热力发电

项目	优化调整前	5分区压线优化	42个喷嘴压线优化
脱硝效率/%	94.3	88.0	88.0
喷氨总量/(kg·h^–1)	117.6	108.9	109.1
氨逃逸体积分数/(μL·L^–1)	2.7	2.0	2.0
出口NO_x质量浓度/(mg·m^–3)	19.0	40.1	40.4
入口氨氮比	1.1	1.0	1.0
出口NO_x相对偏差/%	69.8	36.5	9.4
出口氨逃逸相对偏差/%	38.4	6.9	4.2
入口氨氮比相对偏差/%	5.6	4.9	1.4

项目	优化调整前	5分区压线优化	42个喷嘴压线优化
脱硝效率/%	94.3	88.0	88.0
喷氨总量/(kg·h^–1)	117.6	108.9	109.1
氨逃逸体积分数/(μL·L^–1)	2.7	2.0	2.0
出口NO_x质量浓度/(mg·m^–3)	19.0	40.1	40.4
入口氨氮比	1.1	1.0	1.0
出口NO_x相对偏差/%	69.8	36.5	9.4
出口氨逃逸相对偏差/%	38.4	6.9	4.2
入口氨氮比相对偏差/%	5.6	4.9	1.4

SCR烟气脱硝系统氨氮双控新方法

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李博航 ¹ , 卢志民 ¹^,²^,³ , 廖永进 ⁴ , 李德波 ⁴ , 谢子立 ¹ , 张向 ⁵ , 姚顺春 ¹^,²^,³

热力发电 | 发电技术论坛 2023,52(11): 150-158

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热力发电 | 发电技术论坛 2023, 52(11): 150-158

SCR烟气脱硝系统氨氮双控新方法

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李博航¹, 卢志民¹^,²^,³, 廖永进⁴, 李德波⁴, 谢子立¹, 张向⁵, 姚顺春¹^,²^,³

作者信息

^1.华南理工大学电力学院，广东　广州　510640

^2.广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东　广州　510640

^3.广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心，广东　广州　510640

^4.南方电网电力科技股份有限公司，广东　广州　510030

^5.广东省计量科学研究院，广东　广州　510405

李博航（1997），男，硕士研究生，主要研究方向为烟气脱硝技术模拟，961704374@qq.com。

通讯作者:

卢志民（1979），男，教授，主要研究方向为固体燃料高效低污染利用，zhmlu@scut.edu.cn。

New optimization method for ammonia/NO_x dual control

Bohang LI¹, Zhimin LU¹^,²^,³, Yongjin LIAO⁴, Debo LI⁴, Zili XIE¹, Xiang ZHANG⁵, Shunchun YAO¹^,²^,³

Affiliations

^1.School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

^2.Guangdong Province Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization, Guangzhou 510640, China

^3.Guangzhou Province Engineering Research Center of High Efficiency and Low Pollution Energy Conversion ,Guangzhou 510640, China

^4.China Southern Power Grid Power Technology Co., Ltd., Guangzhou 510030, China

^5.Guangdong Institute of Metrology, Guangzhou 510405, China

出版时间: 2023-11-25 doi: 10.19666/j.rlfd.202301005

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摘要

收起

针对目前电厂实际选择性催化还原（SCR）烟气脱硝系统运行中存在的出口NO_x质量浓度分布不均以及氨逃逸超标等问题，进行了数值模拟分析并基于此提出了一种氨氮双控的喷氨优化新方法。以某660 MW机组SCR烟气脱硝系统为例，建立可视化流场和脱硝反应数值模型，分析比较了不同氨氮摩尔比条件下出口各分区NO_x质量浓度、氨逃逸体积分数以及脱硝效率的变化规律。结果表明：分区脱硝效率、出口NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数与氨氮比之间的关系均呈由一拐点分隔的两段线性的变化规律，拐点出现在氨氮摩尔比为1.15左右。据此，提出了基于分段拟合函数与优化矩阵方程相结合的氨氮双控喷氨优化新方法，分别预测了该660 MW机组使用5分区和42喷嘴进行喷氨调节优化，优化后的总喷氨量相对均匀喷氨工况最多下降7.2%，同时出口NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数的相对标准偏差分别下降至9.4%和4.2%，出口均匀性显著提高，不存在局部超标现象。

关键词

SCR / 烟气脱硝系统 / 数值模拟 / 氨氮双控 / NO_x质量浓度 / 氨逃逸

Abstract

收起

To solve the problems of uneven distribution of NO_x concentration at the outlet and excessive ammonia escape in the actual SCR operation of power plants, the SCR DeNO_x reactor was simulated numerically and a new ammonia injection optimization method for dual control of ammonia slip and nitrogen oxides emission was proposed. Taking the SCR DeNO_x system of a 660 MW unit as an example, a numerical model of visual flow field and DeNO_x reaction was established, and the change of the partitioned outlet NO_x concentration, ammonia slip and partitioned DeNO_x efficiency under different total ammonia nitrogen ratios were analyzed and compared. The results show that the relationship between partitioned DeNO_x efficiency, outlet NO_x and ammonia concentration, with the partitioned ammonia-nitrogen ratio is a two-parts linear relation separated by an inflection point, and the inflection point occurs when partitioned ammonia-nitrogen ratio is about 1.15. On this basis, the present study proposes a new optimization method for ammonia/nitrogen dual control optimization based on the combination of piecewise fitting function and optimization matrix equation. It is predicted that the 660 MW unit by using 5 zones and 42 nozzles for ammonia injection regulation, and the optimized total ammonia injection volume will decrease by 7.2% at the best compared with the uniform ammonia injection working condition. Relative standard deviation of outlet NO_x concentration and ammonia slip volume will decrease to 9.4% and 4.2% respectively, and the outlet uniformity will be significantly improved, and there is no locally over DeNO_x phenomenon.

Key words

SCR / DeNO_x system / numerical simulation / ammonia/NO_x dual control / NO_x concentration / ammonia slip

引用本文

李博航, 卢志民, 廖永进, 李德波, 谢子立, 张向, 姚顺春. SCR烟气脱硝系统氨氮双控新方法. 热力发电, 2023 , 52 (11) : 150 -158 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202301005

Bohang LI, Zhimin LU, Yongjin LIAO, Debo LI, Zili XIE, Xiang ZHANG, Shunchun YAO. New optimization method for ammonia/NO_x dual control[J]. Thermal Power Generation, 2023 , 52 (11) : 150 -158 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202301005

正文

收起

近年来，为了控制燃煤电厂烟气污染物的排放，国家逐步提高了其排放限值标准。2015年国家三部委联合印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求实施燃煤电厂超低排放，其中NO_x排放质量浓度不高于50 mg/m³（标况下，下同）。截止2020年，达到超低排放要求的燃煤机组约占全国总装机容量的89%^[1]。超低排放机组基本都采用了选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术，在实际运行中常以增加喷氨量的方式来保证足够高的脱硝效率^[2-3]。Yao等人^[4]针对292台燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统的普查工作表明，300、600、1 000 MW等级机组总氨氮比分别为137.5%、126.7%和110.0%，表明燃煤机组喷氨过量现象普遍存在，容量小的老机组尤其如此。由于SCR烟气脱硝系统中氧化还原反应受各种参数非均匀分布的影响^[5]，如烟气中氨氮的浓度比、烟气流速和温度以及催化剂结构与成分等，SCR反应器内难免存在脱硝效率过高或过低的区域。当出口局部区域NO_x质量浓度超过排放限值时，通过过量喷氨的方式增加总体喷氨量，必然有局部区域NH₃未与NO_x反应而逃逸，且逃逸量随SCR烟气脱硝系统运行以及催化剂中毒、失活、堵塞等因素而加剧，甚至出现局部区域NO_x质量浓度已经趋近于0而氨逃逸率远远“超标”的现象，进一步导致实际SCR烟道出口截面NO_x和NH₃质量浓度分布均匀性降低^[6-8]。

SCR氨泄漏（ammonia slip）会引发烟气处理系统中多个设备的运行异常，在200 ℃左右生成的硫酸氢氨（NH₄HSO₄）和300 ℃左右生成的硫酸氨（（NH₄）₂SO₄）造成下游设备如空气预热器（空预器）、除尘器等的压损增加及低温腐蚀。大唐集团科学技术研究院对脱硝机组的调查研究发现^[9]，空预器烟气侧压差升高等问题已经成为大部分电厂空预器和引风机等设备正常运行的重大威胁。同时，氨气还是形成PM_2.5和雾霾的重要原因，是大气中气态污染物转变成颗粒态污染物的重要推手，脱硝系统氨泄漏可能引起环境的二次污染^[10]。

目前，SCR烟气脱硝反应优化问题的本质是空间上精准匹配，时间上紧密跟随。就前者而言，目前控NO_x达到50 mg/m³以下甚至更低均可行，但在不同区域间脱硝反应条件存在差异的情况下，如果一味追求低NO_x排放而不断增加整体喷氨量，容易导致出口截面某些分区脱硝过量局部氨逃逸严重“超标”的问题，这是影响机组运行的真正难题。因此，很有必要开展SCR烟气脱硝系统氨氮双控的喷氨优化研究，保证出口NO_x质量浓度和NH₃质量浓度分布均匀且压线排放，则可以同时减少喷氨量。

在催化剂反应活性、反应时间以及反应温度等变化不大的前提下，SCR烟气脱硝系统喷氨优化研究的核心是要保证烟气中氮氧化物与还原气体氨气之间空间分布的匹配。对大尺度烟道内NO_x质量浓度分布的不均匀性进行针对性喷氨，实现SCR烟气脱硝系统稳定、压线运行。目前，通过数值模拟计算的方式建立SCR烟气脱硝系统模型进行烟气流场分析，是进行针对性喷氨优化的有效方式，能够为现场空间结构改造和调节喷氨量提供理论参考。Liu等人^[11]利用计算流体动力学（CFD）分析了各喷氨支管影响区域的NO_x通量权重系数及其敏感度，并对多个“关键”喷氨支管阀门进行改造，结果表明结合智能调整策略可以实现脱硝精准喷氨。计佳青等^[12]通过数值模拟的方法对SCR脱硝系统流场分布进行了深入分析，并提出了一种基于权重思想的非均匀喷氨优化策略，结果表明喷氨优化后首层催化剂截面的氨浓度分布变得均匀，且非均匀喷氨策略可提高机组的脱硝性能。李源等^[13]针对某650 MW机组W锅炉SCR烟气脱硝系统静态混合器在非均匀来流条件下的布置及喷氨优化进行了数值模拟研究，提出了分区喷氨优化方案，进一步改善了SCR烟气脱硝系统内氨氮匹配性，首层催化剂入口氨氮摩尔比相对偏差降至3.83%。综上分析，通过调整“关键阀”的喷氨量或者分区喷氨的方式进行针对性喷氨，能够提高氮氧化物与还原气体氨气在空间上的分布匹配度。

本团队针对SCR烟气脱硝系统（SCR脱硝系统）大尺度空间上的氨氮分布匹配度问题提出了一系列的喷氨优化方法。文献[14]指出采用性能试验的实测烟气数据作为模型的非均匀入口边界条件，能够准确模拟实际脱硝系统烟道内烟气的流场、温度场和浓度场，并提出以首层催化剂入口不同分区的氨氮摩尔比相对偏差最优为目标的分区喷氨模拟优化方法，最终实现出口NO_x质量浓度相对偏差小于20%。但该论文未能直接建立出口分区NO_x质量浓度与入口分区喷氨量的数学关系，未能直接优化SCR脱硝系统出口NO_x质量浓度分布。文献[15]给出了基于动力学模型的喷氨优化策略，通过直接求解SCR脱硝系统主反应的微分方程组确定喷氨格栅喷氨量与出口分区NO_x质量浓度的直接关系式，弥补了文献[14]的不足，直接以出口分区NO_x质量浓度相对标准偏差最小作为优化目标进行喷氨优化。但由于方程组的复杂性未能进一步考虑氨的氧化副反应对出口氨逃逸量的影响，未能实现氨氮双控的模拟。

本文以某660 MW机组SCR脱硝系统为例，并在前期研究经过可靠性验证后的CFD模型的基础上，考虑SCR脱硝、氨氧化2个化学反应，对SCR脱硝系统各分区的出口NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数随氨氮摩尔比的变化趋势进行统计并建立拟合公式；再根据该公式，以出口NO_x浓度分布最均匀为优化目标，结合分段拟合函数和优化矩阵方程定量求解喷氨量，进行氨氮双控喷氨优化模拟，同时实现了出口NO_x质量浓度和NH₃体积分数的均匀分布，避免了局部氨逃逸率“超标”的同时减少了喷氨量。

1　模型建立

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1.1　几何模型

某660 MW机组SCR脱硝系统三维全尺寸模型如图1所示。从图1可以看出，烟气由省煤器出口进入脱硝系统，经过多组导流板、喷氨格栅、静态混合器以及整流格栅，最终进入催化剂层与还原剂氨气发生选择性催化还原反应。为了引导烟气在烟道内均匀流动，系统内设置了多处的导流板和整流装置，但这也将烟道内的氨氮混合气划分为多个流动区域。在均匀喷氨的情况下，烟道内氨氮混合匹配度差，导致反应器出口NO_x质量浓度和氨体积分数分布均匀性差。针对上述问题进行了喷氨控制区域调整，喷氨格栅共设置有42个喷嘴，每个喷嘴有各自的调节阀控制喷氨流量。经过在线分区优化控制的改造后将喷氨格栅划分为5个喷氨分区，分区3控制2×3=6个喷嘴，其他4个分区分别控制3×3=9个喷嘴，从而实现5分区或42个喷嘴单独控制。根据现场网格化采样测量的测孔分布，将出口测量截面划分为18个分区进行脱硝反应后烟气数据监测和统计，具体分区位置如图1所示。

1.2　模型设置

燃煤电厂SCR脱硝系统烟气流动为充分发展的湍流流动，数值模拟计算主要是基于求解雷诺时均化方程，湍流模型选用标准k-ε模型。氮氧化物（NO_x）主要包括NO、N₂O、N₂O₅、NO₂等，其中NO占典型燃煤电厂NO_x的95%，故采用NO来代替实际的NO_x。考虑烟道中烟气与NH₃的混合特性，采用组分输运模型来模拟烟气中NO、NH₃、H₂O、CO₂、O₂和N₂等6种气体组分的混合和输运，且不考虑飞灰的影响。采用多孔介质模型来模拟催化剂层，其中发生的化学反应包括标准SCR催化脱硝主反应和氨气氧化副反应：

4NO+4NH 3 +O 2 → 4N 2 +6H 2 O

(1)

4NH 3 +3O 2 → 2N 2 +6H 2 O

(2)

上述数值模型中涉及的边界条件以及湍流模型、多组分模型、多孔介质模型以及化学反应动力学参数等数值设定参考文献[16]。该模型的准确性验证已在前期研究中完成，SCR脱硝系统内温度场、速度场和浓度场的模拟值与实测值的相对误差均小于2%。本文在此SCR脱硝反应模型的基础上，进行脱硝规律总结分析以及氨氮分布优化研究。

1.3　研究流程

本文提出以NH₃/NO_x（氨泄漏和氮氧化物）分布均匀化为目标的SCR脱硝系统优化新方法，具体研究路线如图2所示。首先，基于实际烟气数据和边界条件建立SCR脱硝反应模型，通过FLUENT软件模拟不同喷氨量条件下，烟道内NO_x质量浓度分布和NH₃体积分数分布规律；通过统计催化剂进、出口烟气数据，给出了脱硝效率与氨氮比之间的分段线性拟合公式；结合基于喷氨流动影响系数的优化矩阵方程，利用分段拟合公式进行了以出口NO_x质量浓度分布最均匀且压线排放为目标的喷氨优化模拟，定量计算出最优喷氨量来指导喷氨阀门调节；与优化调整前均匀喷氨工况下的结果对比，在满足优化要求的前提下，给出喷氨阀最优调试方案，最终实现出口NO_x质量浓度和氨逃逸率均压线排放，提高出口截面的NO_x质量浓度和NH₃体积分数分布的均匀性，减少总体喷氨量节约运行成本。

1.4　评价指标

为评价优化效果，采用相对标准偏差作为衡量标准^[17-18]：

C v = 1 x ¯ 1 n − 1 (x i − x ¯) 2

(3)

式中：

x ¯

为数据的平均值；x_i为各分区测点的数据；n为截面的分区测点数。

根据超低排放标准，出口NO_x质量浓度要低于50 mg/m³，且氨逃逸体积分数低于3 μL/L，同时，通常要求脱硝催化剂上游截面速度分布相对偏差小于15%，氨氮比相对偏差小于5%，入口温度相对偏差小于±10 K，出口截面NO_x质量浓度相对标准偏差小于15%^[19-22]。

2　模拟结果与分析

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2.1　出口NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数变化规律

图3为均匀喷氨方式下3种不同喷氨量（氨氮摩尔比（氨氮比）为1.0、1.1、1.2）的SCR脱硝系统18个分区脱硝反应模拟统计结果。

图3中虚线表示出口截面NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数分区截面平均值。由图3a)可见，当催化剂上游截面总氨氮比为1.0时，整体截面NO_x质量浓度平均值为45.7 mg/m³，氨逃逸体积分数平均值为2.0 μL/L，满足氨逃逸体积分数低于2.5 μL/L的要求。但从局部统计结果出发，分区7、10、13以及16出口NO_x排放质量浓度均超过了60 mg/m³，远超环保要求的50 mg/m³排放标准。这说明存在局部氨氮分布不均匀区域，导致该分区还原气体氨的体积分数降低，氨氮比低于平均值，从而出现局部NO_x质量浓度偏高的现象，出口截面NO_x质量浓度相对标准偏差为37.9%。

为了提高脱硝效率，降低NO_x排放质量浓度，大部分机组通常采用增加总喷氨质量浓度的方式^[23]，将氨氮比提高到1.1或以上（图3b)）。整体截面NO_x质量浓度平均值为19.0 mg/m³，氨逃逸体积分数平均值为2.7 μL/L，整体上NO_x排放质量浓度能够很好地符合排放要求，但氨逃逸体积分数接近3.0 μL/L，存在局部氨逃逸率“超标”的风险。图3b)中第6、9、12和15分区NO_x质量浓度值接近于0，同时该部分区域出口氨逃逸体积分数大于3.0 μL/L超标排放。这说明由于均匀喷氨方式的针对性不强，烟道内氨氮分配不均匀，容易导致局部氨逃逸“超标”现象。

由图3c)可见，氨氮比为1.2时，氨气过量率提高至20%。整体截面NO_x质量浓度平均值低至3.8 mg/m³，出现了多处分区出口NO_x质量浓度接近于0，氨逃逸体积分数平均值高达5.0 μL/L，氨逃逸“超标”现象严重。这说明了盲目地增加喷氨量以保证高脱硝效率的方式不可取，但无止尽地增加喷氨量也将造成未反应的还原气体氨增加，从而导致氨逃逸率严重“超标”，与其他反应物质生成的高黏性铵盐将造成催化剂层及其下游设备的堵塞和损耗，从而降低了催化剂的脱硝效率，进而又需要喷氨量的进一步增加，这将形成恶性循环。

在上述3个不同喷氨量条件下，SCR催化剂的18个分区进行出口NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数的统计，结果如图4所示。由图4可见，在低氨氮比阶段（氨氮比分区<1.15），氨逃逸体积分数随着氨氮比的增加而缓慢逐渐增加，但在氨氮比分区增加到1.15以后，氨逃逸规律曲线将出现1个拐点，即烟道出口氨逃逸体积分数将会出现突增的情况，氨逃逸体积分数大于电厂要求标准3.0 μL/L。同时，对应在拐点氨氮比为1.15之前，出口NO_x质量浓度随着氨氮比分区的增加而近似呈线性的快速降低；而氨氮比达到1.15拐点以后，随氨氮比的增加出口NO_x质量浓度却趋于不变。从图4可以明显看出，SCR反应器出口截面NO_x质量浓度的减少和氨逃逸体积分数的增加存在1个拐点，为了尽可能减少总喷氨量和避免局部氨逃逸导致烟气尾部设备的运行风险，对该机组而言，实际的分区局部氨氮比应控制在1.15以内。

2.2　分段线性拟合函数建立和求解

通过统计不同氨氮比下催化剂入口截面18个分区的NO_x质量浓度、NH₃体积分数、氨氮比以及出口NO_x质量浓度分布数据，计算对应分区的脱硝效率，结果如图5所示。

从图5可以看出，SCR脱硝系统的脱硝效率与氨氮比的关系呈现非线性变化的规律。同样以氨氮比为1.15分界：当氨氮比分区<1.15时，在其余反应条件相同的情况下（如反应温度、烟气流速和催化剂状态相近），SCR脱硝反应效率主要和氨氮比的大小呈线性增加的关系；随着喷氨量的增加，氨氮比达到拐点以后，SCR脱硝反应效率达到极限值，即氨氮比局部>1.15后，脱硝效率几乎不随氨氮比的增加而增加，此时加大喷氨量就会导致氨逃逸率迅速增加^[24]。

本文采用不同的催化反应模型以及不同负荷边界条件计算，脱硝效率与氨氮比之间均有以上规律，说明该优化方法具有一定的普适性。故采用分段控制函数进行喷氨优化调整，具体分段函数线性表达式为：

y 1 = 0. 85 x + 0. 012 y 2 = 0. 055 x + 0.9 3

(4)

x = C NH 3 C NO x

(5)

式中：y为脱硝效率；x为氨氮比。

a i = m i m

(6)

式中：a_i为不同喷氨分区/喷嘴的影响系数；m_i为单个分区/喷嘴喷氨影响催化剂上游对应区域的氨质量浓度；m为单个分区/喷嘴喷氨总质量浓度。

喷氨影响系数定义的优化矩阵方程为：

[a 1, 1 X 1 + a 2,1 X 2 + ... + a 42, 1 X 42 a 1,2 X 1 + a 2, 2 X 2 + ... + a 42, 2 X 42 ⋮ ⋮ ⋮ a 1,5 X 1 + a 2, 5 X 2 + ... + a 42, 5 X 42 ⋮ ⋮ ⋮ a 1, 18 X 1 + a 2, 18 X 2 + ... + a 42, 18 X 42] = [Y 1 Y 2 ⋮ Y 5 ⋮ Y 18]

(7)

式中：a_i,j为喷氨格栅第i分区/喷嘴喷氨对催化剂上游18个区域中的某j区域的影响系数；Y_j为催化剂上游18个区域中第j个区域氨浓度需求量；X_i为待求的喷氨格栅处对应分区/喷嘴的喷氨量。

规定出口截面18个分区NO_x质量浓度40 mg/m³为压线排放优化目标，计算对应分区的脱硝效率；利用不同分区脱硝效率的理论计算值，确定采用y₁分段公式进行计算催化剂入口分区氨氮比；计算出每个分区对应的氨氮比分布后，根据入口NO_x质量浓度分布情况从而确定各分区所需的氨质量浓度；结合喷氨格栅分区（喷嘴）喷氨流动影响系数^[16]和催化剂上游18个分区氨质量浓度需求量，利用MATLAB软件计算喷氨优化矩阵方程，得出喷氨格栅处每个分区或喷嘴的喷氨量。

2.3　以出口NO_x压线排放为目标的喷氨优化结果

以Yao等人^[4]的调研结果要求最低氨氮比为1.1为例，进行SCR脱硝系统喷氨优化模拟，并以出口NO_x质量浓度分布最均匀为目标进行优化喷氨。规定出口NO_x质量浓度目标值为40 mg/m³，通过5分区和42个喷嘴的优化方法进行喷氨优化模拟，结果如图6—图8所示。

从5个分区优化结果可见：出口NO_x质量浓度均值为40 mg/m³时，存在3个出口分区NO_x质量浓度超过排放标准（50 mg/m³），但出口氨逃逸体积分数18个分区质量浓度值均在2.5 μL/L以下，不存在氨逃逸率“超标”的现象；42个喷嘴单独喷氨控制，出口氨逃逸体积分数均值由2.7 μL/L降低至2.0 μL/L，截面平均值为40 mg/m³和2.0 μL/L，能够满足出口NO_x质量浓度低于40 mg/m³以及氨逃逸体积分数低于2.5 μL/L的要求，能够很好地实现压线排放，保证了NO_x质量浓度和氨逃逸率不超标排放。由图7可见，出口NO_x质量浓度相对标准偏差由优化调整前的70%下降至5分区喷氨的36%，最后经过42个喷嘴优化后相对标准偏差达到9%，说明分区优化和分喷嘴优化都有很好的效果。同时，从图8氨逃逸体积分数分布云图可以看出，5分区和42喷嘴优化结果云图显示不存在氨逃逸“超标”区域，截面相对标准偏差也由原来的38%降低至4%，优化效果显著提高。可见，采用以出口NO_x质量浓度压线排放为目标的42个喷嘴优化方法，每个分区出口的NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数都分布均匀，保证NO_x质量浓度维持在均值40 mg/m³，同时出口氨逃逸体积分数减少至2.0 μL/L，满足NO_x排放要求且不存在局部氨逃逸“超标”的风险。

2.4　不同喷氨优化方法效果对比

采用2种不同的喷氨优化方法进行喷氨调整后，与优化调整前均匀喷氨模拟结果对比，结果见表1。

电厂SCR系统要求NO_x脱除率达到80%以上，出口NO_x质量浓度低于50 mg/m³，氨逃逸体积分数不超过3.0 μL/L。本文以更低的标准要求出口截面NO_x质量浓度和NH₃体积分数相对标准偏差小于10%，出口NO_x质量浓度低于40 mg/m³以及NH₃逃逸体积分数低于2.5 μL/L。喷氨优化调整前，喷氨总量为118 kg/h，氨氮比达1.1，属于喷氨过量情况，脱硝效率达到94%，出口NO_x质量浓度均值为19 mg/m³，氨逃逸体积分数截面均值为2.7 μL/L。采用以出口NO_x质量浓度均值为40 mg/m³压线排放为目标的42喷嘴喷氨优化方法，经优化调节后，SCR脱硝系统总体脱硝效率为88%，能够满足电厂脱硝系统运行要求，总喷氨量从118 kg/h降低至109 kg/h，减少了9 kg/h。按机组年利用小时数4 000 h计算，每年可节省液氨耗量36 t，节省费用约15万元（液氨价格按4 250元/t计）^[25]。同时，SCR脱硝系统出口NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数分别为40 mg/m³和2.0 µL/L，均满足压线排放的环保要求，且出口NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数的相对标准偏差值分别下降至9.4%和4.2%，分布均匀，不存在局部超标现象。

2.5　喷氨阀调节指导方案

假设调整前均匀喷氨条件下初始阀开度为90，阀门开度范围为0~100。将该模拟工况下42个喷嘴优化后的喷氨量与均匀喷氨情况下对比，得到优化后42个喷氨阀的开度调整相对值见表2。由表2可见，相对于调整前42个阀门的开度大小，阀门A4-3需要减小开度28.6，即该阀门为最小开度61.4，阀门A14-1需要增大开度为9.8，即该阀门为最大开度99.8。

3　结论

收起

针对目前电厂实际喷氨运行调整中存在的喷氨过量、出口NO_x质量浓度分布不均以及氨逃逸率“超标”等问题，本文以某660 MW机组SCR脱硝系统为例，采用数值模拟研究方法进行了SCR脱硝系统脱硝规律分析，并基于此提出了一种氨氮双控的喷氨优化新方法。

1）适当的过量喷氨可以减少SCR脱硝系统出口NO_x质量浓度，满足环保排放要求，但超过一定的氨氮比之后，增加喷氨量将造成未反应的还原剂氨的逃逸“超标”现象严重。均匀喷氨方式喷氨的空间针对性不强，烟道内氨氮浓度分配不匹配，出口截面各分区之间的NO_x质量浓度和NH₃体积分数相对标准偏差大，分布均匀性变差。

2）SCR脱硝系统的脱硝效率与氨氮比的关系呈非线性变化规律，SCR脱硝系统出口截面NO_x质量浓度的减少和氨逃逸体积分数的增加过程中存在1个拐点。为尽可能减少总喷氨量和避免氨逃逸“超标”的风险，应通过分区或喷氨阀调节的方法保证局部氨氮比也在一定的氨氮比以内（本文为1.15）。

3）与调整前均匀喷氨工况对比，采用以出口NO_x压线排放为目标的优化方法，优化后总喷氨量下降了7.2%，同时出口NO_x质量浓度和氨逃逸体积分数分别为40 mg/m³和2.0 μL/L，均满足压线排放的要求，且相对标准偏差值分别下降至9.4%和4.2%，出口均匀性显著提高，不存在局部“超标”排放问题。

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广东省科技计划项目(2020A0505140001)
广东省自然科学基金(2022A1515010741)

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2023年第52卷第11期

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doi: 10.19666/j.rlfd.202301005

接收时间：2023-01-12
首发时间：2026-01-26
出版时间：2023-11-25

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收稿日期：2023-01-12

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Natural Science Foundation of Guangdong Province(2022A1515010741)

广东省自然科学基金(2022A1515010741)

作者信息

^1.华南理工大学电力学院，广东　广州　510640

^2.广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东　广州　510640

^3.广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心，广东　广州　510640

^4.南方电网电力科技股份有限公司，广东　广州　510030

^5.广东省计量科学研究院，广东　广州　510405

通讯作者:

卢志民（1979），男，教授，主要研究方向为固体燃料高效低污染利用，zhmlu@scut.edu.cn。

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

喷氨阀编号	A1-1	A1-2	A1-3	A2-1	A2-2	A2-3	A3-1	A3-2	A3-3
开度调整值	–10.0	0.3	–10.8	–9.3	–5.2	–19.4	–6.2	–7.2	–25.5
喷氨阀编号	A4-1	A4-2	A4-3	A5-1	A5-2	A5-3	A6-1	A6-2	A6-3
开度调整值	–4.1	–6.2	–28.6	–3.4	–1.7	–26.8	–3.2	1.1	–24.3
喷氨阀编号	A7-1	A7-2	A7-3	A8-1	A8-2	A8-3	A9-1	A9-2	A9-3
开度调整值	–3.3	3.4	–21.7	–1.2	5.4	–19.6	2.7	1.2	–14.1
喷氨阀编号	A10-1	A10-2	A10-3	A11-1	A11-2	A11-3	A12-1	A12-2	A12-3
开度调整值	6.4	–5.5	–9.0	0.6	–12.3	–5.0	–7.6	–10.3	–2.8
喷氨阀编号	A13-1	A13-2	A13-3	A14-1	A14-2	A14-3
开度调整值	–3.2	–2.8	0.8	9.8	4.9	0.8

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