燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化模拟

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220446

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (8): 62-70.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220446

所属专题： 2023年能源、动力与电气工程

• 能源、动力与电气工程 • 上一篇下一篇

燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化模拟

卢志民¹ 李博航¹ 唐雯² 陈咏城² 吴康洛¹ 姚顺春¹

^1.华南理工大学电力学院，广东广州 510640
^2.广东红海湾发电有限公司，广东汕尾 516623

收稿日期:2022-07-13 出版日期:2023-08-25 发布日期:2023-01-20
通信作者: 卢志民（1979-），男，教授，博士生导师，主要从事固体燃料高效低污染利用研究。 E-mail:zhmlu@scut.edu.cn
作者简介:卢志民（1979-），男，教授，博士生导师，主要从事固体燃料高效低污染利用研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51876068);广东省科技计划项目(2020A0505140001);广东省自然科学基金资助项目(2022A1515010741)

Optimization Simulation of Ammonia Injection in SCR DeNO _x System of Coal-Fired Power Plant

LU Zhimin¹ LI Bohang¹ TANG Wen² CHEN Yongcheng² WU Kangluo¹ YAO Shunchun¹

^1.School of Electric Power Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China
^2.Guangdong Red Bay Power Generation Co. , Ltd. , Shanwei 516623, Guangdong, China

Received:2022-07-13 Online:2023-08-25 Published:2023-01-20
Contact: 卢志民（1979-），男，教授，博士生导师，主要从事固体燃料高效低污染利用研究。 E-mail:zhmlu@scut.edu.cn
About author:卢志民（1979-），男，教授，博士生导师，主要从事固体燃料高效低污染利用研究。
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51876068);Guangdong Provincial Science and Technology Plan Project(2020A0505140001);the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2022A1515010741)

摘要/Abstract

摘要：

为提高某660 MW机组SCR（选择性催化还原）脱硝反应器出口NO _x 质量浓度分布均匀性，文中以SCR出口NO _x 质量浓度分布相对标准偏差最小为优化目标，提出了一种基于动力学模型的最优喷氨策略。将现场实测数据作为入口边界条件，耦合反应器内的湍流流动、组分输运和化学反应，进行了CFD数值模拟计算。对氨流动特性进行可视化分析，并定义喷氨格栅分区/喷嘴的流动影响系数，结合基于SCR反应动力学模型建立的出口NO _x 浓度分布与入口NH₃浓度的数学关系，直接求解优化矩阵方程，可得到喷氨格栅不同分区或不同喷嘴的最优可控喷氨流量。模拟结果表明：均匀喷氨方式下，不同分区氨氮浓度混合匹配度不高，SCR反应器出口NO _x 质量浓度相对标准偏差达到40.1%，分布均匀性较差；按文中提出的方法进行喷氨优化后，出口NO _x 质量浓度相对标准偏差下降至6.8%，出口均匀性大幅提高，既能实现NO _x 压线排放满足环保要求，又可避免出现脱硝效率过高和过低的区域。文中通过数值模拟的方式将流场可视化，通过定量求解各阀门喷氨量进行喷氨优化，可以为实际电厂喷氨优化调试提供理论参考，降低调整的盲目性。

关键词: SCR脱硝反应, 数值模拟, 喷氨优化, NO _x 浓度场, 动力学模型

Abstract:

To improve the uniformity of NO _x mass concentration distribution at the outlet of SCR (selective catalytic reduction) denitration reactor of a 660 MW unit, this paper proposed an optimal ammonia injection strategy based on the kinetic model with the objective of minimizing the relative standard deviation of NO _x mass concentration distribution at the outlet of SCR. The on-site measured data was used as the inlet boundary condition, and CFD numerical simulation calculations were conducted by coupling turbulent flow, component transport, and chemical reactions in the reactor. The ammonia flow characteristics was visually analyzed, and the flow influence coefficient of the ammonia injection grid partition/nozzle was defined. The optimal controllable ammonia injection flow of different partitions or nozzles of the ammonia injection grid can be obtained by directly solving the optimization matrix equation, and combining the mathematical relationship between the outlet NO _x concentration distribution and the inlet NH₃ concentration, which is based on the SCR reaction kinetics model. The simulation results show that under the uniform ammonia injection mode, the mixing matching degree of ammonia nitrogen concentration in different zones is not high, the relative standard deviation of NO _x mass concentration at the outlet of SCR reactor reaches 40.1%, and the uniformity of NO _x mass concentration distribution at the outlet is poor. After the optimization of ammonia injection according to the method proposed in the paper, the relative standard deviation of NO _x mass concentration at the outlet decreases to 6.8%, and the uniformity of the outlet is greatly improved. This can not only realize the pressure line emission of NO _x to meet environmental requirements but also avoid areas with high and low denitrification efficiency. The flow field was visualized through numerical simulation in the article, and ammonia injection optimization was carried out by quantitatively solving the ammonia injection volume of each valve. This can provide theoretical reference for actual ammonia injection optimization debugging in power plants and reduce the blindness of adjustment.

Key words: SCR DeNO _x reaction, numerical simulation, ammonia spraying optimization, NO _x concentration field, kinetic model

中图分类号:

X799.3

卢志民, 李博航, 唐雯, 等. 燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化模拟[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(8): 62-70.

LU Zhimin, LI Bohang, TANG Wen, et al. Optimization Simulation of Ammonia Injection in SCR DeNO _x System of Coal-Fired Power Plant[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(8): 62-70.

图/表 13

图1

表1

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表3

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表4

表5

参考文献 18

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区域	分区1	分区2	分区3	分区4	分区5
C11	0.18	0.06	0.00	0.00	0.00
C12	0.21	0.02	0.00	0.00	0.00
C13	0.22	0.01	0.00	0.00	0.00
C21	0.05	0.17	0.05	0.00	0.00
C22	0.08	0.16	0.02	0.00	0.00
C23	0.16	0.10	0.00	0.23	0.00
C31	0.00	0.07	0.18	0.06	0.00
C32	0.01	0.12	0.17	0.02	0.00
C33	0.07	0.14	0.07	0.01	0.00
C41	0.00	0.00	0.08	0.17	0.03
C42	0.00	0.02	0.13	0.15	0.01
C43	0.00	0.11	0.14	0.06	0.00
C51	0.00	0.00	0.00	0.10	0.16
C52	0.00	0.00	0.02	0.15	0.11
C53	0.00	0.02	0.12	0.14	0.04
C61	0.00	0.00	0.00	0.01	0.25
C62	0.00	0.00	0.00	0.02	0.24
C63	0.00	0.00	0.01	0.09	0.16

参数	模拟值	实测值^［13］	相对误差/%
入口截面速度/（m·s^-1）	11.99	11.82	1.44
入口截面温度/K	644.19	644.35	0.03
入口截面NO _x 质量浓度/（mg·Nm^-³）	334.93	329.19	1.79
催化剂上游氨氮比	0.91	0.88	3.41
脱硝率/%	87.55	85.54	2.35

喷嘴编号	喷氨量		喷氨量		喷氨量
AIG1-1	0.044 7	AIG5-3	0.035 3	AIG10-2	0.046 8
AIG1-2	0.050 4	AIG6-1	0.048 2	AIG10-3	0.045 0
AIG1-3	0.044 3	AIG6-2	0.050 6	AIG11-1	0.050 2
AIG2-1	0.045 1	AIG6-3	0.036 6	AIG11-2	0.043 0
AIG2-2	0.047 3	AIG7-1	0.048 1	AIG11-3	0.047 2
AIG2-3	0.039 5	AIG7-2	0.051 8	AIG12-1	0.045 6
AIG3-1	0.046 7	AIG7-3	0.038 0	AIG12-2	0.044 1
AIG3-2	0.046 2	AIG8-1	0.049 2	AIG12-3	0.048 4
AIG3-3	0.036 1	AIG8-2	0.052 9	AIG13-1	0.048 0
AIG4-1	0.047 8	AIG8-3	0.039 2	AIG13-2	0.048 3
AIG4-2	0.046 7	AIG9-1	0.051 4	AIG13-3	0.050 4
AIG4-3	0.034 3	AIG9-2	0.050 6	AIG14-1	0.055 2
AIG5-1	0.048 1	AIG9-3	0.042 2	AIG14-2	0.052 6
AIG5-2	0.049 2	AIG10-1	0.053 4	AIG14-3	0.050 4

优化方法	出口NO _x 质量浓度均值/（mg·Nm^-3）	出口NO _x 质量浓度相对标准偏差/%	出口氨逃逸率/（μL·L^-1）	出口氨逃逸率相对标准偏差/%
均匀喷氨	41.7	40.1	3.20	7.6
5个分区喷氨	41.4	33.0	3.18	5.5
42个喷嘴喷氨	39.9	6.8	3.17	2.5

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