超低排放形势下SCR系统精细化喷氨控制技术-改

超低排放形势下SCR系统精细化喷氨控制技术,华中科技大学煤燃烧国家重点实验室能源动力装置节能减排教育部工程中心,主要内容,精细化智能喷氨系统,4,背景,1,SCR系统运行存在的问题,2,目前常用解决方案的不足,3,超低排放形势下SCR系统精细化喷氨控制技术,1、背景,NOx:50mg/m3SO2:35mg/m3烟尘:5mg/m3,NOx:50mg/m3SO2:35mg/m3烟尘:10mg/m3,NOx:100mg/m3SO2:100mg/m3烟尘:30mg/m3,NOx:450mg/m3SO2:400mg/m3烟尘:50mg/m3,GB13223-2003,GB13223-2011,全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案,更高要求,其他污染物：SO3、汞、PM2.5,火力发电厂污染物排放标准变化,目前火电厂采用的NOx脱除技术,500mg/m3,炉内低氮燃烧,+,500mg/m3,SCR,SNCR+SCR,50mg/m3,低氮燃烧技术,SCR整体优化技术,综合优化策略,低氮燃烧及烟气脱硝一体化控制技术,基础理论,影响因素,关键技术,燃烧动力场,传热传质,烟气特性,催化剂特性,流场特性,低氮燃烧与SCR技术的协调一致,单独研究SCR：入口条件不符合实际情况均流部件的设计出现偏差，氨氮比不均一体化考虑低氮燃烧特性与SCR的联系流场优化，喷氨优化更为准确,低氮改造后由于炉内还原性气氛增强，相对改造前结焦结渣问题更为严重研究新型结焦结渣特性是解决问题的关键,结焦结渣,催化剂磨损失活,汽温不达标,脱硝技术改造后普遍存在的问题,改造后经常会出现主汽温达标再热汽温度不达标问题改造后炉膛结构配风都有较大改变初始的热力计算已不能满足要求,飞灰颗粒黏度特性,飞灰颗粒的矿物组成、熔点,飞灰颗粒矿物组成、粒径大小,飞灰颗粒碰撞特性（速度、动量）,炉内结渣问题,汽温不达标问题,目前世界各国的锅炉热力计算有很多的方法(标准)。方法基本为半经验性质,其精确程度,往往影响到排烟温度、过热汽温及再热汽温和热空气温度的设计值的准确。各种方法的选用,决定于锅炉制造厂家的历史与经验。汽温不达标问题的根源在于目前的各种热力计算标准已经不能适应改造后炉膛热力计算的需要，必须进行修正和实验才能得到准确的热力参数,SCR脱硝成本构成,一体化综合分析,改造成本：一次性费用间接运行费用：还原剂消耗所需费用烟道阻力造成产用电变化产生的费用氨逃逸导致空预器堵塞的运行维护费用,低氮燃烧降氮越多成本越高，且到达一定值之后成本急剧增加，降低效果反而降低，而SCR单位降氮成本基本不变一体化可以综合考虑低氮燃烧与SCR脱硝成本，寻找到SCR入口NOX浓度的最经济值,一体化NOx协调控制的经济性分析,策略针对提高电厂煤粉炉运行而专门设计的、集自动系统的优化整定、在线系统寻优和优化控制的一体化解决方案。目标保证锅炉实时运行在其当时可能的最佳空间点自动优化控制机组的各项节能减排指标的组合在达标前提下，确保机组的最低运行费用,一体化控制综合优化策略,基于现代控制论(APC)基础上，进行锅炉燃烧在线优化控制调节多任务实时优化确保机组安全运行保证锅炉主/再热蒸汽品质维持锅炉燃烧效率在可能的最高水平充分发挥低氮燃烧技术特点减轻SCR对NOx处理压力可大大节省催化剂/还原剂的使用提高SCR的寿命,综合优化策略,SCR实际运行中存在的问题,SCR出口NOx浓度超标氨逃逸超标空预器阻塞，烟风阻力、风机电耗增加催化剂磨损、寿命缩短炉内燃烧受到影响,某电厂SCR反应器出口NOx浓度分布云图,相对标准偏差=66.34%,硫酸氢铵对系统的危害,01,03,02,催化剂堵塞失活,引风机受力失衡,除尘器滤袋糊袋,硫酸氢铵粘结在风机叶片上，不同叶片粘结量不同，导致引风机受力失衡。,硫酸氢铵对PM2.5的影响,近年来，燃煤电站在控制粉尘、SO2排放的同时，大规模安装烟气脱硝设施，使得煤燃烧产生的细颗粒物(PM2.5)在最终排放到大气环境中之前需要经过SCR烟气脱硝、电或布袋除尘、湿法脱硫等污染物控制设备。在PM2.5被部分捕集的同时，烟气脱硝、湿法脱硫装置本身还会形成PM2.5，虽减少了由SO2、NOx等气态污染物转化生成的二PM2.5和PM2.5，但另一方面也改变PM2.5的物化特征，并有可能增加一次PM2.5排放。,SCR脱硝系统进出口细颗粒数浓度变化,SCR出口细颗粒物数浓度分布,硫酸氢铵对PM2.5的影响,颗粒SEM图像,元素分析EDS图谱,物相分析XRD图谱,东南大学采用钒钛钨催化剂，对SCR烟气脱硝装置出口PM2.5物性进行分析，考察SO2氧化与PM2.5形成的关系，并采用原位漫反射红外光谱(DRIFTS)对SCR脱硝过程中NH4HSO4的生成及SCR脱硝温度条件下的NH4HSO4热稳定性进行了分析研究。结果表明，经SCR脱硝后，亚微米级细颗粒数浓度明显升高，且形貌特征及元素组成发生变化，形成的细颗粒主要为NH4HSO4及少量(NH4)2SO4。,参考文献：范红梅等,SCR脱硝过程中细颗粒物排放特性.中南大学学报(自然科学版),2016(01):第321-329页束航等,SCR烟气脱硝对PM_(2.5)排放特性的影响机制研究.燃料化学学报,2015(12):第1510-1515页,SelectiveCatalystReduction，选择性催化还原4NO+4NH3+O24N2+6H2O，2NO+2NO2+4NH34N2+6H2O,2、SCR系统运行存在的问题,主要问题,P,X,J,Q,低负荷时难以达到SCR运行温度，导致脱硝效率降低、催化剂失活、空预器堵塞等问题。,全负荷脱硝,喷氨格栅设计不合理会导致氨氮混合不均，引起氨逃逸。,喷氨格栅,速度场，氨氮比，温度场等多种因素都会影响氨逃逸，氨逃逸问题是电厂最难解决也是不容忽视的问题。不仅对系统危害带还会带来新型的空气污染。,氨逃逸量大，准确测量困难,均流部件设计不合理会导致速度场和浓度场不均，导致催化剂磨损、积灰、失活、氨逃逸过大等问题。,均流部件,全负荷脱硝,当SCR入口烟温低于正常反应温度时，催化剂的反应效率大大降低，进而导致喷氨量增加，氨逃逸率升高。逃逸的NH3与SO3、H2O反应生成NH4HSO4，附着在催化剂表面会堵塞催化剂通道或微孔，堵塞空预器，影响机组的带负荷能力，严重时威胁机组的安全稳定运行。有研究表明亚临界锅炉在低于60负荷，超临界锅炉在低于50%负荷时，脱硝入口烟温难以满足要求。,数据来源：上海锅炉厂有限公司技术部，锅炉全负荷脱硝入口温度偏低解决方案,均流部件设计不合理,空塔速度场,不合理的导流板设计后速度场,空塔情况下肯定不能满足SCR系统流场的要求，而仅根据经验加装的导流板，往往效果非常差，均流部件的位置，尺寸，角度，间隔等都需要根据每个电厂的实际情况做具体调整，目前没有加装均流部件的电厂几乎没有，但是大多数电厂的均流部件设计不合理，达不到理想效果。,喷氨格栅设计不合理,顺烟气方向喷氨,喷氨格栅布置位置,喷氨格栅自身结构,氨逃逸量大且难以测量,氨逃逸测量难度大，现在火电厂所用的氨逃逸测量设备很难精确测量,氨逃逸过大,抽取测量温度难以满足要求,抽取测量改变烟气中的氨气浓度,电化学、红外和紫外等方法不适用,原位对穿测量激光透过率低,逃逸量极低，10ppm数量级以下,易反应生成硫酸氢铵,吸附性极强，极易溶于水,振动、高含尘量、工况不稳定,3、目前常用解决方案的不足,01,03,02,数值模拟利用CFD数值模拟的方法，在基于一定假设的前提下，得到首层催化剂前的速度场浓度场分布,现场实验CFD数值模拟所需输入的数据都从现场实验中获取SCR系统优化完成后依旧需要去现场做冷态实验现场实验前后数据对比，得到实际改造效果,物模实验以1:10/15的比例在实验室搭建物模台架采用CO2作为示踪气体进行模拟采用网格法测量首层催化剂前截面速度值及NH3浓度值，并计算其相对标准偏差,通用解决方案,数值模拟手段,模拟步骤,标准k湍流模型,NavierStokes流动控制方程,烟气进口采用Species物质输运模型,催化剂层采用Porous多孔介质模型以及涡耗散概念（EDC)模型,参数调整,SCR入口边界条件,假设SCR入口速度场，浓度场均匀,CFD计算,保证阻力和化学反应情况与实际接近,不同工况，不同均流部件设计下的流场分布，氨浓度场分布,目前常用的数值模拟存在的问题,SCR流场模拟阶段假定SCR入口的烟气流场和浓度场均匀；但实际情况下，流场和浓度场都是不均匀的。通过整炉模拟可以看出，从炉膛出来经过省煤器的烟气的速度场和浓度场是不均匀。入口均匀这个假设条件不成立而且当对排放要求越高时，入口条件越需要充分考虑。,全炉流场分布,全炉NOx分布,入口速度不均,目前常用的数值模拟存在的问题,传统的SCR数值模拟不考虑化学反应，无法得到氨逃逸值。整个冷态模拟的过程求解的是在入口均匀的条件下，氨气与烟气混合的均匀程度，描述冷态模拟的性能指标也从氨氮比变成了首层催化剂前的速度，NH3浓度相对标准偏差。实际上SCR入口氮氧化物分布以及速度场分布都十分不均匀，这样一个指标仅对优化速度场有意义。氨浓度场的均匀度并不能保证氨氮比，该性能指标没有实际意义（个人意见）。,某A电厂SCR反应器出口NOx浓度分布云图,相对标准偏差=66.34%,某B电厂SCR烟气脱硝系统NO浓度,目前常用的数值模拟存在的问题,由于模拟本身的局限性，入口条件假设，模型的简化等多个方面的因素，导致SCR的冷态数值模拟无法准确模拟SCR系统负荷变动的影响。模拟稳态过程，流动具有相似性，导致速度场浓度场的分布以及相关性能指标基本一致，与实际情况相差较大，无法指导全负荷脱硝。,某电厂调整均流部件后BMCR工况数模结果,某电厂调整均流部件后THA工况数模结果,某电厂调整均流部件后75%THA工况数模结果,物模实验,a-引风系统b-混合分配系统c-灰输送系统d-示踪气体供给系统e-喷氨系统流量控制面板f-SCR物理模型,物模实验存在的问题,SCR物模实验无法准确模拟现场工况：,1.烟道模拟程度低；2.不采用催化剂层；3.数据量小且代表性差；4.采用CO2和空气代替NH3和烟气，混合比例含糊不清,某电厂数模物模性能指标对比,物模实验结果与CFD数模结果吻合较好，物模验证了CFD数值模拟的准确性，但也说明数模存在的问题物模同样存在。物模仅能提供一个数模验证作用，并不能反映真实的SCR运行工况。,现场实验存在的问题,测量手段单点测量方式：不具备代表性，无法反映SCR内NOx、NH3的真实浓度分布烟气抽取式测量：实时性低，无法适应负荷变化的要求氨逃逸测量难度大，现在火电厂所用的氨逃逸测量设备很难精确测量，单个点的测量值完全不能准确反映氨逃逸情况造成氨逃逸检测值低，空预器堵塞却很严重的现状负荷变动定负荷工况测试时间需求、人力需求等因素，直接导致所能够采集得到的定负荷工况数据样本较少，不利于摸清系统真正的运行特性,SCR流场设计存在问题均流装置设计不合理，流场参数无法满足要求：速度偏差（15%），氨浓度分布（5%），入射角度（10）、压降等SCR运行方式无法满足运行的需要测量手段单点测量方式：不具备代表性，无法反映SCR内NOx、NH3的真实浓度分布烟气抽取式测量：实时性低，无法适应负荷变化的要求喷氨调节方式总阀电调、支管手动调节方式，无法满足负荷、运行工况变化催化剂质量存在问题机械强度差活性组分、助剂成分欠缺与流失,SCR运行存在问题的原因分析,现有喷氨方式,氨氮比不均匀,氨逃逸,新增氨污染,空预器阻塞,出口NOx分布不均匀,催化剂寿命、局部活性降低,NOx排放不达标,传统方案无法解决的难点,SCR入口场不均匀,设计均流部件忽略了不均性,均流部件设计不能达理想效果,不能满足氨氮摩尔比1:1，氨逃逸无法控制,催化剂的详细化学反应机理复杂，模拟难度大,数值模拟在超低排放形势下需要大幅改进才能满足需求,SCR模拟不考虑化学反应,PM2.5,SCR流场系统的校核、优化改造喷氨系统运行方式调整与优化催化剂定期性能测试与寿命评估,SCR运行改造技术途径,NOx分布均匀性对催化剂寿命的影响,控制软件,入口NOx浓度分布在线检测,出口NOx浓度及逃逸NH3浓度分布联合在线检测,远程电控调节阀门,控制信号输出,DCS实时负荷、烟气量、煤耗量、温度,数据采集,4、精细化智能喷氨系统,01,流场特性准确分析,02,气氛浓度分布在线监测技术,03,喷氨调节阀分区远程电控调节技术,04,人工智能控制软件技术,SKLCC精细化智能喷氨系统的关键技术,CFD流场数值模拟优化,为准确模拟速度场的分布将标准的标准k模型改进为可实现的标准k,湍流模型的改进,通过现场实验测得SCR入口实际的速度场以及NOX浓度场作为边界条件,入口边界条件的改进,添加DPM模型模拟飞灰颗粒轨迹,飞灰的加入,根据需要可添加总包反应，但仅能定性分析不能定量计算,化学反应的引入,SCR反应器入口NOx浓度分布云图,喷氨格栅俯视图,1,2,3,4,5,6,喷氨格栅分区示意图,分区是以SCR反应器入口NOx浓度分布为依据，对照喷氨格栅的分区进行的,SCR流场准确分析与均流部件、喷氨格栅优化改造,催化剂区域分区示意图,1,2,3,4,5,6,采样点,依据喷氨格栅的6个分区，将对应的入口烟气分布、催化剂、出口烟气分布进行分区域划分。按照分区，布置出入口的NOx以及逃逸NH3的浓度分布在线检测的测点。,SCR流场特性与区域划分,NOx原位测量在线分析仪,系统示意图,检测探头直接插入烟道内，探头利用喷射泵取样原理，将高温导流杆插入烟道内，烟气经过导流杆进入检测腔到达喷射泵负压区，然后随着喷射泵的驱动气源返回烟道,检测器采用极限电流型半导体陶瓷传感器，利用氧泵原理检测烟气中O2含量和NOx浓度,气氛浓度分