肖承武，焦力刚，鲁志军，金 全，尹梓睿

(1.华能国际电力股份有限公司丹东电厂，辽宁 丹东 118300； 2.北京汇信盈节能环保技术有限公司，北京 100012)

随着经济发展、人口增长和城市化进程的加快，煤、石油和天然气等化石能源被大量消耗，同时伴随着汽车尾气的排放。尾气中的NOx参与形成光化学烟雾，形成PM2.5和PM10等细粒子，引发严重的环境问题。我国目前烟气脱硝基本采用选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)工艺，其流程如图1所示[1]。SCR技术原理是在催化剂作用下NH3和NOx发生反应，生成N2和H2O，达到脱硝的目的。该方法作为环境保护部氮氧化物防治技术政策中的推荐工艺，具有脱硝效率高、使用范围广、技术成熟可靠等优点[2]，可以应用于石油化工领域的催化裂化装置、加热炉、燃气动力炉和乙烯裂解炉的烟气处理；热电厂锅炉烟气处理；船用发动机和车用发动机尾气处理。还原剂NH3的来源有：液氨、氨水和尿素。目前在电厂中主要是应用液氨和氨水，由于尿素具有与液氨相同的脱硝性能，而且安全、绿色、无毒，便于运输、存储和使用，未来值得推广和应用[3]。

SCR工艺在运行中，锅炉燃烧量和风量变化、煤质变化、负荷变化及启停磨煤机等工况会导致燃烧波动变化、SCR反应器催化剂入口面烟气流场变化大、喷氨和烟气混合不充分，这些都会使入口NOx体积含量不均匀、变化大、变化快[4]，但是，脱硝反应系统是典型的大滞后系统，响应延迟时间约为2～3 min，喷氨调节阀动作后，出口NOx需要一段时间才会发生变化[5]。为了出口NOx持续稳定地满足环保要求，应用的主要技术有多点测量、分区喷氨控制等[6-7]。很多专家学者对SCR反应器的NOx不均匀分布、分区喷氨控制和先进控制进行了研究。李晗天等[8]假设催化剂性能和反应温度不变的情况下，研究了SCR反应器入口速度和还原剂氨对脱硝性能的影响。吴学智等[9]利用计算流体力学的方法，利用喷氨格栅(Ammonia Injection Grid，AIG)对喷氨量进行分组调节，省去了扰流圆柱等内构件。宋玉宝等[10]探讨了速度、温度及NH3/NOx摩尔比等烟气参数分布对脱硝性能的影响。以上研究可以看出，现阶段仿真研究主要侧重于速度和浓度场的影响，建立的模型可以指导反应器的内部结构设计，但是无法应用于系统仿真以及控制系统设计。王林和王朔[11-12]等基于运行数据库建立了NOx的预测模型，此种模型对当前装置可以实现较好的预测，但是适应性较差。因此，本文建立基于模型(Model Based)的SCR系统仿真模型，此数学模型的优点是：可以与控制模型联用，用于控制策略的设计。由于SCR工艺的脱硝性能与温度、催化剂活性、空速、氨氮比等因素有关[10]，催化剂活性与温度相关，空速、氨氮比与流量、喷氨量相关，因此通过建立的模型，分析喷氨量、流量和温度的影响，得到它们对脱硝反应的敏感性，对烟道和反应器的结构、混合器以及增加内构件的设计、保温层设计、催化剂布置和喷氨的控制策略开发等具有指导意义。

1 SCR工艺的模型

本文采用液氨作为脱硝还原剂，使用中先将液氨加热蒸发，然后喷射到烟道中。基于先进控制策略而设计的控制系统，喷射量由实时匹配精确控制，以保障在各种运行工况下都可达到最佳的脱硝效果。氨气在后续的SCR反应器中与NOx反应转化成无害的氮气与水[13-14]。一般烟气中95%NOx以上都是NO，主要的反应过程见式(1)和式(2)。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

(2)

根据式(1)、式(2)化学反应，按照化学计量比理论的喷氨量(受烟气的流量和组分影响)，氨的消耗量与NH3的摩尔比接近于1[15]。化学反应的程度与流量、空速、催化剂的担载量、布置形式和反应温度等相关。其中由于烟气流量和组分由锅炉决定，作为SCR工段的输入，不是系统的控制变量，若锅炉负荷低于额定负荷，则烟气中NOx的含量下降，脱硝效果会变好，因此仅分析在额定负荷下脱硝烟气流量的条件下，实际喷氨量偏离理想喷氨量时的脱硝效果。由于反应温度是脱硝过程的重要影响因素，因此本文对温度的影响也进行了分析。

SCR脱硝过程是涉及烟气、液氨的特性、热力学、反应动力学和热量传递的复杂过程，因此本文选用多学科领域复杂系统建模仿真软件(Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems，AMESim)，对此过程搭建模型进行仿真。AMESim软件是西门子公司一款高级建模和仿真平台，其原理是基于键合图理论的建模在单一平台上实现复杂的多学科领域系统仿真。该软件的优点是具备丰富的元件与第三方软件的接口，比如尾气处理库、热系统库等。由于AMESim模型可以完成动态仿真，计算系统的动态响应，且可以与Simulink联合仿真，因此仿真模型方便用于控制策略的开发。

SCR脱硝工艺的仿真模型主要包括尾气排放部分、喷氨部分、SCR反应部分，如图2所示。AMESim喷氨部分在软件中是尿素，由于尿素可以分解为氨，因此为了仿真喷液氨的流量，需要按照尿素分解氨的化学计量比进行等比例换算。此模型采用零维模型[16]组成一维模型，可以用来分析变工况和喷氨量对脱硝率影响的敏感性，也可验证系统匹配设计的合理性。

本文研究温度对脱硝的影响，主要研究温度变动的影响、保温层的影响反映SCR反应器在沿着烟道方向和垂直于烟道方向温度的分布。由于发生反应为SCR反应器填充催化剂的部分，其形状为长方体，如图3所示[17]。因此，计算沿烟道方向的温度分布时，可以简化为一维仿真，如图4所示。计算垂直于烟道方向的温度分布时，可以简化计算对称的1/4截面，包含2个外部对流传导和2个内部热传导边界，其中内部热传导为平壁传热、外部对流类型为平面外部对流。在AMESim中设置换热面积为150×850 mm2，参考文献[18]设置保温层密度为200 kg/m3、比热容为1030 J/(kg·K)和热导率为0.03 W/(m·K)，仿真中不考虑接触热阻，仿真流程如图5所示。

仿真的基础工况为文献[19]中某热电厂锅炉在锅炉最大连续蒸发量工况下烟气，其技术参数见表1和表2。在AMESim中设置烟气的组分，选择钒钛催化剂，参照文献[20]催化剂设置动力学参数，选用Janaf-Yaws方法进行仿真计算。

表1 烟气参数表

表2 催化剂参数表

2 结果分析

2.1 喷氨量的影响

按照催化剂的布置方式可以认为，12×6×11×7个元件并联，然后串联3层。为了简化计算，对3层催化剂，每层排布单个催化剂元件仿真，流程如图2所示。表1中NOx的体积分数为标态、氧体积分数为5%时的值，根据国标[21]换算，实际情况下NOx的干基体积分数为586.7 mg/Nm3，按照物料平衡计算出NOx的干基体积分数为876 mL/m3，液氨的理想流量为0.115 kg/h，设置初始温度为350 ℃，反应器内为空气。设置不同的液氨流量与理想喷氨流量比，即氨氮摩尔比，得到图6和图7的液氨流量与处理后尾气的NOx和NH3的体积分数关系。

计算结果显示，为了使净烟气中NOx的质量浓度达到超低排放标准，即50 mg/m3，折算为干基体积分数约为87.6 mL/m3，氨氮摩尔比推荐为1.04。此时可达到理想的脱硝效果，同时氨逃逸率也较低。图6中NOx随时间变化原因是：由于反应器设置的为空气，开始时NOx为零，由于烟气流动NOx出口快速从零达到最大值；在氨氮摩尔比较小时，由于开始时反应较慢，因此喷氨使NH3在较快时间内积累，使NH3出现一个最大值，导致NOx较快反应而下降，并达到稳态。图7中当氨氮摩尔比为1.09时，由于过量氨未反应，因此净烟气中含有大量NH3。

为了考虑催化剂担载量的影响，降低烟气中的NOx的体积分数，比如干基体积分数降低到220 mL/m3，此时计算出液氨的理想流量为0.03 kg/h，设置初始温度为350 ℃，反应器内为空气，得到的液氨流量与处理后尾气的NOx和NH3的浓度关系如图8和图9所示。

计算结果显示，烟气中的NOx的体积分数较小时，相当于催化剂的担载量较多，此时氨氮摩尔比为1.00时，即可达到理想的脱硝效果，同时氨逃逸率也较低。可以看出，喷氨量与入口烟气相关。

2.2 反应温度的影响

实际运行中，烟气温度的变化范围一般最大为70 ℃，因此设置2500 s时，烟气温度由320 ℃升高到390 ℃。按照保温层外表面的温度40 ℃，计算得到保温层厚度为160 mm，以此值在AMESim中设置保温层。设置喷氨量为0.432 kg/h(氨氮摩尔比为1.04)，计算出口烟气温度和NOx的体积分数变化，结果如图10所示。计算结果显示高温有利于脱硝效率的提升，而且此催化剂的担载量是合理的。

2.3 温度均匀性的影响

由于温度均匀性受保温层的影响，为了分析保温层影响的敏感性以及验证按照保温层外表面的温度为40 ℃计算保温层厚度方法的合理性，对反应器进行离散化计算。

沿烟气流动方向将每层催化剂分成2部分，即长度为850/2 mm，计算沿烟道方向最前端和最后端催化剂(即如图4流程图中的自左至右第1和第6个催化剂元件)的温度。计算结果如图11和图12所示，其中图11为不设置保温层，图12为设置保温层160 mm。图11表明保温层对反应器的影响很大，若无保温层反应器会降至150 ℃，由于计算中使用的是最外层的催化剂元件，作简化计算，SCR反应器总体降温过程缓慢，但是趋势与图11相同，温度也比150 ℃高得多，这是因为外侧散热导致反应器温度降低，反应器温度降低导致反应速率下降，生成热量减少，反应器温度下降散热减少，直至反应器达到热平衡。图12表明在布置保温层后，整个反应器催化剂的温度偏差偏大，这是由反应器前端反应速率高以及内部传热系数较小而导致的。

在垂直于烟气流动方向，考虑烟气流量分布均匀，设置保温层160 mm的情况下，计算向外界环境散热而导致SCR反应器的内部温度差。催化剂元件之间选用普通碳钢支撑，传热系数按照碳钢物性计算。根据计算2×2个催化剂元件和傅里叶传热定律推算出1/4面积的催化剂温度分布如图13所示。图13(a)表示每个单元的数值代表与SCR催化剂中心的温差，偏差最大为0.5 ℃，在垂直烟气流动方向，温度整体分布是均匀的。图13(b)中横纵坐标表示在X和Y方向上元件的序号，坐标值为35表示为第35个元件，即最外侧的催化剂层。斜线为温差的等高线，矢量箭头表示温度传递方向。通过图13(b)可以看出，热量传递的方向为指向SCR反应器的最外侧角。

3 结论

通过分析喷氨量和传热的影响，得知喷氨量和温度都是影响SCR脱硝效果的重要因素。保温层厚度可以按照控制外表面温度40 ℃的方法计算。设置保温层后，外部传热对SCR反应器的不均匀性影响较小。因此，SCR设计和控制的重点应在气体分布器的设计、喷氨流量分区控制和控制器设计。由于本文的仿真是基于模型的，因此可以用来设计控制策略和方法，比如模糊控制、自抗扰控制等。控制策略设计可以用Simulink实现，AMESim软件具有接口可以实现联合仿真，后期将对此进行深入研究。