，即反旋转涡对。反旋转涡对不仅会引起射流断面形状的变化，主导产生射流与横流之间的卷吸和混合作用，并能一直维持至下游较远距离。

3.本实用新型喷氨系统从水平方向看，每个箱型格区内射流在中心区域中以切圆的形式汇合，形成一道随着烟道方向发展并耗散的气旋，卷吸周围烟气，进一步促进烟道中的NH₃与NOx更加均匀的混合。

附图说明:

图1为本实用新型混氨系统排布示意图；

图2为箱型栅格安装位置示意图。

图3为箱型栅格俯视图；

图4为喷氨嘴安装侧视图；

图5为喷氨母管在对应单元排布示意图；

图6为箱型格区三维立体图；

图7为氨氮摩尔比的最大标准差σ_max与距离关系例图；

其中：1-氨气流量计；2-氨气调节阀；3-稀释风调节阀；4-稀释风流量计； 5-静态混合器；6-稀释风机；7-喷氨嘴；8-喷氨母管；9-箱型格区；10-支撑梁； 11-管式加热器；12-氨气区；13-抽取采样装置。

具体实施方式：

下面结合附图以及具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例一：

本实施例提供一种分区涡流卷吸喷氨系统，用于火电机组烟气脱硝装置的喷氨调节，包括混氨系统和喷氨嘴，喷氨嘴设于烟道入口处，混合后的氨气由喷氨嘴喷入烟道，如图1所示，烟道入口处还设有箱型栅格9，箱型栅格9的高度为 1.2m，如图4所示，箱型栅格9下部设置支撑梁10，支撑梁10与烟道固定连接，箱型栅格9底面与烟道入口截面相适配。如图6所示，本实施例的箱型栅格9 由隔板均分为八个单元，该八个单元呈2x4个的形式排布；分隔各单元的隔板平行于烟气方向设置形成八个烟气通道；脱硝系统出口以及箱型栅格9的入口对应每个单元分别设有抽取采样装置13，用于测量氨气和氮氧化物浓度。

如图2、图3和图4所示，每个单元底部四角处分别设置一个喷氨嘴7，每个喷氨嘴7的孔径为20mm。每个单元的四个喷氨嘴7呈同向顺时针或逆时针排布，相邻两喷氨嘴7射流方向相垂直；每个喷氨嘴7与相邻边的锐角夹角呈15°角；每个单元的四个喷氨嘴7均沿水平方向向下设置，与水平面的夹角呈2°角。

实施例二：

本实施例的进一步设计在于：如图1所示，混氨系统包括稀释风调节支管、氨气支管、喷氨母管8、流量计、调节阀和静态混和器；其中，

稀释风调节支管一端依次连接管式加热器11和稀释风机6，另一端连接静态混和器的稀释风入口；稀释风调节支管上沿稀释风流动方向依次设有稀释风调节阀3和稀释风流量计4。

氨气支管一端连接氨气区12，另一端连接静态混和器5的氨气入口。氨气支管上沿氨气流动方向依次设有氨气流量计1和氨气调节阀2。

喷氨母管8一端连接静态混和器5的氨气出口，另一端连接一个单元底部的四个喷氨嘴7；每个单元对应一路喷氨母管8，如图5所示，每个单元对应的喷氨母管8沿着该单元底部，呈半包围C型形状排布，并连接该单元四角处的喷氨嘴7。

实施例三：

本实施例的进一步设计在于：箱型栅格可由隔板均分为六个、八个、十个和十二个矩形单元，以适配不同规格的烟道。

当箱型栅格由隔板均分为六个矩形单元时，该六个单元呈2x3个的形式排布；

当箱型栅格由隔板均分为八个矩形单元时，该六个单元呈2x4个的形式排布；

当箱型栅格由隔板均分为十个矩形单元时，该六个单元可呈2x5个的形式排布；

当箱型栅格由隔板均分为十二个矩形单元时，该六个单元可呈2x6个的形式排布。

应用实施例一：

将实施例二的喷氨系统应用于某125MW机组，该机组烟道横截面为一4000mmX1800mm的矩形，箱型栅格9由钢制隔板均分为八个单元，该八个单元呈2x4个的形式排布，每个单元底面为一个1000mmX900mm的矩形；分隔各单元的隔板平行于烟气方向设置形成8个烟气通道；箱型栅格9的入口对应每个单元分别设有抽取采样装置，用于测量氨气和氮氧化物浓度。

运行时，氨气区12的氨气依次通过氨气管道、氨气流量计1和氨气调节阀 2进入静态混合器5；稀释风机6产生的稀释风依次通过管式加热器11、稀释风调节管路、稀释风调节阀3和稀释风流量计4进入静态混合器5；氨气和稀释风在静态混合器5中混合，再经过喷氨母管8由喷氨嘴7喷入各单元。

实施例四：

本实施例采用实施例二中的分区涡流卷吸喷氨系统，其喷氨调节方法：包括如下具体步骤：

1)初始化计算：

1.1)从试运行数据中取样本数据；其中，样本数据指符合火电机组烟气脱硝装置出口的NOx浓度小于等于50mg/m³且氨逃逸率小于3ppm考核标准要求的数据；样本数据条数大于100条且样本数据中包含50％负荷、80％负荷以及 100％负荷工况的试运行数据。

试运行数据中包括单测点数据：机组负荷、给煤量、给煤量变化率、每个喷氨支管调节阀开度，以及多测点数据：入口烟气温度、入口NOx浓度、入口烟气温度变化率、入口烟气流速、出口NOx浓度、氨逃逸率测量值；其中多测点数据为2-5个测点；

1.2)对上述样本数据进行划分，将所有测点下的机组负荷、给煤量、给煤量变化率、入口烟气温度、入口烟气流速和入口NOx浓度数据作为输入向量X：

X＝[x₁，x₂，...，x_n]^T

其中，n为输入参数个数，n为入口烟气温度测点数、入口测点NOx浓度测点数、入口烟气流速测点数、给煤量测点数、给煤量变化率测点数和机组负荷测点数之和；x_i为输入向量X中第i行的值；i＝1,2,...，n；

再将所有测点下的各个喷氨支管调节阀开度、出口NOx浓度和氨逃逸率测量值作为输出向量O：

O＝[o₁，o₂，...，o_q]^T

其中，q为输出参数个数，q为各喷氨支管调节阀开度测点数、出口NOx浓度测点数和氨逃逸率测点数之和；o_k为输出向量O中第k行的值；k＝1,2,...，q；

1.3)初始化连接权值向量W_k：

W_k＝[w_k1，w_k2，...，w_kp]^T

其中，k＝1,2,...，q；j＝1,2,...，p；p为样本总数；mink为O向量中第 k个值中的最小值；maxk为O向量中第k个值中的最大值；w_k为连接权值W 中第k列第j行的值；

1.4)初始化隐含层各神经元的中心向量C_j：

C_j＝[c_j1，c_j2，...，c_jnl^T

其中，i＝1，2，...，n；j＝1，2，...，p；mini为输入向量X的第i个分量中的最小值；maxi为样本数据中X第i个分量中的最大值；c_ji为中心向量C_j中第j 列第i行的值；

1.5)初始化宽度向量D_j：

D_j＝[d_j1，d_j2，...，d_jn]^T

其中，j＝1，2，...，p；df的取值范围[0，1]；i＝1，2，...，n；k为上标，用于区分输入向量X；d_ji为宽度向量D_j中第j列第i行的值；

2)计算隐含层Z

Z＝[z₁，z₂，...，z_p]^T

其中，j＝1，2，...，p；Z_j为隐含层向量Z中第j列的值；

3)计算输出值向量Y：

Y＝[y₁，y₂，...，y_q]^T

其中，

k＝1，2，...，q；y_j为输出值向量Y中第j列的值；

4)按下列公式进行迭代训练：

其中，t为迭代步数，μ、α取值范围为[0，1]，

再计算按下式计算RMS：

当RMS≤ε时结束迭代，分别输出神经网络的连接权值矩阵W、中心向量矩阵C和宽度向量矩阵D(连接权值矩阵W、中心向量矩阵C和宽度向量矩阵D 分别对应步骤1.3)中连接权值向量W_j、步骤1.4)中心向量C_j和步骤1.5)宽度向量D_j)；否则返回步骤4)迭代计算；其中，ε为循环结束判据，ε取值范围为[0.0000001，0.001]；

5)采集现场运行数据(包括机组负荷、给煤量、给煤量变化率、入口烟气温度、入口烟气流速和入口NOx浓度数据)作为输入数据，按步骤2)和步骤3)，计算输出值向量Y，Y中包含各个喷氨支管调节阀开度参数，并用该参数对各单元中氨气量的调节进行控制。

实施例五：

本实施例的进一步设计在于：在实施例四中任一步骤后，还包括如下步骤：

对各单元中稀释风量进行调节，具体步骤如下：

第一、对箱型栅格的每个单元分别建立CFD数值模型；

第二、基于第一步中建立的CFD模型，设置烟道入口烟气流速范围为 10-25m/s，再在烟气流速范围内均匀选取烟气流速数据点，相邻两烟气流速数据点之间相差1m/s；

设置稀释风调节支管流量范围为10-30m/s，再在稀释风调节支管流量范围内均匀选取稀释风量计算点，相邻两稀释风量计算点之间相差1m/s；

第三、对箱型栅格的任意一单元：

将入口烟气流量调节至任意一烟气流速数据点，再将烟道入口NOx浓度设置为200-400mg/m³范围内一定值；接着将该单元的稀释风调节支管流量依次调节至每一稀释风量计算点，同时按照氨氮摩尔比1:1分别设置稀释风量计算点下氨流量，即同时在每一稀释风量计算点调节喷氨支管中氨气流量至喷氨母管中氨氮摩尔比为1:1；

第四、利用该单元的CFD模型计算每个稀释风量计算点下的喷氨混合情况。即在该单元CFD模型的下游10-20m处选取一个截面作为参考面，统计每个稀释风量计算点下，得到的氨氮摩尔比的最大标准差σ_max，再选取其中最小值所对应的稀释风流量作为该单元在该烟气流速数据点下的最优稀释风量；

第五、重复第三步和第四步，得到每个单元在所有烟气流速数据点下的最优稀释风量，再以此分别绘制每个单元的最优稀释风量曲线；

第六、现场实际运行时，先检测当前烟道入口烟气流速，根据第五步得到的每个单元的最优稀释风量曲线，分别计算出每个单元中最优稀释风喷入量，并通过各稀释风调节支管的调节阀，分别调节每个单元稀释风喷入量至计算得到的最优稀释风喷入量，对稀释风量进行控制；

本实施例利用基于CFD模型的前期计算模拟结果对喷氨稀释风量进行控制，并利用运行调试数据对神经网络模型的训练结果对喷氨量控制，在箱型栅格的每个单元形成相对独立的涡流，使烟气与氨气的均匀混合，氨逃逸率低。

本实施例喷氨栅格的每个单元相对于整个SCR系统来说是一个相对简单的模型，有利于结合CFD数值模拟的模型，便于根据烟道实际情况对箱型格区流场和浓度场进行优化，避免了整体优化设计的较大计算量，同时将计算量较大的工作放在前期，减少了控制过程中对计算量的需求，提升了系统的响应速度。

本实施例喷氨调节方法的分区化控制流场均匀度的策略、配合神经网络算法应用于自动运行控制，有效降低了运行时操作人员的工作强度。

本实施例喷氨调节方法通过对装置简单改造，即可实现对氨气均匀度的最优控制；在日常运行过程中，通过定期重新进行迭代，即可维护算法的有效性；无需较大规模的寻优算法，即可实现稳定运行。

应用实施例二：

本应用实施例将实施例五中的喷氨调节方法应用于某125MW机组，当入口烟气流速15-20m/s时，喷氨嘴喷射流速约为10-30m/s，延喷氨嘴下游氨氮摩尔比的最大标准差σ_max与距离关系如图7所示，下游10m处氨氮摩尔比最大标准差可达到5％以下，氨气混合效果好。

Claims (7)

1.一种分区涡流卷吸喷氨系统，用于火电机组烟气脱硝装置的喷氨调节，其特征在于：包括混氨系统和喷氨嘴，喷氨嘴设于烟道入口处，混合后的氨气由喷氨嘴喷入烟道，烟道入口处还设有箱型栅格，该箱型栅格由隔板至少均分为六个单元，分隔各单元的隔板平行于烟气方向设置形成若干烟气通道；每个单元底部四角处分别设置一个喷氨嘴，每个单元的四个喷氨嘴呈同向顺时针或逆时针排布，并且与相邻边的锐角夹角呈5°～30°；每个单元的四个喷氨嘴均沿与水平方向呈0°～5°夹角设置。

2.根据权利要求1所述的分区涡流卷吸喷氨系统，其特征在于：所述混氨系统包括稀释风调节支管、氨气支管、喷氨母管、流量计、调节阀和静态混和器；其中，稀释风经稀释风调节支管与来自氨气支管来的氨气经静态混合器混合，混合后的混合气体分别由喷氨母管输送至各单元的喷氨嘴，每个喷氨母管与一个单元的四个喷氨嘴连接。

3.根据权利要求2所述的分区涡流卷吸喷氨系统，其特征在于：稀释风调节支管、氨气支管和喷氨母管上分别设置流量计和调节阀。

4.根据权利要求3所述的分区涡流卷吸喷氨系统，其特征在于：所述箱型栅格高度为1～1.5m。

5.根据权利要求4所述的分区涡流卷吸喷氨系统，其特征在于：所述箱型栅格由隔板均分为六个、八个、十个和十二个单元。

6.根据权利要求5所述的分区涡流卷吸喷氨系统，其特征在于：所述火电机组烟气脱硝装置的出口和所述箱型栅格的入口对应每个单元分别设有抽取采样装置，用于测量氨气和氮氧化物浓度。

7.根据权利要求6所述的分区涡流卷吸喷氨系统，其特征在于：所述喷氨嘴的孔径为8～30mm。

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