燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化模拟.pdf

第 51 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.51 No.8August 2023华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）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）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NOx质量浓度分布均匀性，文中以SCR出口NOx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NOx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NOx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NOx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NOx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；NOx浓度场；动力学模型中图分类号：X799.3文章编号：1000-565X（2023）08-0062-09氮氧化物（NOx）是大气主要污染物之一1，为推行更严格的环保标准，发展改革委、环保保护部、能源局印发了 煤电节能减排升级与改造行动计划（20142020），要求在基准氧含量 6%条件下，NOx排放质量浓度不超过50 mg/Nm3。选择性催化还原（SCR）脱硝是目前国内电厂主要应用的烟气脱硝技术2-3，超低排放要求下，通过增加喷氨量能够提高NOx的脱除效率，但会造成部分区域氨逃逸量超标，增加空气预热器堵塞及SCR催化剂中毒的风险4-5。调整喷氨格栅不同区域的喷氨量是提高烟道内氨氮浓度混合匹配度的重要措施，合理的氨氮混合当量比可以保证SCR脱硝反应完全，改善出口NOx浓度分布均匀性6，是国内外的研究热点。Cho等7对SCR喷氨格栅AIG进行了分区，模拟计算不同喷氨策略下氨氮混合均匀性；Liu等8通过分析AIG系统各喷氨支管对应分区的NOx通量权重，提出了分区喷氨智能调优策略；郅勇9提出了一种分区域喷氨的优化措施，通过保持总喷氨流量不变而控制不同区域的喷氨流量，进一步优化了NH3浓度的均匀性。大部分学者都能够采用分区喷氨的方式来优化氨氮混合均匀性，而通过精确调控喷氨格栅每个喷doi：10.12141/j.issn.1000-565X.220446收稿日期：20220713基金项目：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）Foundation items：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51876068），Guangdong Provincial Science and Technology Plan Project（2020A0505140001）and the Natural Science Foundation of Guangdong Province（2022A1515010741）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。E-mail：第 8 期卢志民 等：燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化模拟嘴的喷氨量，则可进一步提高烟道内的氨氮匹配度，卢志民等10提出了一种基于影响因子的喷氨优化方法，结果表明进行42个喷嘴优化时，能同时精确调整烟道深度和宽度的喷氨量，使得催化剂入口氨氮摩尔比相对偏差小于3%。上述研究均以催化剂上游截面氨氮比最均匀为优化目标，忽略了氨氮混合气在催化剂层发生催化反应的条件差异以及反应过程的变化规律，未能直接建立SCR出口分区NOx浓度与喷氨格栅入口分区喷氨量的数学关系，也未能实现SCR出口NOx浓度分布的均匀化，故喷氨优化调整策略的精确度和针对性还有待提高。孙虹等11基于氨氮比一致分配理论，利用CFD模拟多次试算获得最优喷氨策略，并进行了现场验证；计佳青等12提出了一种基于权重思想的非均匀喷氨优化策略，通过多次喷氨优化调整确定最优喷氨流量，结果表明，喷氨优化后首层催化剂截面的氨浓度分布变得均匀，且脱硝性能得到了提高。针对喷氨优化问题，不同研究者提出了各自的优化策略，但通过多次试算的方法进行调整仍具有一定的盲目性，模拟花费的时间长。针对上述存在的问题，本文提出一种以SCR脱硝反应器出口测量截面NOx质量浓度分布最均匀为优化目标进行分区/喷嘴喷氨优化模拟的方法。将现场试验的烟气数据作为入口边界条件，计算SCR脱硝反应器的流动和催化反应，对均匀喷氨策略下SCR系统的速度场、浓度场和温度场进行了分析；CFD模型实现该机组SCR流场的可视化，对不同喷氨分区/喷嘴的氨流动特性进行分析，定义喷氨格栅分区/喷嘴流动影响系数，并结合标准SCR反应动力学模型，直接给出出口截面分区NOx浓度与入口NH3浓度分布的数学关系；通过定量求解优化矩阵方程得到不同分区/喷嘴的喷氨流量，从而针对出口NOx质量浓度均匀性进行优化模拟。1计算模型与求解方法1.1几何建模本次研究对象为广东某660 MW燃煤机组配置的SCR脱硝系统，以A侧反应器为例进行说明。根据电厂提供的图纸，按照1 1的比例在Solidworks软件上建立了SCR反应器的三维几何模型，如图1所示，其中，该模型以省煤器出口至空气预热器入口为计算区域。利用ANSYS ICEM对SCR反应器模型进行网格划分，其中喷氨格栅和静态混合器区域因结构复杂而采用非结构化网格，并对喷嘴等关键位置进行网格加密；其余部分采用结构化网格。将3层蜂窝催化剂层视作多孔介质区域，阻力系数通过实际压降计算得到。此外，经网格无关性验证，认为数值模拟结果与网格数量无关，最终网格数量确定为509万。喷氨格栅共有42个喷嘴，经过在线分区优化控制的改造后将喷氨格栅划分为 5个区，分别由5个喷氨调阀控制，催化剂进出口的横截面划分为18（63=18）个区，具体情况参考文献 13。1.2模型选择与边界条件设置整个SCR脱硝系统模型的数值模拟包括湍流流动模型、组分输运和化学反应模型等，在Fluent中选择合适的数学模型及参数数值能够保证得到可靠的模拟结果。湍流模型选用标准k-模型。采用组分输运模型来模拟烟气中 NO、NH3、H2O、CO2、O2和N2 6种气体组分的混合和输运，不考虑飞灰的影响。选用标准SCR反应来代表整个反应过程，忽略氨气的吸附、解吸附过程和氧化反应过程。本次模拟的入口边界条件的烟气成分、速度和温度是根据现场试验 A侧反应器实测值进行设置（具体测量结果见文献 13），从而保证模拟结果能够更真实地反映实际SCR脱硝系统的流场、温度场和 NOx浓度场，喷氨优化策略更具有现实指导意义。模型中，烟气入口设置为速度入口边界条件，根据100%负荷下的实测烟气流量，计算得到对应入口流速为2.92 m/s；烟气出口设置为压力出口边界条件，出口压力为2 000 Pa；喷氨格栅喷氨喷嘴采用质量流量为入口边界条件，在喷氨优化前采用1324910856371 烟气入口；2 灰斗；3 导流板组；4 入口测量截面；5 喷氨格栅；6 静态混合器；7 整流格栅；8 催化剂层；9 出口测量截面；10 烟气出口xzy图1SCR脱硝系统几何模型Fig.1Geometric model of SCR denitration system63第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）均匀喷氨方式，即每个喷嘴的喷氨量设置为0.046 kg/s，其中氨组分的体积分数为2.35%。SCR脱硝系统中烟气各组分的体积分数见表1。1.3喷氨优化方案本文将以SCR出口测量截面NOx质量浓度分布最均匀为优化目标，对喷氨格栅每个分区/喷嘴喷氨量做出相应的优化调整，以提高烟道内氨氮浓度混合匹配度，优化方法流程见图 2。通过前期试验13获得烟气流场数据，建立CFD模型进行数值模拟，并与试验数据对比以验证模型的可靠性；根据氨流线特性分析结果，计算分区喷氨流动影响系数；基于SCR反应动力学模型建立催化剂出口NOx浓度与入口NH3浓度的数学关系；以出口NOx浓度均值为18个分区的优化目标值，利用数学关系式得到首层催化剂入口NH3浓度分布目标值；最后通过Matlab求解优化矩阵方程直接得到确定的最优化分区/喷嘴喷氨流量，即为最优喷氨调试方案。当负荷发生变化时，可基于现场实际的烟气流动和反应数据对CFD模型进行调整，重复上述计算步骤同样能够确定喷氨格栅不同分区/喷嘴与出口截面NOx质量浓度分布特性的对应关系，进行相对应的喷氨阀门调整，获得喷氨量最优调试方案，保证出口截面NOx质量浓度分布最均匀。1.4流动影响系数由于烟道内导流结构限制了支管所喷NH3在烟道内的混合扩散，再加上混合距离有限，每个分区/喷嘴喷氨影响催化剂入口18个分区的氨浓度分布在一定区域内10，因此，为了确定喷氨格栅不同分区/喷嘴与催化剂上游截面区域间的对应关系，给出如下的喷氨流动影响系数定义：ai=mim（1）式中，ai为不同喷氨分区/喷嘴的影响系数，mi为单个分区/喷嘴喷氨影响催化剂上游某个区域的氨浓度，m为单个分区/喷嘴喷氨总浓度。根据式（1）喷氨流动影响系数的定义，求得喷氨格栅5个分区对催化剂入口18个分区的影响系数，如表2所示。每个分区对催化剂入口18个分区的影响系数不同，以分区1为例，该分区喷氨主要影响入口C11-C13和C23区域，影响系数超过0.1，对其他区域影响较小。由于篇幅关系，42个喷嘴的喷氨流动影响系数省略，其求解方法与5个分区的优化方法一致。1.5SCR反应动力学模型为了实现出口测量截面NOx质量浓度分布最均匀的优化目标，需要进一步确定出口截面不同分区NOx浓度与催化剂上游截面18个分区的NH3浓度分布的对应关系。表1烟气各组分的体积分数Table1Volume fraction of each component in the flue gas%组分体积分数O23.2CO215.6H2O8.7NO0.019 12N272.48表25个分区的喷氨流动影响系数Table 2Influence coefficient of ammonia injection flow in five zones区域C11C12C13C21C22C23C31C32C33C41C42C43C51C52C53C61C62C63分区10.180.210.220.050.080.160.000.010.070.000.000.000.000.000.000.000.000.00分区20.060.020.010.170.160.100.070.120.140.000.020.110.000.000.020.000.000.00分区30.000.000.000.050.020.000.180.170.070.080.130.140.000.020.120.000.000.01分区40.000.000.000.000.000.230.060.020.010.170.150.060.100.150.140.010.020.09分区50.000.000.000.000.000.000.000.000.000.030.010.000.160.110.040.250.240.16现场试验获得烟气流场数据CFD建模和模拟流场分析氨流线特性分析以及流动影响系数求解模拟结果与试验数据在误差范围内？否是以均值为出口各分区的NOx目标值，确定首层催化剂入口NH3浓度分布优化结果是否符合要求？出口NOx浓度与入口NH3浓度的数学关系喷氨阀最优调试方案否是标准SCR反应动力学模型Maltab求解优化矩阵方程得到分区/喷嘴喷氨量 图2优化方法流程图Fig.2Flow chart of optimization method64第 8 期卢志民 等：燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化模拟采取的标准SCR化学反应全局动力学机理如下：4NO+4NH3+O24N2+6H2O采用如下方程所表示的 V2O5-WO3/TiO2整体蜂窝催化剂中涉及的动力学模型14-15：RNO=-dCNOdt=kNOCNOCNH3（2）式中，RNO为烟气中NO反应速率，CNH3、CNO分别为烟气中 NH3和 NO 的浓度，kNO为脱硝反应速率常数。在求解模型过程中，假设反应中NO和NH3的消耗速率相同，即符合式（3）；根据式（2）并代入初始数据，积分求解得到催化剂上游截面NH3浓度与出口NOx浓度对应的数学关系式（5）。其中，化学反应动力学参数采用文献 10 中得到的数据。CinNH3-CNH3=CinNO-CNO（3）kNO=kexp()-EaRT（4）ln CoutNO-ln(CinNH3-CinNO+CoutNO)+kNO(CinNH3-CinNO)t-1.2=0（5）式中：k为指前系数；Ea为表征反应速度的表观活化能；T为脱硝反应器温度；R为气体常数；t为反应停留时间；CoutNH3和CoutNO分别为出口测量截面18个分区NH3和NO的浓度；CinNH3和CinNO分别为对应催化剂上游截面18个分区NH3和NO的浓度。1.6优化矩阵方程及评价指标由1.4节中喷氨影响系数定义的矩阵方程为 a1，1X1+a2，1X2+a42，1X42a1，2X1+a2，2X2+a42，2X42 a1，5X1+a2，5X2+a42，5X42 a1，18X1+a2，18X2+a42，18X42=Y1Y2Y5Y18（6）本文进行了分区、喷嘴两种优化，因此式（6）中：若进行5个分区优化，则ai，j(i=1，2，5；j=1，2，18)表示为喷氨格栅第i个分区喷氨对催化剂上游18个区域中的第j个区域的影响系数；若按42个喷嘴进行优化，则ai，j(i=1，2，42；j=1，2，18)表示为喷氨格栅第i个喷嘴对催化剂上游18个区域中的第j个区域的影响系数；两种情况下，Yj都表示催化剂上游18个区域中第j个区域的氨浓度需求量；Xi表示待求的喷氨格栅处对应分区/喷嘴的喷氨量。由1.5节中得到的基于标准SCR反应动力学模型的催化剂上游截面NH3浓度与出口NOx浓度数学关系式（5），确定首层催化剂入口 NH3浓度分布，同时结合式（6），可以得到依据出口NOx浓度分布特性定量求解喷氨格栅对应喷氨量的优化方法。为评价优化效果的好坏，采用相对标准偏差Cv16作为衡量标准：Cv=1x 1n-1(xi-x)2（7）式中，x 为数据的平均值，xi为各测点的数据，n为截面的测点数。工程上通常要求脱硝催化剂上游截面速度分布相对偏差小于15%，氨氮比相对标准偏差小于5%，入口温度相对标准偏差小于10 K，出口截面NOx质量浓度相对标准偏差小于15%17-18。2数值模拟优化结果2.1模型验证在SCR系统脱硝性能试验过程中，入口测量截面与出口测量截面采取网格化取样，得到实际烟气的速度场、温度场以及浓度场的分布情况，将试验数据与模拟结果进行对比来验证CFD模型的准确性和合理性，实测值与模拟值主要参数的对比见表3。由表 3可知，通过 Fluent模拟得到的速度场、NOx浓度场和温度场的截面均值与实际试验结果的相对误差均小于5%，说明本文设置的模拟边界条件和烟道内部导流结构较符合实际情况；同时，催化剂上游氨氮比以及脱硝率模拟值与实测值的相对误差也均小于5%，说明SCR脱硝反应动力学模型能够较好地反映当前催化剂的活性特性，保证了模拟结果的准确性和合理性。2.2均匀喷氨结果与分析经Fluent模型合理性检验之后，对均匀喷氨方式下脱硝反应器的温度场、速度场和浓度场模拟结果进行分析，图3（a）和3（b）所示分别为催化剂上游截面的速度和温度分布云图。表3实测值与模拟值的对比Table 3Comparison of measured results and simulated results参数入口截面速度/（m s1）入口截面温度/K入口截面NOx质量浓度/（mg Nm）催化剂上游氨氮比脱硝率/%模拟值11.99644.19334.930.9187.55实测值1311.82644.35329.190.8885.54相对误差/%1.440.031.793.412.3565第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）通过导流板、静态混合器以及整流格栅等内部导流装置的整流作用，催化剂上游截面的流场分布均匀性好，在该截面处速度平均值为3.0 m/s，相对标准偏差为1.57%，达到了工程上要求速度分布相对标准偏差低于15%的标准；催化剂上游截面温度平均值为641.78 K，相对标准偏差为0.22%，截面最高温度和最低温度分别为644.35 K和638.64 K，入口温度分布相对标准偏差满足小于10 K的标准。在基于标准SCR反应动力学模型求解首层催化剂入口NH3浓度分布过程中，由于催化反应器内温度场和速度场相对标准偏差较小，故在求解过程中将18个分区的脱硝反应温度和反应时间看作是一致的，只考虑不同分区NH3浓度分布与出口NOx浓度之间的对应变化关系。图4为均匀喷氨策略下SCR系统的NOx质量浓度分布云图。锅炉省煤器出口的NOx质量浓度分布是不均匀的，模型烟气入口截面采用非均匀入口边界条件，从图4中可以看出，SCR反应器近锅炉侧的NOx质量浓度偏大，烟气进入催化剂层后与NH3发生脱硝反应，NOx质量浓度不断降低，但由于在均匀喷氨策略下各分区的喷氨量与NOx质量浓度当量比不相匹配，导致催化剂出口处的NOx质量浓度分布严重不均。催化剂出入口截面NOx质量浓度分布云图如图5所示，对比发现，催化剂上游截面左上区域NOx质量浓度偏高，而右下区域质量浓度偏低，整个截面NOx质量浓度相对标准偏差为5.16%。当采用均匀喷氨方式时，在催化反应器内氨氮浓度当量比不相匹配，反应器右侧区域喷氨过量，导致该区域内出口NOx质量浓度偏低，存在氨逃逸的风险；同时，左侧部分区域出口NOx质量浓度偏高，超过了50 mg/Nm的工程要求。出口测量截面的NOx质量浓度分布均匀性差，相对标准偏差高达40.14%，说明反应器内各分区不合理的氨氮混合当量比将导致出口NOx质量浓度分布严重不均匀。NOx质量浓度/(mgNm-3)NOx质量浓度/(mgNm-3)xOz365359353347341335329323317311305xOz95.087.580.072.565.057.550.042.535.027.520.012.55.0（a）入口截面（b）出口截面图5催化剂出入口截面NOx质量浓度分布云图Fig.5Cloud diagram of NOx mass concentration distribution in cross section of catalyst inlet and outlet速度/(ms-1)温度/K3.63.33.02.72.42.11.81.51.20.90.60.30.0 xOzxOz（a）速度分布云图（b）温度分布云图650648646644642640638636634632630图3催化剂上游截面的速度和温度分布云图Fig.3Velocity and temperature distribution diagram of the upstream section of catalystNOx质量浓度/(mgNm-3)360340320300280260240220200180160140120100806040200 xOy图4均匀喷氨策略下SCR系统z轴中截面NOx质量浓度分布云图Fig.4NOx mass concentration distribution cloud diagram in the z-axis section of SCR system under uniform ammonia spray strategy66第 8 期卢志民 等：燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化模拟2.3分区喷氨优化结果在基于均匀喷氨模拟结果的基础上，保持出口截面NOx质量浓度均值一定（低于50 mg/Nm工程标准），假设每个分区的出口NOx质量浓度目标值为截面平均值41.7 mg/Nm（0.000 445 8 mol/m），以实现出口NOx质量浓度相对标准偏差最小化；根据脱硝反应速率常数、反应停留时间、进口NOx质量浓度以及出口NOx目标值，单变量求解式（5）以确定入口18个分区的氨浓度分布目标值；然后根据喷氨格栅分区氨流动影响系数和催化剂上游18个分区氨浓度分布目标值，利用 Matlab计算喷氨优化矩阵方程（6），分别得出喷氨格栅每个分区的喷氨量；最后将优化后的分区喷氨量代入Fluent中进行模拟计算。根据优化方法的流程求解的喷氨格栅5个分区（分区 1-5）优化时的最佳喷氨量依次为 0.045 2、0.042 8、0.048 8、0.044 4、0.050 0 kg/s。出口截面分区规则为x轴方向等分为3个区域和z轴方向等分为6个区域，共18个分区，左下角区域序号为1-1，沿着x轴和z轴正方向序号依次增加。与出口测量截面NOx质量浓度分布云图6对应的18个不同分区出口NOx质量浓度统计数据如图7所示，图8为SCR系统z轴中截面NOx质量浓度分布云图。经过5个分区喷氨优化后，出口NOx质量浓度分布均匀性均有所提高。从NOx质量浓度截面分布特性云图图6（b）和图7中5个分区喷氨情况下出口18个分区NOx质量浓度统计数据可以看出，对比均匀喷氨时，出口测量截面右侧低NOx质量浓度区域3-3、4-3 和左上方高 NOx质量浓度区域 6-1、6-2、6-3面积都在减小，出口NOx质量浓度相对标准偏差由均匀喷氨策略下的40.1%下降到33.0%，优化效果提高了17.7%；但同时可以发现出口左侧区域分区 2-1、3-1和 4-1的 NOx质量浓度均高于 50 mg/Nm，且低NOx质量浓度区域面积减小程度不够明图7SCR系统出口18个分区NOx质量浓度统计图Fig.7Statistical chart of NOx mass concentration in 18 zones at the outlet of SCR systemNOx质量浓度/(mgNm-3)95.087.580.072.565.057.550.042.535.027.520.012.55.0 xOz（a）均匀喷氨（b）5个分区喷氨（c）42个喷嘴喷氨图6SCR系统出口测量截面NOx质量浓度分布云图Fig.6NOx mass concentration distribution cloud diagram of exit measurement section of SCR systemNOx质量浓度/(mgNm-3)360340320300280260240220200180160140120100806040200 xOy（a）均匀喷氨（b）5个分区喷氨（c）42个喷嘴喷氨图8SCR系统z轴中截面NOx质量浓度分布云图Fig.8NOx mass concentration distribution cloud diagram in the z-axis section of SCR system67第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）显。对比图8（a）和8（b）可知，经优化后催化反应器内氨氮浓度当量比匹配程度仍较低，出现明显的NOx浓度分层现象，说明分区喷氨方法的针对性和精确度不够，仍可进一步提高优化效果，故接下来采用42个喷嘴优化的方法。2.4各喷嘴喷氨优化结果各喷嘴优化喷氨量的计算方法与2.3节分区喷氨量计算方法一致，表4为喷氨格栅各喷嘴优化喷氨量，代入Fluent中得到的模拟优化结果如图6（c）、图8（c）所示。表5为不同优化方法的模拟结果。当经过42个喷嘴喷氨优化后，出口NOx质量浓度分布均匀性进一步提高，相对标准偏差降低至6.8%，与5个分区喷氨优化方法相比，优化效果进一步提高了79.4%，同时出口氨逃逸率相对标准偏差由均匀喷氨条件下的7.6%下降至2.5%，整体上出口氨逃逸率稳定在3 L/L，但消除了局部氨逃逸率过高的区域，从而避免了发生SCR出口局部氨逃逸率“超标”的现象。综合对比不同喷氨方法下出口测量截面NOx质量浓度分布云图（图6）和18个分区NOx质量浓度统计数据（图7），可以看出：经42个喷嘴喷氨优化后，出口18个分区NOx质量浓度趋向于截面平均值40 mg/Nm，不存在NOx质量浓度偏低、喷氨过量、氨逃逸“超标”排放的风险，也不存在超过排放标准 50 mg/Nm的区域。如图 8（c）所示，在催化反应器内没有出现NOx质量浓度分层现象，说明催化反应器内氨氮浓度当量比匹配度高，这既实现了NOx压线排放满足环保要求，又避免了出现脱硝效率过高和过低区域。笔者所在课题组之前的研究10是以实现催化剂入口氨氮比最均匀为目标，优化计算各喷嘴喷氨量，使SCR出口NOx质量浓度相对标准偏差降至13.7%，优化后SCR出口NOx质量浓度并未能达到最优分布的要求，仍会存在出口截面局部NOx质量浓度偏高的区域；而本文以出口NOx质量浓度分布最均匀为目标，提出基于标准SCR反应动力学模型的优化方法，直接建立SCR出口分区NOx浓度与喷氨格栅入口分区喷氨量的数学关系，可以将SCR出口NOx质量浓度相对标准偏差进一步降低至 6.8%。该方法直接优化 SCR 出口NOx质量浓度分布，更具有针对性，优化效果更明显。上述通过模拟得到的使SCR出口NOx质量浓度分布最均匀的优化喷氨方法，不仅可以进行喷氨格栅分区喷氨量控制，还能更精细化地应用到喷氨格栅中每个喷嘴的控制调阀，结合现场的调试经验，对模拟得到的优化喷氨量进行阀门开度的等比例转换，指导喷氨控制阀调整，可为现场喷氨优化工作提供理论参考。3结论（1）利用Fluent模拟将流场可视化，分析氨流动特性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NOx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，可定量计算喷氨格栅不同分区或不同喷嘴的喷氨流量。该优化方法能够降低喷氨调整的盲目性，为现场喷氨优化工作提供理论参考，同时能适应不同负荷工况条件，具有一定的适用性。（2）采用均匀喷氨方式时，不同分区氨氮浓度混合匹配度不高，导致出口NOx质量浓度分布相对标准偏差高达40.1%，采用本文提出的方法调整不同喷嘴喷氨量后，出口不同分区最终NOx质量浓度趋于均值40 mg/Nm，分布相对标准偏差降低至6.8%，均匀性提高了83.1%，既能实现NOx压线排放满足表442个喷嘴的优化喷氨量Table 4Optimization of ammonia injection for 42 nozzles kg/s 喷嘴编号AIG1-1AIG1-2AIG1-3AIG2-1AIG2-2AIG2-3AIG3-1AIG3-2AIG3-3AIG4-1AIG4-2AIG4-3AIG5-1AIG5-2喷氨量0.044 70.050 40.044 30.045 10.047 30.039 50.046 70.046 20.036 10.047 80.046 70.034 30.048 10.049 2AIG5-3AIG6-1AIG6-2AIG6-3AIG7-1AIG7-2AIG7-3AIG8-1AIG8-2AIG8-3AIG9-1AIG9-2AIG9-3AIG10-1喷嘴编号喷氨量0.035 30.048 20.050 60.036 60.048 10.051 80.038 00.049 20.052 90.039 20.051 40.050 60.042 20.053 4AIG10-2AIG10-3AIG11-1AIG11-2AIG11-3AIG12-1AIG12-2AIG12-3AIG13-1AIG13-2AIG13-3AIG14-1AIG14-2AIG14-3喷嘴编号喷氨量0.046 80.045 00.050 20.043 00.047 20.045 60.044 10.048 40.048 00.048 30.050 40.055 20.052 60.050 4表5不同优化方法的模拟结果Table 5Simulation results of each optimization method优化方法均匀喷氨5个分区喷氨42个喷嘴喷氨出口NOx质量浓度均值/（mg Nm3）41.741.439.9出口NOx质量浓度相对标准偏差/%40.133.06.8出口氨逃逸率/（L L1）3.203.183.17出口氨逃逸率相对标准偏差/%7.65.52.568第 8 期卢志民 等：燃煤电厂SCR脱硝系统喷氨优化模拟环保要求，又可避免出现脱硝效率过高和过低的区域。（3）绝大多数SCR系统喷氨优化模拟研究是以催化剂上游氨氮比最均匀为优化目标，而本文提出的基于标准SCR反应动力学模型的喷氨优化新方法是以出口测量截面NOx质量浓度分布最均匀为优化目标，该方法更符合现场优化调整的实际情况，优化效果更加明显。参考文献：1 冯前伟，张杨，王丰吉，等燃煤机组SCR脱硝超低排放改造前后性能对比分析J 中国电机工程学报，2020，40（20）：6644-6652.FENG Qianwei，ZHANG Yang，WANG Fengji，et alPerformance comparison and analysis before and after SCR ultra-low emission transformation of coal-fired units JProceedings of the CSEE，2020，40（20）：6644-6652.2 杨婷婷，白杨，吕游，等SCR脱硝系统多目标优化控制研究 J 中国电机工程学报，2021，41（14）：4905-4911.YANG Tingting，BAI Yang，L You，et alStudy on multi-objective optimal control of SCR 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