火電站煙氣脫硝系統(tǒng)建模與仿真

廖立++楊鵬志

摘 要：SCR脫硝技術(shù)是火電站使用的較為成熟的脫硝方法。本文中，以SCR反應(yīng)器出口NO濃度為研究目標(biāo)，采用Langmuir吸附層模型和E-R反應(yīng)機理建立反應(yīng)模型，運用現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)和辨識技術(shù)獲得了模型特征參數(shù)，并假設(shè)NO反應(yīng)速率指前因子KNO是一個隨反應(yīng)過程氨氮比變化的變量。通過電站實際運行中動態(tài)、穩(wěn)態(tài)過程進行驗證分析。仿真試驗表明：1）辨識參數(shù)及對于KNO的的假設(shè)具有合理性，模型能夠反應(yīng)運行過程中NO出口濃度變化過程。2）反應(yīng)溫度，進口NO濃度，供氨量、煙氣流速對于催化反應(yīng)有著重要的影響。3）運行過程中，及時控制供氨量、保證氨氮比變化率是防止排放超標(biāo)的有效手段。

關(guān)鍵詞：煙氣脫硝；建模與仿真；辨識；電站運行

Modeling and simulation of SCR reaction in a power plant

Liao Li， Yang Pengzhi

Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems， Chongqing University， Ministry of Education， Chongqing 400044， PR China

Abstract： The SCR （selective catalytic reduction） technique is an advanced way to removal NOx from the flue gases in coal-fired power plants. Based on the Langmuir adsorption-desorption model and Eley-Rideal reaction mechanism， a dynamic mathematical model is established in this paper to focus on the nitrogen monoxide concentration at the outlet of the SCR reactor . In additional， identification technique is applied to obtain the exact value of certain kinetic parameters based on the data from a power plant and the assumption that the pre-exponential factor for the DeNOx reaction KNO is a variable which is affected by the NH3/NO concentration ratio at the inlet of the SCR reactor. The SCR model is tested in static state situation and dynamic state situation in different loads in the power plant .The result of simulation suggests that： A）these parameters gained from identification and the SCR model can suit the real SCR reaction in this power plant .B） Temperature， ammonia concentration， nitrogen monoxide concentration as well as gas velocity play crucial roles in SCR reaction .C）In the power plant， the amount of ammonia supply， the control of NH3/NO concentration ratio are effective methods to ensure the nitrogen monoxide concentration at the outlet of the SCR reactor stays in an appropriate range especially in the load up process or load down process.

Keywords： SCR； modeling and simulation； identification； power plant operation

對于該電廠，相比于溫度和進口NO的影響，NH3的增加對于脫硫效率的提高較為緩慢，如圖3（b）、圖6。表3也可以看出，該廠需要的供氨量也很大，氨氮比偏高，在1.4以上，尤其是在負荷變化時，需要更大的氨量，其氨氣逃逸量控制在0.015PPM-0.03PPM左右，符合排放標(biāo)準(zhǔn)。在實際運行中，升降負荷時，需提前增大供氨量，保持氨氮比變化率在0.01以內(nèi)。并隨時監(jiān)視出口NO和NH3的排放量，防止排放超標(biāo)（該廠出口濃度大于200mg/m3即為超標(biāo)排放）。

（4）溫度與NO共同擾動

選取機組某500MW時穩(wěn)定狀態(tài)時的參數(shù)值。 圖7中，5s時刻，進口NO濃度突然升高至962mg/m3，出口NO的濃度相應(yīng)的增大至68mg/m3 。 15s時刻，突然增加進口煙氣溫度至385℃，催化效應(yīng)增加，出口NO濃度減小，直至25s處，保持溫度385℃，進口NO濃度降至924 mg/m3。此時可見出口NO濃度減小至56 mg/m3。 變化過程和趨勢符合實際的變化。

六、結(jié)論

1依據(jù)Langmuir吸附層模型、E-R反應(yīng)機理、建立反應(yīng)器出口NO濃度變化的模型，其中未知參數(shù)采用多次辨識的方法獲得，假設(shè)KNO是一個與氨氮比變化率有關(guān)的函數(shù)，通過擬合得到關(guān)系式 。仿真過程的關(guān)鍵是確定不同階段的負荷時起始修正系數(shù) ，負荷變化時根據(jù)前后時間段氨氮比變化率乘以相應(yīng) 。模型能夠較為真實的反應(yīng)機組運行時出口NO濃度的變化趨勢和相應(yīng)數(shù)值，最大誤差控制在25%以內(nèi)。

2模型驗證和仿真過程中，反應(yīng)溫度升高、煙氣流速降低有利于催化反應(yīng)的進行，入口NO濃度降低、供氨量增加亦能減小出口NO排放量。

3模型能夠?qū)υ撾姀S的脫硝運行過程進行分析和預(yù)測，為運行中提供指導(dǎo)防止排放超標(biāo)：1）入口NO量（通過煤質(zhì)、負荷）、反應(yīng)溫度、供氨量的控制是保證脫硝效率的主要手段；2）從仿真試驗中，該電廠催化劑在360℃-380℃之間溫度的增加使得催化效率能明顯提高。運行過程中，機組在550MW-660MW時，將煙氣溫度控制在375℃-385℃之間。400MW-550MW時，應(yīng)將煙氣溫度控制在365-375℃。300MW-400MW時，將煙氣溫度控制在360℃-365℃；3）控制供氨量是運行中保證出口濃度的最主要手段。升降負荷過程中，進口NO濃度變化較大，出口濃度變化劇烈。加入的NH3反應(yīng)有滯后性，負荷變化時，應(yīng)提前增減供氨量。確保前后5s內(nèi)氨氮比變化率控制在0.01以內(nèi)，即每分鐘供氨量的增減控制在30kg/h以內(nèi)。

參考文獻：

[1] 劉濤.SCR多元催化劑脫硝性能試驗研究及數(shù)值模擬 [D]. 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006

[2] 孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.10：9.

[3] 段傳和，夏懷祥.燃煤電廠SCR煙氣脫硝工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2009.4：19

[4] 朱炳辰.化學(xué)反應(yīng)工程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.12：38

[5] Koebel M， Elsener M. Selective catalytic reduction of NO over commercial DeNOx-catalysts Experimental determination of kinetic and thermodynamic parameters [J]. Chemical Engineering Science，1998，53（4）：657-669.

[6] 趙寧，沈伯雄，楊曉燕，劉亭. 煙氣選擇性催化還原脫硝的數(shù)值模擬研究進展[J].化工進展，2010，29：2165-2170.

[7] Kijlstra W S，Brands D S，Smit H I，et al. Mechanism of the selective catalytic reduction of NO with NH 3 over MnO x /Al 2 O 3 [J]. Journal of Catalysis，1997，171（1）：219-230.

[8] Luca Lietti，Isabella Nova，Enrico Tronconi，Pio Forzatiti.Transient kinetic study of the SCR-DeNOx reaction [J].Catalysis Today，1998（45）：85-92.

[9] Isabella Nova， Luca Lietti， Enrico Tronconi， Pio Forzatiti. Dynamics of SCR reaction over a TiO2-supported vanadia-tungsta commercial catalyst [J]. Catalysis Today，2000（60）：73-82.

[10] Isabella Nova， Luca Lietti， Enrico Tronconi， Pio Forzatiti .Transient response method applied to the kinetic analysis of the DeNOx-SCR reaction [J].Chemical Engineering Science，2001（56）：1229-1237

[11] 俞逾.選擇性催化還原系統(tǒng)的建模與仿真[D].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007

[12] 劉麗萍.選擇性催化還原法煙氣脫硝系統(tǒng)的建模與仿真研究[D].華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012

[13] 劉金琨，沈曉蓉，趙龍. 系統(tǒng)辨識理論及Matlab仿真[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013，2：215

[14] 戴佳偉.SCR催化劑氨存儲模型的研究及其在老化評價上的應(yīng)用[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016

作者簡介：

廖立，男，1986.7.1，羌族，四川綿陽人，重慶大學(xué)動力工程學(xué)院在讀碩士研究生 研究方向：火電站脫硫脫硝