一种基于SCR出口NOx浓度的可视化喷氨优化方法及装置与流程

一种基于scr出口nox浓度的可视化喷氨优化方法及装置
技术领域
1.本发明涉及scr脱硝技术领域，尤其涉及一种基于scr出口nox浓度的 可视化喷氨优化方法及装置。


背景技术：

2.为降低燃煤电厂烟气nox的排放量，国内燃煤电厂主流的脱硝技术是采用 选择催化还原(selective catalytic reduction，scr)进行脱硝处理。目前大部分 研究对scr脱硝系统的关注点主要是集中在以首层催化剂入口氨氮摩尔比分布 最均匀为目标进行喷氨优化，但催化剂出口nox浓度不仅与催化剂入口氨氮摩 尔比相关，还与催化剂入口的温度、速度以及催化剂活性等因素有关，且现场 运行中催化剂层容易受物理上的磨损及化学上的毒害等，造成每个分区的催化 剂活性并不一致，所以仅仅通过实现入口氨氮摩尔比分布最均匀并不能达到出 口nox浓度分布最均匀的目的，优化后仍会存在出口nox浓度偏差大、局部氨 逃逸大等问题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于scr出口nox浓度的可视化喷氨优化方法及装置， 能够有效解决当前的scr脱硝方法所导致的出口nox浓度偏差大、局部氨逃逸 大的问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于scr出口nox浓度 的可视化喷氨优化方法，包括如下步骤：
5.对定负荷下scr系统的入口测量，获得现场烟气流场数据；
6.根据所述现场烟气流场数据，建立所述scr系统的cfd模型；
7.根据所述cfd模型，获取所述scr系统的喷氨影响因子；
8.建立所述scr系统对应的scr反应数学模型，并以出口nox浓度分布均 匀性最优为目标，结合所述scr反应数学模型，计算得到催化剂入口每个分区 的氨氮摩尔比分布；其中，所述scr反应数学模型用于输出出口nox浓度与入 口影响因素的数学关系；
9.根据所述每个分区的氨氮摩尔比分布，并耦合所述scr系统的喷氨影响因 子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程，获得最优喷氨量以优化所述scr系统。
10.进一步地，所述对定负荷下scr系统的入口测量，获得现场烟气流场数据， 具体为：采用测量设备对scr系统入口测量截面的烟气流场特性进行测量，获 得入口测量截面的速度场、浓度场和温度场，为cfd数值模拟提供入口参数。
11.进一步地，所述根据所述现场烟气流场数据，建立所述scr系统的cfd模 型，具体为：采用cfd流场分析对所述scr系统的cfd模型进行整体结构的 建模。
12.进一步地，在建立所述scr系统的cfd模型之后，还包括：对所述scr 系统的cfd模型进行验证和模拟流场可视化分析，具体为：
13.根据所述定负荷下scr系统的入口进行测量，获得现场烟气流场数据，合 理设置模拟入口边界条件；在fluent里进行数值计算，计算确定流场收敛后， 将计算结果和所述
现场烟气流场数据进行对比，验证所述scr系统的cfd模型 的可靠性；
14.采用组分输运模型模拟烟气和nh3的混合过程，结合所述现场烟气流场数据 对所述scr系统的cfd模型进行验证，分析氨气的迹线流动规律，反映所述 scr系统实际的烟气流动，可对不同工况下的模拟流场进行可视化分析。
15.进一步地，所述scr反应数学模型用于输出出口nox浓度与入口影响因素 的数学关系，具体为：c
no,out
＝f(α,t,v,c
no,in
)；
16.其中c
no,out
表示出口nox浓度、c
no,in
表示入口nox浓度、α表示入口氨 氮摩尔比、t表示入口温度、v表示入口烟气速度。
17.进一步地，所述影响因子借助所述cfd模型的fluent流场模拟定量分析入 口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度的影响，将催化剂入口截面划分为12个区域， 对应出口nox网格化取样数量；
18.所述影响因子定义如下：
19.α
i
：不同分区的影响因子，r
i
：单个分区喷氨影响某个区域的氨浓度，r
i
： 均匀喷氨时影响某个区域的氨浓度。
20.进一步地，所述scr系统包括：进出口烟道、喷氨格栅、导流板、静态混 合器、整流格栅和催化剂层；所述喷氨格栅共有21组，设有84个喷嘴。
21.进一步地，所述矩阵方程定义为：
[0022][0023]
对于所述21组喷氨格栅，a
i
到l
i
为每组喷氨格栅对催化剂入口12个区域的 影响因子，需求解21
×
12的矩阵方程；y
i
表示每个分区优化目标量；x
i
表示待求 的每个分区的喷氨量。
[0024]
进一步地，所述求解所述矩阵方程，获得最优喷氨量以优化所述scr系统， 具体为：
[0025]
采用matlab软件的梯度下降法求解所述矩阵方程，得到不同工况下分区的 最优喷氨量，以优化所述scr系统在不同工况下的分区喷氨量。
[0026]
进一步地，本发明还提供了一种基于scr出口nox浓度的可视化喷氨优化 装置，包括：现场数据获取模块、cfd模型建立模块、影响因子获取模块、计 算模块和优化模块；
[0027]
其中：所述现场数据获取模块用于对定负荷下scr系统的入口测量，获得 现场烟气流场数据；
[0028]
所述cfd模型建立模块用于根据所述现场烟气流场数据，建立所述scr系 统的cfd模型；
[0029]
所述影响因子获取模块用于根据所述cfd模型，获取所述scr系统的喷氨 影响因子；
[0030]
所述计算模块用于建立所述scr系统对应的scr反应数学模型，并以出口 nox浓度分布均匀性最优为目标，结合所述scr反应数学模型，计算得到催化 剂入口每个分区的氨氮摩尔比分布；其中，所述scr反应数学模型用于输出出 口nox浓度与入口影响因素的数学关系；
[0031]
所述优化模块用于根据所述每个分区的氨氮摩尔比分布，并耦合所述scr 系统的喷氨影响因子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程，获得最优喷氨量以优 化所述scr系统。
[0032]
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：本发明实施例以出口 nox浓度分布最均匀为优化目标，通过模拟得到使scr出口nox浓度分布最 均匀的优化喷氨分区的喷氨量，可有效解决当前的scr脱硝方法所导致的出口 nox浓度偏差大、局部氨逃逸大的问题。
附图说明
[0033]
图1是本发明提供的基于scr出口nox浓度分布的可视化优化喷氨方法的 一种实施例的流程示意图；
[0034]
图2是本发明实施例中的scr系统三维整体示意图；
[0035]
图3是本发明实施例中的某个分区喷氨的氨迹线流动云图；
[0036]
图4是本发明实施例中的cstr模型示意图；
[0037]
图5是本发明实施例中的喷氨格栅示意图；
[0038]
图6是本发明提供的基于scr出口nox浓度分布的可视化优化喷氨装置的 一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本保护的范围。
[0040]
实施例一
[0041]
请参照图1，为本发明提供的基于scr出口nox浓度分布的可视化优化喷 氨方法的一种实施例，包括步骤11至步骤15，各步骤具体如下：
[0042]
步骤11：对定负荷下scr系统的入口测量，获得现场烟气流场数据；
[0043]
步骤12：根据现场烟气流场数据，建立scr系统的cfd模型；
[0044]
步骤13：根据cfd模型，获取scr系统的喷氨影响因子；
[0045]
步骤14：建立scr系统对应的scr反应数学模型，并以出口nox浓度分 布均匀性最优为目标，结合scr反应数学模型，计算得到催化剂入口每个分区 的氨氮摩尔比分布；其中，scr反应数学模型用于输出出口nox浓度与入口影 响因素的数学关系；
[0046]
步骤15：根据每个分区的氨氮摩尔比分布，并耦合scr系统的喷氨影响因 子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程，获得最优喷氨量以优化scr系统。
[0047]
进一步地，所述对定负荷下scr系统的入口测量，获得现场烟气流场数据， 具体为：采用测量设备对scr系统入口测量截面的烟气流场特性进行测量，获 得入口测量截面
的速度场、浓度场和温度场，为cfd数值模拟提供入口参数。
[0048]
需要说明的是，所述scr系统入口平均速度为2.6m/s，计算得到每个喷嘴 的喷氨流量为0.0410kg/s，氨的体积分数为2.35％。
[0049]
进一步地，所述根据所述现场烟气流场数据，建立所述scr系统的cfd模 型，具体为：采用cfd流场分析对所述scr系统的cfd模型进行整体结构的 建模。
[0050]
需要说明的是，所述对所述scr系统的cfd模型进行整体结构的建模，具 体如图2所示，包括：scr脱硝系统入口1、灰斗2、导流板3、喷氨格栅4、 静态混合器5、导流板6、整流格栅7、催化剂层8、导流板9、scr系统出口 10。
[0051]
进一步地，在建立所述scr系统的cfd模型之后，还包括：对所述scr 系统的cfd模型进行验证和模拟流场可视化分析，具体为：
[0052]
根据所述定负荷下scr系统的入口进行测量，获得现场烟气流场数据，合 理设置模拟入口边界条件；在fluent里进行数值计算，计算确定流场收敛后， 将计算结果和所述现场烟气流场数据进行对比，验证所述scr系统的cfd模型 的可靠性；
[0053]
采用组分输运模型模拟烟气和nh3的混合过程，结合所述现场烟气流场数据 对所述scr系统的cfd模型进行验证，分析氨气的迹线流动规律，反映所述 scr系统实际的烟气流动，可对不同工况下的模拟流场进行可视化分析。
[0054]
需要说明的是，所述采用组分输运模型模拟烟气和nh3的混合过程，共涉及 no、nh3、h2o、co2、o2和n2六种组分的混合和输运；有限速率反应模型对所 述scr系统涉及的化学反应进行计算，真实地反映所述scr系统实际的烟气流 动；将3层催化剂层设置为多孔介质区域，阻力系数由实际的压降计算设置。
[0055]
对所述scr系统的cfd模型进行模拟流场可视化分析，可对不同喷氨格栅 流出的氨气进行流场可视化分析，如图3是某个分区喷氨的氨迹线流动云图， 可以看出氨气喷出后，经主流烟气的卷吸作用进行混合，由于混合距离有限， 每个分区的氨流动扩散范围有限。在进行现场喷氨阀调试时，当某个区域的nox 偏离均值较大，由氨流线图找到影响该区域的喷氨阀，可对应进行调整，提高 调试效率。
[0056]
进一步地，所述scr反应数学模型用于输出出口nox浓度与入口影响因素 的数学关系，具体为：c
no,out
＝f(α,t,v,c
no,in
)；
[0057]
其中c
no,out
表示出口nox浓度、c
no,in
表示入口nox浓度、α表示入口氨 氮摩尔比、t表示入口温度、v表示入口烟气速度。
[0058]
需要说明的是，如图4所示，所述scr反应数学模型是一种连续搅拌罐反 应(continuous stirred tank reactor，cstr)模型，通常也称为混合流动反应器模 型，是一种完全搅拌均匀的反应器；在反应器内，对反应物的温度和浓度不存 在空间依赖性，因此来自该反应器的出口流组合物具有与该反应器内的流体相 同的特性。一个cstr可以通过其物质平衡来描述，理想情况下，一个cstr 单元的输出条件可作为下一个单元的输入条件，n个首尾相连的cstr单元就可 以模拟一个scr分区中还原剂氨气和氮氧氧化物连续反应的情况。
[0059]
所述scr反应数学模型用于输出出口nox浓度与入口影响因素的数学关系 c
no,out
＝f(α,t,v,c
no,in
)是由表1的6组高度非线性耦合微分方程代表的scr 反应ctsr模型得到的。
[0060]
表1 6组高度非线性耦合微分方程
[0061][0062]
进一步地，所述影响因子借助所述cfd模型的fluent流场模拟定量分析入 口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度的影响，将催化剂入口截面划分为12个区域， 对应出口nox网格化取样数量；
[0063]
所述影响因子定义如下：
[0064]
α
i
：不同分区的影响因子，r
i
：单个分区喷氨影响某个区域的氨浓度，r
i
： 均匀喷氨时影响某个区域的氨浓度。
[0065]
需要说明的是，以100％负荷下一种基于scr出口nox浓度分布的可视化 喷氨优化方法进行说明，该方法同样适用于其他工况。100％负荷下催化剂入口 速度相对偏差在11.4％左右，说明所述scr系统的流场比较均匀，内部导流装 置设置合理，满足流场设计要求；入口氨氮摩尔比相对偏差为9.3％，大于5％， 导致出口nox浓度相对偏差较大，这说明采取均匀喷氨方式时存在氨氮混合均 匀性较差、出口nox浓度相对偏差大、局部氨逃逸超标等问题，因此需要对喷 氨格栅进行分区喷氨优化来提高出口nox浓度均匀性。
[0066]
借助fluent流场模拟定量分析入口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度的影响， 将首层催化剂入口截面划分为4
×
3＝12个区，命名为c11、c12
……
c42、c43， 对应出口nox网格化取样的12个区域。影响因子的定义为：计算单个 分区喷氨影响某个区域的氨浓度r
i
，均匀喷氨时影响某个区域的氨浓度r
i
。
[0067]
进一步地，所述scr系统包括：进出口烟道、喷氨格栅、导流板、静态混 合器、整流格栅和催化剂层；所述喷氨格栅共有21组，设有84个喷嘴。
[0068]
需要说明的是，将21组所述喷氨格栅如图6所示进行网格划分，喷氨格栅、 导流板和混合器处采用非结构化网格，并对喷嘴位置进行加密，其他规则区域 采用结构化网格。
[0069]
进一步地，所述矩阵方程定义为：
[0070]
[0071]
对于所述21组喷氨格栅，a
i
到l
i
为每组喷氨格栅对催化剂入口12个区域的 影响因子，需求解21
×
12的矩阵方程；y
i
表示每个分区优化目标量；x
i
表示待求 的每个分区的喷氨量。
[0072]
进一步地，所述求解所述矩阵方程，获得最优喷氨量以优化所述scr系统， 具体为：
[0073]
采用matlab软件的梯度下降法求解所述矩阵方程，得到不同工况下分区的 最优喷氨量，以优化所述scr系统在不同工况下的分区喷氨量。
[0074]
需要说明的是，以出口nox浓度分布均匀性最优为目标，计算入口氨氮摩 尔比分布，并耦合基于喷氨影响因子的矩阵方程在matlab软件求得模拟优化喷 氨量，将100％负荷工况下的优化喷氨量视为相对值进行转换，得到喷氨阀的开 度。阀门开度范围为0
‑
100，由表2可知，21个阀门最大开度为90.1，最小开度 为34.0。
[0075]
表2 21个喷氨阀的相对开度
[0076][0077]
由以上计算得到某工况下21个喷氨阀的开度后，可结合现场喷氨阀调试经 验和出口nox浓度网格化测量结果，对喷氨阀进行调整。当负荷变化时，采用 相同的方法求解对应工况下的模拟优化喷氨量，并得到相应的阀门开度，最终 取各阀门的平均开度，来实现所述scr系统的优化喷氨和提高出口nox浓度分 布均匀性。
[0078]
综上，本发明提供一种基于scr出口nox浓度分布影响因子的可视化优化 喷氨方法，通过建立scr反应模型，得到催化剂出口nox浓度与入口氨氮摩尔 比、温度、速度等数学关系，以出口nox浓度分布最均匀为目标，计算入口氨 氮摩尔比分布，耦合基于喷氨因子的矩阵方程计算得到每个喷氨分区的喷氨量， 能够有效解决当前的scr脱硝方法所导致的出口nox浓度偏差大、局部氨逃逸 大的问题。
[0079]
如图6，本发明实施例还提供的一种基于scr出口nox浓度分布的可视化 优化喷氨装置，包括：现场数据获取模块、cfd模型建立模块、影响因子获取 模块、计算模块和优化模块；
[0080]
其中：所述现场数据获取模块用于对定负荷下scr系统的入口测量，获得 现场烟气流场数据；
[0081]
所述cfd模型建立模块用于根据所述现场烟气流场数据，建立所述scr系 统的cfd模型；
[0082]
所述影响因子获取模块用于根据所述cfd模型，获取所述scr系统的喷氨 影响因子；
[0083]
所述计算模块用于建立所述scr系统对应的scr反应数学模型，并以出口nox浓度分布均匀性最优为目标，结合所述scr反应数学模型，计算得到催化 剂入口每个分区的氨氮摩尔比分布；其中，所述scr反应数学模型用于输出出 口nox浓度与入口影响因素的数学关系；
[0084]
所述优化模块用于根据所述每个分区的氨氮摩尔比分布，并耦合所述scr 系统的喷氨影响因子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程，获得最优喷氨量以优 化所述scr系统。
[0085]
本实施例提供的一种基于scr出口nox浓度的可视化优化喷氨装置，可执 行本发明方法实施例所提供的一种基于scr出口nox浓度的可视化优化喷氨方 法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效 果。
[0086]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进 一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用 于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明 的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。