基于AMESim的SCR脫硝系統(tǒng)仿真分析研究

肖承武，焦力剛，魯志軍，金 全，尹梓睿

(1.華能國(guó)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(shù)有限公司，北京 100012)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，煤、石油和天然氣等化石能源被大量消耗，同時(shí)伴隨著汽車尾氣的排放。尾氣中的NOx參與形成光化學(xué)煙霧，形成PM2.5和PM10等細(xì)粒子，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題。我國(guó)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(shù)原理是在催化劑作用下NH3和NOx發(fā)生反應(yīng)，生成N2和H2O，達(dá)到脫硝的目的。該方法作為環(huán)境保護(hù)部氮氧化物防治技術(shù)政策中的推薦工藝，具有脫硝效率高、使用范圍廣、技術(shù)成熟可靠等優(yōu)點(diǎn)[2]，可以應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域的催化裂化裝置、加熱爐、燃?xì)鈩?dòng)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(dòng)機(jī)和車用發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)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(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用，未來值得推廣和應(yīng)用[3]。

SCR工藝在運(yùn)行中，鍋爐燃燒量和風(fēng)量變化、煤質(zhì)變化、負(fù)荷變化及啟停磨煤機(jī)等工況會(huì)導(dǎo)致燃燒波動(dòng)變化、SCR反應(yīng)器催化劑入口面煙氣流場(chǎng)變化大、噴氨和煙氣混合不充分，這些都會(huì)使入口NOx體積含量不均勻、變化大、變化快[4]，但是，脫硝反應(yīng)系統(tǒng)是典型的大滯后系統(tǒng)，響應(yīng)延遲時(shí)間約為2～3 min，噴氨調(diào)節(jié)閥動(dòng)作后，出口NOx需要一段時(shí)間才會(huì)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(yīng)用的主要技術(shù)有多點(diǎn)測(cè)量、分區(qū)噴氨控制等[6-7]。很多專家學(xué)者對(duì)SCR反應(yīng)器的NOx不均勻分布、分區(qū)噴氨控制和先進(jìn)控制進(jìn)行了研究。李晗天等[8]假設(shè)催化劑性能和反應(yīng)溫度不變的情況下，研究了SCR反應(yīng)器入口速度和還原劑氨對(duì)脫硝性能的影響。吳學(xué)智等[9]利用計(jì)算流體力學(xué)的方法，利用噴氨格柵(Ammonia Injection Grid，AIG)對(duì)噴氨量進(jìn)行分組調(diào)節(jié)，省去了擾流圓柱等內(nèi)構(gòu)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(duì)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(cè)重于速度和濃度場(chǎng)的影響，建立的模型可以指導(dǎo)反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是無法應(yīng)用于系統(tǒng)仿真以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。王林和王朔[11-12]等基于運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)建立了NOx的預(yù)測(cè)模型，此種模型對(duì)當(dāng)前裝置可以實(shí)現(xiàn)較好的預(yù)測(cè)，但是適應(yīng)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(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)是：可以與控制模型聯(lián)用，用于控制策略的設(shè)計(jì)。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(guān)[10]，催化劑活性與溫度相關(guān)，空速、氨氮比與流量、噴氨量相關(guān)，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(duì)脫硝反應(yīng)的敏感性，對(duì)煙道和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、混合器以及增加內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、保溫層設(shè)計(jì)、催化劑布置和噴氨的控制策略開發(fā)等具有指導(dǎo)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(jìn)控制策略而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，噴射量由實(shí)時(shí)匹配精確控制，以保障在各種運(yùn)行工況下都可達(dá)到最佳的脫硝效果。氨氣在后續(xù)的SCR反應(yīng)器中與NOx反應(yīng)轉(zhuǎn)化成無害的氮?dú)馀c水[13-14]。一般煙氣中95%NOx以上都是NO，主要的反應(yīng)過程見式(1)和式(2)。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)化學(xué)反應(yīng)，按照化學(xué)計(jì)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]。化學(xué)反應(yīng)的程度與流量、空速、催化劑的擔(dān)載量、布置形式和反應(yīng)溫度等相關(guān)。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(fù)荷低于額定負(fù)荷，則煙氣中NOx的含量下降，脫硝效果會(huì)變好，因此僅分析在額定負(fù)荷下脫硝煙氣流量的條件下，實(shí)際噴氨量偏離理想噴氨量時(shí)的脫硝效果。由于反應(yīng)溫度是脫硝過程的重要影響因素，因此本文對(duì)溫度的影響也進(jìn)行了分析。

SCR脫硝過程是涉及煙氣、液氨的特性、熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱量傳遞的復(fù)雜過程，因此本文選用多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真軟件(Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems，AMESim)，對(duì)此過程搭建模型進(jìn)行仿真。AMESim軟件是西門子公司一款高級(jí)建模和仿真平臺(tái)，其原理是基于鍵合圖理論的建模在單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)仿真。該軟件的優(yōu)點(diǎn)是具備豐富的元件與第三方軟件的接口，比如尾氣處理庫(kù)、熱系統(tǒng)庫(kù)等。由于AMESim模型可以完成動(dòng)態(tài)仿真，計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，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(yīng)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(xué)計(jì)量比進(jìn)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(duì)脫硝率影響的敏感性，也可驗(yàn)證系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的合理性。

本文研究溫度對(duì)脫硝的影響，主要研究溫度變動(dòng)的影響、保溫層的影響反映SCR反應(yīng)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(yīng)為SCR反應(yīng)器填充催化劑的部分，其形狀為長(zhǎng)方體，如圖3所示[17]。因此，計(jì)算沿?zé)煹婪较虻臏囟确植紩r(shí)，可以簡(jiǎn)化為一維仿真，如圖4所示。計(jì)算垂直于煙道方向的溫度分布時(shí)，可以簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)稱的1/4截面，包含2個(gè)外部對(duì)流傳導(dǎo)和2個(gè)內(nèi)部熱傳導(dǎo)邊界，其中內(nèi)部熱傳導(dǎo)為平壁傳熱、外部對(duì)流類型為平面外部對(duì)流。在AMESim中設(shè)置換熱面積為150×850 mm2，參考文獻(xiàn)[18]設(shè)置保溫層密度為200 kg/m3、比熱容為1030 J/(kg·K)和熱導(dǎo)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(chǔ)工況為文獻(xiàn)[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(shù)參數(shù)見表1和表2。在AMESim中設(shè)置煙氣的組分，選擇釩鈦催化劑，參照文獻(xiàn)[20]催化劑設(shè)置動(dòng)力學(xué)參數(shù)，選用Janaf-Yaws方法進(jìn)行仿真計(jì)算。

表1 煙氣參數(shù)表

表2 催化劑參數(shù)表

2 結(jié)果分析

2.1 噴氨量的影響

按照催化劑的布置方式可以認(rèn)為，12×6×11×7個(gè)元件并聯(lián)，然后串聯(lián)3層。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)3層催化劑，每層排布單個(gè)催化劑元件仿真，流程如圖2所示。表1中NOx的體積分?jǐn)?shù)為標(biāo)態(tài)、氧體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)的值，根據(jù)國(guó)標(biāo)[21]換算，實(shí)際情況下NOx的干基體積分?jǐn)?shù)為586.7 mg/Nm3，按照物料平衡計(jì)算出NOx的干基體積分?jǐn)?shù)為876 mL/m3，液氨的理想流量為0.115 kg/h，設(shè)置初始溫度為350 ℃，反應(yīng)器內(nèi)為空氣。設(shè)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?jǐn)?shù)關(guān)系。

計(jì)算結(jié)果顯示，為了使凈煙氣中NOx的質(zhì)量濃度達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，即50 mg/m3，折算為干基體積分?jǐn)?shù)約為87.6 mL/m3，氨氮摩爾比推薦為1.04。此時(shí)可達(dá)到理想的脫硝效果，同時(shí)氨逃逸率也較低。圖6中NOx隨時(shí)間變化原因是：由于反應(yīng)器設(shè)置的為空氣，開始時(shí)NOx為零，由于煙氣流動(dòng)NOx出口快速?gòu)牧氵_(dá)到最大值；在氨氮摩爾比較小時(shí)，由于開始時(shí)反應(yīng)較慢，因此噴氨使NH3在較快時(shí)間內(nèi)積累，使NH3出現(xiàn)一個(gè)最大值，導(dǎo)致NOx較快反應(yīng)而下降，并達(dá)到穩(wěn)態(tài)。圖7中當(dāng)氨氮摩爾比為1.09時(shí)，由于過量氨未反應(yīng)，因此凈煙氣中含有大量NH3。

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

計(jì)算結(jié)果顯示，煙氣中的NOx的體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，相當(dāng)于催化劑的擔(dān)載量較多，此時(shí)氨氮摩爾比為1.00時(shí)，即可達(dá)到理想的脫硝效果，同時(shí)氨逃逸率也較低?？梢钥闯?，噴氨量與入口煙氣相關(guān)。

2.2 反應(yīng)溫度的影響

實(shí)際運(yùn)行中，煙氣溫度的變化范圍一般最大為70 ℃，因此設(shè)置2500 s時(shí)，煙氣溫度由320 ℃升高到390 ℃。按照保溫層外表面的溫度40 ℃，計(jì)算得到保溫層厚度為160 mm，以此值在AMESim中設(shè)置保溫層。設(shè)置噴氨量為0.432 kg/h(氨氮摩爾比為1.04)，計(jì)算出口煙氣溫度和NOx的體積分?jǐn)?shù)變化，結(jié)果如圖10所示。計(jì)算結(jié)果顯示高溫有利于脫硝效率的提升，而且此催化劑的擔(dān)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(yàn)證按照保溫層外表面的溫度為40 ℃計(jì)算保溫層厚度方法的合理性，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行離散化計(jì)算。

沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向?qū)⒚繉哟呋瘎┓殖?部分，即長(zhǎng)度為850/2 mm，計(jì)算沿?zé)煹婪较蜃钋岸撕妥詈蠖舜呋瘎?即如圖4流程圖中的自左至右第1和第6個(gè)催化劑元件)的溫度。計(jì)算結(jié)果如圖11和圖12所示，其中圖11為不設(shè)置保溫層，圖12為設(shè)置保溫層160 mm。圖11表明保溫層對(duì)反應(yīng)器的影響很大，若無保溫層反應(yīng)器會(huì)降至150 ℃，由于計(jì)算中使用的是最外層的催化劑元件，作簡(jiǎn)化計(jì)算，SCR反應(yīng)器總體降溫過程緩慢，但是趨勢(shì)與圖11相同，溫度也比150 ℃高得多，這是因?yàn)橥鈧?cè)散熱導(dǎo)致反應(yīng)器溫度降低，反應(yīng)器溫度降低導(dǎo)致反應(yīng)速率下降，生成熱量減少，反應(yīng)器溫度下降散熱減少，直至反應(yīng)器達(dá)到熱平衡。圖12表明在布置保溫層后，整個(gè)反應(yīng)器催化劑的溫度偏差偏大，這是由反應(yīng)器前端反應(yīng)速率高以及內(nèi)部傳熱系數(shù)較小而導(dǎo)致的。

在垂直于煙氣流動(dòng)方向，考慮煙氣流量分布均勻，設(shè)置保溫層160 mm的情況下，計(jì)算向外界環(huán)境散熱而導(dǎo)致SCR反應(yīng)器的內(nèi)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(jì)算。根據(jù)計(jì)算2×2個(gè)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(gè)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(dòng)方向，溫度整體分布是均勻的。圖13(b)中橫縱坐標(biāo)表示在X和Y方向上元件的序號(hào)，坐標(biāo)值為35表示為第35個(gè)元件，即最外側(cè)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?yàn)橹赶騍CR反應(yīng)器的最外側(cè)角。

3 結(jié)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(jì)算。設(shè)置保溫層后，外部傳熱對(duì)SCR反應(yīng)器的不均勻性影響較小。因此，SCR設(shè)計(jì)和控制的重點(diǎn)應(yīng)在氣體分布器的設(shè)計(jì)、噴氨流量分區(qū)控制和控制器設(shè)計(jì)。由于本文的仿真是基于模型的，因此可以用來設(shè)計(jì)控制策略和方法，比如模糊控制、自抗擾控制等。控制策略設(shè)計(jì)可以用Simulink實(shí)現(xiàn)，AMESim軟件具有接口可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，后期將對(duì)此進(jìn)行深入研究。