肖承武，焦力剛，魯志軍，金 全，尹梓睿

(1.華能國際電力股份有限公司丹東電廠，遼寧 丹東 118300； 2.北京匯信盈節(jié)能環(huán)保技術有限公司，北京 100012)

隨著經濟發(fā)展、人口增長和城市化進程的加快，煤、石油和天然氣等化石能源被大量消耗，同時伴隨著汽車尾氣的排放。尾氣中的NOx參與形成光化學煙霧，形成PM2.5和PM10等細粒子，引發(fā)嚴重的環(huán)境問題。我國目前煙氣脫硝基本采用選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)工藝，其流程如圖1所示[1]。SCR技術原理是在催化劑作用下NH3和NOx發(fā)生反應，生成N2和H2O，達到脫硝的目的。該方法作為環(huán)境保護部氮氧化物防治技術政策中的推薦工藝，具有脫硝效率高、使用范圍廣、技術成熟可靠等優(yōu)點[2]，可以應用于石油化工領域的催化裂化裝置、加熱爐、燃氣動力爐和乙烯裂解爐的煙氣處理；熱電廠鍋爐煙氣處理；船用發(fā)動機和車用發(fā)動機尾氣處理。還原劑NH3的來源有：液氨、氨水和尿素。目前在電廠中主要是應用液氨和氨水，由于尿素具有與液氨相同的脫硝性能，而且安全、綠色、無毒，便于運輸、存儲和使用，未來值得推廣和應用[3]。

SCR工藝在運行中，鍋爐燃燒量和風量變化、煤質變化、負荷變化及啟停磨煤機等工況會導致燃燒波動變化、SCR反應器催化劑入口面煙氣流場變化大、噴氨和煙氣混合不充分，這些都會使入口NOx體積含量不均勻、變化大、變化快[4]，但是，脫硝反應系統(tǒng)是典型的大滯后系統(tǒng)，響應延遲時間約為2～3 min，噴氨調節(jié)閥動作后，出口NOx需要一段時間才會發(fā)生變化[5]。為了出口NOx持續(xù)穩(wěn)定地滿足環(huán)保要求，應用的主要技術有多點測量、分區(qū)噴氨控制等[6-7]。很多專家學者對SCR反應器的NOx不均勻分布、分區(qū)噴氨控制和先進控制進行了研究。李晗天等[8]假設催化劑性能和反應溫度不變的情況下，研究了SCR反應器入口速度和還原劑氨對脫硝性能的影響。吳學智等[9]利用計算流體力學的方法，利用噴氨格柵(Ammonia Injection Grid，AIG)對噴氨量進行分組調節(jié)，省去了擾流圓柱等內構件。宋玉寶等[10]探討了速度、溫度及NH3/NOx摩爾比等煙氣參數(shù)分布對脫硝性能的影響。以上研究可以看出，現(xiàn)階段仿真研究主要側重于速度和濃度場的影響，建立的模型可以指導反應器的內部結構設計，但是無法應用于系統(tǒng)仿真以及控制系統(tǒng)設計。王林和王朔[11-12]等基于運行數(shù)據庫建立了NOx的預測模型，此種模型對當前裝置可以實現(xiàn)較好的預測，但是適應性較差。因此，本文建立基于模型(Model Based)的SCR系統(tǒng)仿真模型，此數(shù)學模型的優(yōu)點是：可以與控制模型聯(lián)用，用于控制策略的設計。由于SCR工藝的脫硝性能與溫度、催化劑活性、空速、氨氮比等因素有關[10]，催化劑活性與溫度相關，空速、氨氮比與流量、噴氨量相關，因此通過建立的模型，分析噴氨量、流量和溫度的影響，得到它們對脫硝反應的敏感性，對煙道和反應器的結構、混合器以及增加內構件的設計、保溫層設計、催化劑布置和噴氨的控制策略開發(fā)等具有指導意義。

1 SCR工藝的模型

本文采用液氨作為脫硝還原劑，使用中先將液氨加熱蒸發(fā)，然后噴射到煙道中。基于先進控制策略而設計的控制系統(tǒng)，噴射量由實時匹配精確控制，以保障在各種運行工況下都可達到最佳的脫硝效果。氨氣在后續(xù)的SCR反應器中與NOx反應轉化成無害的氮氣與水[13-14]。一般煙氣中95%NOx以上都是NO，主要的反應過程見式(1)和式(2)。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

(2)

根據式(1)、式(2)化學反應，按照化學計量比理論的噴氨量(受煙氣的流量和組分影響)，氨的消耗量與NH3的摩爾比接近于1[15]?；瘜W反應的程度與流量、空速、催化劑的擔載量、布置形式和反應溫度等相關。其中由于煙氣流量和組分由鍋爐決定，作為SCR工段的輸入，不是系統(tǒng)的控制變量，若鍋爐負荷低于額定負荷，則煙氣中NOx的含量下降，脫硝效果會變好，因此僅分析在額定負荷下脫硝煙氣流量的條件下，實際噴氨量偏離理想噴氨量時的脫硝效果。由于反應溫度是脫硝過程的重要影響因素，因此本文對溫度的影響也進行了分析。

SCR脫硝過程是涉及煙氣、液氨的特性、熱力學、反應動力學和熱量傳遞的復雜過程，因此本文選用多學科領域復雜系統(tǒng)建模仿真軟件(Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems，AMESim)，對此過程搭建模型進行仿真。AMESim軟件是西門子公司一款高級建模和仿真平臺，其原理是基于鍵合圖理論的建模在單一平臺上實現(xiàn)復雜的多學科領域系統(tǒng)仿真。該軟件的優(yōu)點是具備豐富的元件與第三方軟件的接口，比如尾氣處理庫、熱系統(tǒng)庫等。由于AMESim模型可以完成動態(tài)仿真，計算系統(tǒng)的動態(tài)響應，且可以與Simulink聯(lián)合仿真，因此仿真模型方便用于控制策略的開發(fā)。

SCR脫硝工藝的仿真模型主要包括尾氣排放部分、噴氨部分、SCR反應部分，如圖2所示。AMESim噴氨部分在軟件中是尿素，由于尿素可以分解為氨，因此為了仿真噴液氨的流量，需要按照尿素分解氨的化學計量比進行等比例換算。此模型采用零維模型[16]組成一維模型，可以用來分析變工況和噴氨量對脫硝率影響的敏感性，也可驗證系統(tǒng)匹配設計的合理性。

本文研究溫度對脫硝的影響，主要研究溫度變動的影響、保溫層的影響反映SCR反應器在沿著煙道方向和垂直于煙道方向溫度的分布。由于發(fā)生反應為SCR反應器填充催化劑的部分，其形狀為長方體，如圖3所示[17]。因此，計算沿煙道方向的溫度分布時，可以簡化為一維仿真，如圖4所示。計算垂直于煙道方向的溫度分布時，可以簡化計算對稱的1/4截面，包含2個外部對流傳導和2個內部熱傳導邊界，其中內部熱傳導為平壁傳熱、外部對流類型為平面外部對流。在AMESim中設置換熱面積為150×850 mm2，參考文獻[18]設置保溫層密度為200 kg/m3、比熱容為1030 J/(kg·K)和熱導率為0.03 W/(m·K)，仿真中不考慮接觸熱阻，仿真流程如圖5所示。

仿真的基礎工況為文獻[19]中某熱電廠鍋爐在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況下煙氣，其技術參數(shù)見表1和表2。在AMESim中設置煙氣的組分，選擇釩鈦催化劑，參照文獻[20]催化劑設置動力學參數(shù)，選用Janaf-Yaws方法進行仿真計算。

表1 煙氣參數(shù)表

表2 催化劑參數(shù)表

2 結果分析

2.1 噴氨量的影響

按照催化劑的布置方式可以認為，12×6×11×7個元件并聯(lián)，然后串聯(lián)3層。為了簡化計算，對3層催化劑，每層排布單個催化劑元件仿真，流程如圖2所示。表1中NOx的體積分數(shù)為標態(tài)、氧體積分數(shù)為5%時的值，根據國標[21]換算，實際情況下NOx的干基體積分數(shù)為586.7 mg/Nm3，按照物料平衡計算出NOx的干基體積分數(shù)為876 mL/m3，液氨的理想流量為0.115 kg/h，設置初始溫度為350 ℃，反應器內為空氣。設置不同的液氨流量與理想噴氨流量比，即氨氮摩爾比，得到圖6和圖7的液氨流量與處理后尾氣的NOx和NH3的體積分數(shù)關系。

計算結果顯示，為了使凈煙氣中NOx的質量濃度達到超低排放標準，即50 mg/m3，折算為干基體積分數(shù)約為87.6 mL/m3，氨氮摩爾比推薦為1.04。此時可達到理想的脫硝效果，同時氨逃逸率也較低。圖6中NOx隨時間變化原因是：由于反應器設置的為空氣，開始時NOx為零，由于煙氣流動NOx出口快速從零達到最大值；在氨氮摩爾比較小時，由于開始時反應較慢，因此噴氨使NH3在較快時間內積累，使NH3出現(xiàn)一個最大值，導致NOx較快反應而下降，并達到穩(wěn)態(tài)。圖7中當氨氮摩爾比為1.09時，由于過量氨未反應，因此凈煙氣中含有大量NH3。

為了考慮催化劑擔載量的影響，降低煙氣中的NOx的體積分數(shù)，比如干基體積分數(shù)降低到220 mL/m3，此時計算出液氨的理想流量為0.03 kg/h，設置初始溫度為350 ℃，反應器內為空氣，得到的液氨流量與處理后尾氣的NOx和NH3的濃度關系如圖8和圖9所示。

計算結果顯示，煙氣中的NOx的體積分數(shù)較小時，相當于催化劑的擔載量較多，此時氨氮摩爾比為1.00時，即可達到理想的脫硝效果，同時氨逃逸率也較低?？梢钥闯?，噴氨量與入口煙氣相關。

2.2 反應溫度的影響

實際運行中，煙氣溫度的變化范圍一般最大為70 ℃，因此設置2500 s時，煙氣溫度由320 ℃升高到390 ℃。按照保溫層外表面的溫度40 ℃，計算得到保溫層厚度為160 mm，以此值在AMESim中設置保溫層。設置噴氨量為0.432 kg/h(氨氮摩爾比為1.04)，計算出口煙氣溫度和NOx的體積分數(shù)變化，結果如圖10所示。計算結果顯示高溫有利于脫硝效率的提升，而且此催化劑的擔載量是合理的。

2.3 溫度均勻性的影響

由于溫度均勻性受保溫層的影響，為了分析保溫層影響的敏感性以及驗證按照保溫層外表面的溫度為40 ℃計算保溫層厚度方法的合理性，對反應器進行離散化計算。

沿煙氣流動方向將每層催化劑分成2部分，即長度為850/2 mm，計算沿煙道方向最前端和最后端催化劑(即如圖4流程圖中的自左至右第1和第6個催化劑元件)的溫度。計算結果如圖11和圖12所示，其中圖11為不設置保溫層，圖12為設置保溫層160 mm。圖11表明保溫層對反應器的影響很大，若無保溫層反應器會降至150 ℃，由于計算中使用的是最外層的催化劑元件，作簡化計算，SCR反應器總體降溫過程緩慢，但是趨勢與圖11相同，溫度也比150 ℃高得多，這是因為外側散熱導致反應器溫度降低，反應器溫度降低導致反應速率下降，生成熱量減少，反應器溫度下降散熱減少，直至反應器達到熱平衡。圖12表明在布置保溫層后，整個反應器催化劑的溫度偏差偏大，這是由反應器前端反應速率高以及內部傳熱系數(shù)較小而導致的。

在垂直于煙氣流動方向，考慮煙氣流量分布均勻，設置保溫層160 mm的情況下，計算向外界環(huán)境散熱而導致SCR反應器的內部溫度差。催化劑元件之間選用普通碳鋼支撐，傳熱系數(shù)按照碳鋼物性計算。根據計算2×2個催化劑元件和傅里葉傳熱定律推算出1/4面積的催化劑溫度分布如圖13所示。圖13(a)表示每個單元的數(shù)值代表與SCR催化劑中心的溫差，偏差最大為0.5 ℃，在垂直煙氣流動方向，溫度整體分布是均勻的。圖13(b)中橫縱坐標表示在X和Y方向上元件的序號，坐標值為35表示為第35個元件，即最外側的催化劑層。斜線為溫差的等高線，矢量箭頭表示溫度傳遞方向。通過圖13(b)可以看出，熱量傳遞的方向為指向SCR反應器的最外側角。

3 結論

通過分析噴氨量和傳熱的影響，得知噴氨量和溫度都是影響SCR脫硝效果的重要因素。保溫層厚度可以按照控制外表面溫度40 ℃的方法計算。設置保溫層后，外部傳熱對SCR反應器的不均勻性影響較小。因此，SCR設計和控制的重點應在氣體分布器的設計、噴氨流量分區(qū)控制和控制器設計。由于本文的仿真是基于模型的，因此可以用來設計控制策略和方法，比如模糊控制、自抗擾控制等?？刂撇呗栽O計可以用Simulink實現(xiàn)，AMESim軟件具有接口可以實現(xiàn)聯(lián)合仿真，后期將對此進行深入研究。