关键词：选择催化还原；度电脱硝成本；算法；优化运行
SCR脱硝反应器催化剂入口截面上烟气流速和氨气浓度分布的均匀性对烟气脱硝效率及氨气逃逸率具有重要影响，因此，对现役锅炉进行脱硝改造时需对脱硝反应器本身及相关连接管道进行优化设计，以使催化剂层入口截面上的速度分布标准偏差小于１５％，氨浓度分布标准偏差小于５％．为此，笔者利用ＦＬＵＥＮＴ数值模拟软件对一台３００ＭＷ燃煤锅炉SCR脱硝反应器的烟道及导流板的设计布置方案进行数值模拟，在此基础上确定最佳导流板设计方案。
1.概况
1.1研究对象
研究对象为某电厂300MW机组，该机组的锅炉特点：亚临界参数、自然循环、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢构架的∏型汽包炉。脱硝系统采用选择性催化还原技术（SCR），反应器和催化剂采用“2+1”层布置，即安装两层催化剂，预留一层布置的空间，每个SCR反应器设计3层催化剂，每层安装60个模块，耐磨层放置在催化剂前端，以减弱飞灰对催化剂的冲刷作用，层之间空间高度为3.0m。脱硝流程如图1所示。设计脱硝效率为80%，处理烟气量为1300000m3/h（干基，6%O2），入口NOx浓度为1000mg/m3，出口NOx浓度小于100mg/m3。脱除剂为液氨，催化剂采用以TiO2为载体，V2O5-WO3为活性成分的国产18孔蜂窝式催化剂，系统布置方式为高温高尘布置，烟气从烟气省煤器出来后经过整流栅后进入催化剂层，然后进入空预器、电除尘器、引风机和脱硫装置后，排入烟囱。系统由带催化剂的SCR反应器、喷氨装置、稀释风机、氨蒸发器、氨储备供应系统、烟道、阀门等组成。
1.2均流方案设计
现役锅炉机组进行烟气SCR脱硝改造时，因脱硝反应器及烟道布置受到了空间、成本等方面的限制，烟道的布置优化空间较小，目前，主要通过烟道弯头处设置导流板并优化导流板的结构来达到均流与均匀氨浓度分布的目的。
1.3网格模型
采用Gambit软件建立1∶1的SCＲ系统模型，以烟气入口流向为X轴，烟道宽度方向为Y轴，高度方向为Z轴。根据系统的实际情况，在建模和模拟中做如下简化:①将烟气视为不可压缩牛顿流体；②假设烟气入口速度均匀；③氨喷射以垂直面射流近似模拟；④稳流装置和催化剂层简化为均匀多孔结构；⑤多孔结构区域内流体压降采用多孔介质模型模拟。模型整体区域采用六面体网格划分，以提高迭代精度。在AIG内，由于结构复杂，流动混合剧烈，采用四面体网格并加密，以降低伪扩散，适应复杂流场的计算。具体网格如图2所示。
2.CFD模拟
通过使用FLUENT软件对上述导流板不同布置方案下烟道流场进行数值模拟，研究SCR脱硝系统烟道内导流板不同布置方式对烟气流场以及氨气浓度分布的影响．使用前处理软件GAMBIT，完成尾部烟气流动和催化剂分布区域的建模与网格划分，其中数值域被分成多块混合网格格式．
2.1数学模型
反应器计算模型的选取采用模拟湍流流动的标准ｋ－ε湍流双方程模型；烟气与氨混合选用多种物质的混合输运模型模拟；使用多孔介质模型模拟催化剂的蜂窝状结构．各方程的数学描述详见文献．
2.2边界条件
该模拟主要研究300ＭＷ燃煤锅炉机组在ＢＭＣＲ工况下的流动与氨浓度分布．ＢＭＣＲ工况下锅炉的烟气流量为1344203ｍ3·ｈ－１，烟道入口烟气流速为21ｍ·ｓ－１，喷氨速度为21ｍ·ｓ－１；设置烟道出口为压力出口边界条件，固体壁面和导流板设为ＷＡＬＬ；烟气成分和计算边界条件如表1,2所示．
3.混沌粒子群成本优化模型
基于数据驱动的运行优化是在不改变系统结构的前提下，以DCS采集的历史运行数据为基础，利用数学方法寻求对应于经济性最佳的运行方案，指导电厂实际运行，从而达到提高电厂经济性的目的。
3.1粒子群算法原理
粒子群算法（particleswarmoptimization，PSO）是KENNEDY和EBERHART于1995年在IEEE国际神经网络学术会议上提出的一种新型的智能优化算法。它利用“群体”和“进化”的观点，通过每个个体间的协作和竞争，来从复杂空间中获得最优解。优化原理如下。假设有N个粒子组成一个存在于n维的目标搜索空间中，如式(1)。
一般选为最大迭代次数或者粒子群迄今为止搜索到的最优位置满足预定最小值适应阈值作为粒子群算法的迭代终止条件。
3.2混沌粒子群算法
基本的粒子群算法因其突出的优点被广泛应用，但是由于其初始化子群和进化过程都是随机的，使得局部最优解和全局最优解的更新存在一定的盲目性，容易陷入局部最优解。有学者提出一种基于混沌优化思想的混沌粒子群优化算法。算法基本思想是首先将混沌引入优化变量使其呈现混沌状态，从而得到一组与优化变量相同数目的混沌变量，然后直接利用混沌变量进行优化搜索。本文利用的混沌系统是Logistic方程，如式(3)。
混沌粒子群算法不仅能够保存基本粒子群算法的特性优点，而且在此基础上能够帮助惰性粒子脱离局部极小点，改善寻优中容易产生局部最优的问题，使得算法可以快速搜索寻找最优解。
3.3脱硝成本优化结果分析
利用混沌粒子群算法对建立的度电脱硝成本优化模型进行优化计算。以中负低氮组为例分析，图3为算法优化迭代图。由图可见，模型是收敛的，粒子群随着迭代次数增加逐渐趋于稳定，喷氨量由初始值为0.1716t/h，之后不断下降，最终在第36代时稳定在0.1578t/h。
图3喷氨量优化迭代
为了更直观地观察到脱硝系统经过优化后的成本变化，根据度电脱硝成本优化模型计算出中负低氮组实际数据的各项变动成本，并与优化后的各项变动成本进行对比，结果如图5所示。由图5可见，各项变动成本优化前后均有变化，其中脱硝电耗成本减少了0.2509×10–3元/(kW·h)，喷氨成本减少了0.3235×10–3元/(kW·h)，而氮排放污染成本增加了0.0356×10–3元/(kW·h)。由于度电固定脱硝成本不会改变，经过优化后总体上度电脱硝成本减少了0.5388×10–3元/(kW·h)。
4.试验结果与分析
4.1优化前、后压降对比
图4为优化前后系统的压降。可见，因催化剂层流速不均，原始系统压降集中在反应器区域，反应器入口至出口压降高达500Pa，烟道压降主要发生在速度变化较大的大小头和弯头位置，反应器前烟道压降达300Pa左右。经导流优化，前烟道部分流场得到改善，压降减小到200Pa左右，催化剂层压降减小到100Pa左右，系统整体压降从1155.8Pa降低到549.2Pa，这是因为导流装置作用下烟气的回流、速度不均等造成压降减少，优化后的系统压降满足小于900Pa的运行要求，减少了引风机的能耗。
图4优化前、后系统压降
4.2变负荷运行
调峰机组在变负荷运行中的烟气量变化对SCＲ系统的运行情况有很大影响。图4为优化后系统在不同负荷下系统的压降情况。可以看出，不同负荷下系统压降变化趋势相同，反应器前烟道的压降占整体压降的比重较大，且随着负荷的降低，系统压降逐渐较小，在50%负荷运行时整体压降低至126.6Pa。优化方案在不同负荷运行时速度偏差系数变化不大，均小于15%。综合考虑压降及速度均匀性，该优化后方案适用于变负荷运行工况。
结论
导流板布置对均匀流场及脱硝反应器催化剂层氨浓度分布具有明显的作用，在烟道各弯头处合理地添加导流板，可大大提高烟道流场分布均匀性，从而有利于脱硝反应器脱硝效率的提高．喷氨格栅前、后的导流板布置分别对第１层催化剂入口的氨浓度分布和速度流场分布的均匀性具有重要影响，其中喷氨格栅前的导流板布置对第１层催化剂层氨浓度场分布影响较大，而喷氨格栅后的导流板布置对第１层催化剂层速度流场分布影响较大．
参考文献
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论文作者:庞宇恒
论文发表刊物:《科技新时代》2017年12期
论文发表时间:2018/1/29
标签：成本论文; 催化剂论文; 烟气论文; 反应器论文; 系统论文; 粒子论文; 算法论文; 《科技新时代》2017年12期论文;