CN214345611U - 一种优化的脱硝系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种优化的脱硝系统。它包括入口烟道、脱硝反应器和出口烟道，脱硝反应器上端设置入口烟道、下端设置出口烟道；圆盘混合器和喷氨区域均设置在入口烟道内；其中，圆盘混合器分别设置在喷氨区域的上游和下游；入口烟道和出口烟道内均设置导流板；喷氨区域上设置喷氨格栅和喷氨喷嘴；喷氨格栅安装在入口烟道内壁上，喷氨喷嘴安装在喷氨支管上。本实用新型具有合理调整烟道布置及设置烟道内部导流、混流装置，使烟气流速偏差、氨气‑烟气混合均匀程度满足脱硝催化剂对入口烟气的要求的优点。

Description

一种优化的脱硝系统

技术领域

本实用新型涉及烟气净化技术领域，更具地说它是一种优化的脱硝系统。

背景技术

根据国家对燃煤电厂大气污染物超低排放要求，烟尘、二氧化硫、氮氧化物的排放质量浓度不得超过10、35、50mg/m3的限值。目前控制NOx排放主要方法是炉内低氮燃烧、选择性催化还原(SCR)以及非选择性催化还原(SNCR)与SCR结合等。

SCR系统脱硝效率，主要与催化剂本身性能和催化剂量、NH3与烟气NOx混合均匀程度、氨氮摩尔比等因素有关，对于传统电厂为保持较高脱硝效率达到低NOx排放，常采用增加喷氨量及催化剂量来实现，但在运行中可能带来以下问题：1)喷氨过量，还原剂NH3消耗增大，同时风机能耗增大，系统运行成本升高；2)喷氨过量，氨氮摩尔比增大，NH3与烟气中SO3形成硫酸氢铵加大催化剂中毒以及空气预热器堵塞风险，氨逃逸量也逐渐增大；3)喷氨过量，可能造成氨氮混合不均，脱硝效率不升反降；4)增加催化剂量，造成烟气中SO2/SO3转化升高，增大后续设备酸腐蚀的风险。此外，对于变负荷工况，烟气中NOx浓度波动幅度大，传统电厂NOx测量滞后、SCR控制系统调节滞后等问题，也易造成NOx短时超标排放。

随着国家“两化”融合方针的提出，以及节能、降耗、减排政策的实施，智慧电厂成为未来电厂发展新趋势。目前伴随对智慧电厂的顶层设计探索和实践，针对各子系统自身结构的优化设计以及智慧化运行控制也在进一步积极开展。

传统SCR脱硝系统，喷氨总量根据入口NOx测量值按简单PID进行控制，对于变负荷工况，受NOx测量滞后性影响，调节能力较差，易造成喷氨不足或过量，难以实现脱硝效率稳定；此外，变负荷过程中NOx浓度波动幅度大，当某一分区调整喷氨量时会引起其他分区喷氨量扰动，出口NOx浓度波动幅度大，难以达到精细控制。

因此，有必要开发一种能实现脱硝稳定、且精细控制出口NOx的脱硝系统优化。

发明内容

本实用新型的目的是为了提供以一种优化的脱硝系统，优化SCR脱硝系统流场，使NH3与烟气混合均匀性良好，确保脱硝反应的有效进行。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种优化的脱硝系统，包括入口烟道、脱硝反应器和出口烟道，脱硝反应器上端设置入口烟道、下端设置出口烟道；其特征在于：圆盘混合器和喷氨区域均设置在入口烟道内；其中，圆盘混合器分别设置在喷氨区域的上游和下游；

入口烟道和出口烟道内均设置导流板；

喷氨区域上设置喷氨格栅和喷氨喷嘴；喷氨格栅安装在入口烟道内壁上，喷氨喷嘴安装在喷氨支管上。

在上述技术方案中，喷氨格栅位于间隔设置的二个圆盘混合器之间。

在上述技术方案中，导流板分别设置在入口烟道的烟气入口端、入口烟道顶端的斜坡上以及出口烟道的斜坡上。

在上述技术方案中，喷氨区域上设置多个喷氨分区。

本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型通过CFD仿真进一步优化了SCR脱硝系统流场(即本实用新型通过合理调整烟道布置及设置烟道内部导流、混流装置，使烟气流速偏差、氨气-烟气混合均匀程度满足脱硝催化剂对入口烟气的要求；本实用新型通过优化结构、从而优化SCR脱硝系统流场)，使NH3与烟气混合均匀性良好，确保脱硝反应的有效进行；

(2)本实用新型在喷氨总量控制上，一方面通过入口NOx软测量技术，预测入口NOx，作为喷氨前馈的重要参数，参与到喷氨总量的闭环控制中，同时引入锅炉燃煤量、总风量以及SCR区域出入口NOx、O2、氨逃逸量、烟气量等数据对锅炉、SCR区域的总体工况进行预测控制；另一方面，通过试验得到不同负荷下的SCR反应器的传递函数，构建多模型预测控制，进而有针对性的实施先进控制算法模型，最终实现SCR系统的智慧、稳定化控制，可达到变负荷、催化剂局部损坏等异常情况下提前调节喷氨总流量来保证出口NOx浓度不超标；

(3)本实用新型通过分区喷氨控制增强了调节的灵活性；通过多个分区增强了截面初态分布的均匀性，有利于NH3与烟气更好地混合；分区喷氨量调节阀采用自动调节时，主要参考各个NOx分区浓度的历史趋势、其相对关系进行调节；同时分区内部设手动阀调节，满足喷氨精细化调整需要，最终使得SCR出口各个NOx分区浓度趋于一致。

附图说明

图1为本实用新型中SCR脱硝系统(烟道及SCR反应器)流场仿真图。

图2为本实用新型中的喷氨总量控制系统原理图。

图3为本实用新型中的分区喷氨均衡控制原理图。

图4为本实用新型中的圆盘混合器设置在入口弯头烟道内的结构示意图。

图5为本实用新型中的圆盘混合器设置在喷氨格栅上、下游的结构示意图。

图1中的单位为米/秒。

在图1中，A、B、C、D和E分别表示导流板设置在烟道内部的各位置点；其中，A表示设置在进气烟道的烟气入口端的导流板；B和C分别设置在进气烟道顶端的两个斜坡上的导流板；D和E分别设置在出气烟道的两个斜坡上的导流板。

从图1中可以看出，增设导流板、圆盘混合器后，圆盘混合器之后流场扰流增强，有利于氨与烟气的充分混合；其他部位如SCR进口烟道以及SCR反应器内，流场均匀，有利于脱硝效率稳定。

在图3中，均衡控制算法计算出的各分区应喷氨量，以信号形式传送到DCS控制系统，再由DCS给各个分区喷氨支管电动控制阀发出开度指令，各阀开度不同喷氨量不同；其中，开度指令在图3中以喷氨指令1、喷氨指令2、……、喷氨指令18表示(图3中共设置18个喷氨支管)。

图中1-入口烟道，2-脱硝反应器，3-出口烟道，4-导流板，5-圆盘混合器，6-喷氨区域，6.1-喷氨格栅，6.2-喷氨喷嘴，6.3-喷氨支管。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种优化的脱硝系统，包括入口烟道1、脱硝反应器2和出口烟道3，脱硝反应器2上端设置入口烟道1、下端设置出口烟道3；其特征在于：圆盘混合器5和喷氨区域6均设置在入口烟道1内；其中，圆盘混合器5分别设置在喷氨区域6的上游和下游(如图1、图4所示)；

入口烟道1和出口烟道3内均设置导流板4(如图1所示)；

喷氨区域6上设置喷氨格栅6.1和喷氨喷嘴6.2；喷氨格栅6.1安装在入口烟道1内壁上，喷氨喷嘴6.2安装在喷氨支管6.3上，喷氨支管6.3和喷氨喷嘴6.2安装在喷氨格栅6.1上(如图5所示)。

进一步地，喷氨格栅6.1位于间隔设置的二个圆盘混合器5之间(如图1、图4、图5所示)。

进一步地，导流板4分别设置在入口烟道1的烟气入口端、入口烟道1顶端的斜坡上以及出口烟道3的斜坡上(如图1所示)。

进一步地，喷氨区域6上设置多个喷氨分区(如图5所示，喷氨区域6分为六个喷氨分区，每个喷氨分区布置三个喷氨管，每个喷氨管含四个喷嘴)。

本实用新型结构优化后脱硝系统的智慧化运行控制方法，包括如下步骤，

步骤一：采用CFD优化SCR系统流场；

采用CFD对SCR脱硝系统流场进行模拟(CFD对SCR脱硝系统流场进行模拟为现有技术)，根据CFD模拟的结果优化SCR系统；

步骤二：喷氨总量控制；

采用喷氨总量预测控制算法结合氨流量-阀门串级PID的优化控制喷氨总量，其中，喷氨总量预测控制算法通过锅炉燃烧工况的参数拟合而成的函数输出氨前馈量；

喷氨总量控制的关键是入口NOx精确预测模型，该模型通过大量的实测数据综合形成，克服NOx测量滞后问题；入口NOx精确预测模型依据入口NOx产生的工艺流程，分析其与燃料量、风量以及各种燃烧工况等之间的关系，采取动态的多元线性回归模型进行预测；入口NOx的测量结果对模型进行长期修正拟合，并通过连续采样的测量结果对入口NOx精确预测模型进行印证和修正，以递归出一个较准确和及时的入口NOx软测量结果；此入口NOx精确预测模型为现有技术；

其中，本实用新型中的入口NOx精确预测模型是脱硝系统运行测量数据(不同区段烟气负荷下NOx测量数据)建立的数据库，根据锅炉燃料量、风量及燃烧工况条件，从数据库中查询出相近对应工况的NOx数据，并根据建立的多模型算法算出对应工况下精确的NOx数据，计算出的NOx数据与SCR入口NOx测量值进行比较，若偏差小于算法设定值，就将模型计算出的NOx值作为SCR入口NOx软测量结果，作为喷氨控制的输入；若偏差超出算法设定值，重新利用多模型算法对SCR入口NOx进行计算，循环进行，直至满足要求。

喷氨预测控制系统接受上述入口NOx软测量数据为输入条件，喷氨预测控制系统为现有技术。

喷氨预测控制系统通过累积测试得到的数据，自动学习，逐步达到与燃烧器组合、燃料变化时的快速判断调整，并逐渐减少实时测试的频率，精确预测NOx浓度在未来一段时间内的变化，从而提前调整喷氨调门的开度，有效抑制出口NOx浓度波动，最终实现SCR系统的智慧、稳定控制。

喷氨总量方法，具体为：

通过入口NOx软测量技术对风量煤量等参数进行预处理分析，预测入口NOx浓度变化情况，作为喷氨前馈的重要参数，参与到喷氨总量的闭环控制中，解决了入口NOx测量滞后的问题；另一方面，通过试验得到不同负荷下的SCR反应器的传递函数，开发出针对性的先进控制算法模型(先进控制算法模型为现有技术)；氨流量PID通过脱硝出口NOx实时测量值参与的反馈调节输出氨的矫正流量，氨流量PID输出氨的矫正流量与喷氨前馈量共同作为理论氨流量输出，最终通过阀门PID作用输出调阀优化喷氨指令，最终实现SCR系统喷氨总量的智能、稳定化控制；

步骤三：喷氨分区均衡控制；

将烟道喷氨区划分成为多个自动控制分区，各分区喷氨量由自动调阀进行控制；统筹考虑到出口NOx的实时测量值以及出口NOx的历史数据，基于喷氨扩散模型、催化剂性能场模型的最佳的出口NOx均衡控制模型，开发分区控制算法，分区控制算法计算得到喷氨分区控制方法、并将控制方法输入DCS系统，DCS系统发出各分区调节阀门的开度调节指令，实现各分区喷氨量的精细控制(如图2、图3所示)；其中，喷氨扩散模型、催化剂性能场模型、出口NOx均衡控制模型、分区控制算法均为现有技术；DCS是电厂常用的一套集散控制系统，为现有技术。

本实用新型中的分区均衡喷氨控制方法为：采用基于历史数据分析的智能分区喷氨均衡控制算法(智能分区喷氨均衡控制算法为现有技术)，不仅考虑了出口NOx的实时测量值，还结合出口NOx的历史数据，提出了基于喷氨扩散模型、催化剂性能场模型的最佳出口NOx均衡控制模型(此处为阀门PID的现有功能)；构建各分区喷氨阀门开度与出口NOx浓度分布的数值关系，将均衡控制算法得到的控制策略通过DCS实现，由DCS系统发出各分区调节阀的开度调节指令，从而实现分区调平的控制要求。本实用新型中的分区喷氨阀门的主要调节手段是对喷氨总量进行分配调节，实现各个分区喷氨量随SCR反应器出口对应分区的NOx浓度相对关系发生变化，而不对总喷氨量进行调节。

采用SCR反应器流场结构优化，喷氨总量控制、喷氨分区均衡控制方法，实现变负荷条件下SCR脱硝系统喷氨智慧、精细控制，脱硝效率、且能实现稳定脱硝。

进一步地，在步骤一中，SCR系统的优化方法为：在烟道设置导流板、圆盘混合器等部件、以及优化喷氨格栅位置，提升NH3与烟气混合均匀性，促进脱硝反应进行。

进一步地，在步骤一中，SCR系统的优化方法具体为：

在入口弯头烟道喷氨区域上、下游分别设置一组圆盘混合器，以强化NOx分布以及NH3与烟气的混合；

在入口弯头烟道喷氨区域设置多个喷氨分区，便于后续的精准喷氨分区控制；

在SCR反应器顶部斜坡烟道设置导流板，以减小催化剂入口的烟气入射角和改善催化剂入口速度分布均匀性；

在SCR反应器底部出口烟道设置导流板，以减少脱硝分区出口测点位置的涡流扰动影响并改善空预器入口的速度分布均匀性。

进一步地，在步骤二中，矫正流量的方法是：根据实际测量的出口NOx浓度与控制系统出口NO_X浓度的设置值之间的差值调整喷氨总量，例如：控制系统出口NOx浓度设定值为50mg/Nm3，需要喷氨量100m3/h，但实际测量的出口NOx浓度为60mg/Nm3，此时需要将差值10mg/Nm3反馈到氨喷射控制系统，在原有喷氨量基础上增大一定的喷氨量。

进一步地，在步骤三中，分区调节阀自动调节时，主要参考各个NOx分区浓度的历史趋势、其相对关系进行调节(所述的相对关系是指出口烟道各分区实际测量的NOx浓度与运行过程中出口各分区收集的NOx浓度历史数据的大小关系)，具体调节方法为：

相对较高的分区对应的调节阀则根据算法往高阀位动作，相对较低的分区对应的调节阀则根据算法往低阀位动作；

分区喷氨调节的目标是实现SCR出口各个NOx分区测点浓度趋于一致。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (4)

1.一种优化的脱硝系统，包括入口烟道(1)、脱硝反应器(2)和出口烟道(3)，脱硝反应器(2)上端设置入口烟道(1)、下端设置出口烟道(3)；其特征在于：圆盘混合器(5)和喷氨区域(6)均设置在入口烟道(1)内；其中，圆盘混合器(5)分别设置在喷氨区域(6)的上游和下游；

入口烟道(1)和出口烟道(3)内均设置导流板(4)；

喷氨区域(6)上设置喷氨格栅(6.1)和喷氨喷嘴(6.2)；喷氨格栅(6.1)安装在入口烟道(1)内壁上，喷氨喷嘴(6.2)安装在喷氨支管(6.3)上。

2.根据权利要求1所述的优化的脱硝系统，其特征在于：喷氨格栅(6.1)位于间隔设置的二个圆盘混合器(5)之间。

3.根据权利要求2所述的优化的脱硝系统，其特征在于：导流板(4)分别设置在入口烟道(1)的烟气入口端、入口烟道(1)顶端的斜坡上以及出口烟道(3)的斜坡上。

4.根据权利要求3所述的优化的脱硝系统，其特征在于：喷氨区域(6)上设置多个喷氨分区。

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