刘丹丹 杨 磊 李德文 汤晓君 汤春瑞

(1.黑龙江科技大学电气与控制工程学院，150022 哈尔滨；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，400037 重庆；3.西安交通大学电气工程学院，710049 西安)

0 引 言

燃煤电厂排放的氮氧化物(NOx)包括多种化合物，是大气排放的主要污染物之一，会对空气环境及人的生命健康造成极大的危害。许多学者对脱硝技术进行了研究，目前主要采用低氮燃烧技术和烟气脱硝的方式对NOx排放进行控制。其中，选择性催化还原(SCR)技术[1-3]是应用最广泛的烟气脱硝技术，其装置结构简单，技术成熟，脱硝效率高。

在超低排放的要求下，对SCR技术提出了更为严峻的考验。在火电机组烟气脱硝改造中，SCR脱硝和非选择性催化还原(SNCR)脱硝均需消耗大量还原剂氨，但由于物理、化学等原因，喷入脱硝装置的氨总有小部分未反应而逃逸出来，形成逃逸氨[4]。王超等[5]分析了SCR，SNCR和SNCR-SCR技术之间的差异性及各自的优缺点，并给出了三种脱硝技术在不同燃煤机组规模和不同煤挥发分含量下的适用情况。胡海翔等[6]创建的自动脱硝精确控制系统可实时根据烟道中NOx的变化精准调节喷氨量，达到氨量的优化控制，但对于老炉改造的情况，只能通过网格法脱硝调试配合针对性检修来降低硫酸氢铵(ABS)堵塞的几率。胡小夫等[7]介绍了在脱硝催化剂内部和表面会发生的物理与化学等不同类型的堵塞，这些堵塞使得催化剂失活，不能对排放的烟气进行有效的脱硝处理。郭义杰[8]分析认为逃逸的氨易与烟气中的SO3反应生成硫酸铵(AS)和ABS，其中ABS是引起堵塞的主要物质。ABS的生成很大程度上降低了脱硝催化剂的效率，随着ABS的不断积累，造成部分脱硝网格完全堵塞，使催化剂失去作用。但ABS在脱硝网格内附着并逐渐堵塞网格的现象是无法预测的，因此，对网格进行是否堵塞的检测判断显得尤为重要。然而国内对网格堵塞情况的检测判断尚属空白，没有一种能够很好地表征网格内部流场是否稳定通畅的技术。静电感应原理已经广泛应用于颗粒物的检测领域，许传龙等[9-10]提出了一种基于静电传感器空间滤波效应的颗粒平均速度检测方法，将静电传感器测量系统应用于颗粒速度和颗粒荷电测量上。本研究根据颗粒物的自身荷电性，对尾气中的颗粒物浓度进行检测，得到网格内部流场的运动特性，并以此来判断网格的堵塞情况和堵塞类型。

1 脱硝网格堵塞机理分析

1.1 脱硝催化剂反应机理

燃煤电厂锅炉炉膛出口的烟气中含有大量的氮氧化物，是一类主要的大气污染物，会直接导致大气环境的恶化。因此，在超低排放的要求下，在烟尘到达烟囱排放口之前，对烟气进行有效的脱硝处理非常重要。应用较广泛的脱硝技术为选择性催化还原(SCR)技术，该技术运用还原性碳氢化合物、氨、尿素等还原剂[11-15]将NOx还原为水和氮气。其中NH3-SCR技术以氨为还原剂进行催化还原，其反应机理如图1所示。

图1 脱硝催化剂反应机理Fig.1 Reaction mechanism of denitrification catalyst

1.2 网格堵塞的原因分析

1.2.1 物理堵塞

为提高脱硝催化剂的效率，增加烟气的反应时间，烟气在流经SCR反应器时的流速较小，然而气流呈层流状态，燃烧产生的细小飞灰颗粒首先会聚集在SCR反应器的上游部位，聚集到一定体积时会掉落在催化剂表面，在网孔内部形成搭桥后造成网格堵塞；此外，烟气中也可能存在部分粒径较大的爆米花状飞灰，一旦其尺寸大于催化剂孔道的孔径，将直接漂浮至催化剂表面形成堵塞，使得烟气中分子无法接触到催化剂活性组分，脱硝反应不能正常进行，失去了安装脱硝反应器的意义。但是，这种由物理原因造成的催化剂堵塞是可逆的，目前大多采用周期性吹灰的方法将沉积在催化剂表面的飞灰及时去除。

1.2.2 化学堵塞

在燃煤电厂中，如果脱硝系统安装在脱硫系统前，烟气在到达脱硝系统时必然含有大量SO2，SO2及其被氧化生成的SO3会与烟气中的水、NH3及CaO等发生化学反应，生成硫酸铵、硫酸氢铵和硫酸钙等，在催化剂表面的小孔中沉积，堵塞催化剂表面，影响反应气体在催化剂内的扩散，造成催化剂有效比表面积的降低。其中当锅炉的喷氨量过大，造成氨逃逸率高时，在锅炉尾部烟气脱硝过程中逃逸的NH3与SO3反应生成硫酸氢氨(NH4HSO4)，NH4HSO4在146 ℃～207 ℃下为液态，液态NH4HSO4对飞灰的吸附能力极强，很容易与烟气含有的飞灰粒子相结合，聚集形成大颗粒物吸附在脱硝网格的表面，并逐渐造成其积灰、堵塞，严重影响脱硝催化剂的寿命。具体发生的化学反应[16-18]为：

NH3+SO3+H2O=NH4HSO4

(1)

2NH3+SO3+H2O=(NH4)2SO4

(2)

因此，根据两种堵塞类型的差异特性，可对堵塞类型进行判别，即在检测信号异常后对网格进行适时、合理的吹灰，以清除网格的物理堵塞，之后再对网格进行二次检测，即可判别堵塞类型。

2 基于静电感应的检测脱硝网格堵塞的方法

基于静电感应法测量颗粒物浓度的技术已较为成熟，并广泛应用于燃煤电厂颗粒物排放的检测工作中。因此，提出一种基于静电感应的检测脱硝网格堵塞的方法极具可行性。将感应电极安装在脱硝网格的尾部，根据检测到的内部气流的稳定性信息来表征网格的堵塞情况，具有简便、易安装、易操作的优势。

为检测出脱硝网格是否发生堵塞，根据以上分析，设计一种基于静电感应的脱硝网格堵塞测量杆，如图2所示。每个测量杆由多个测量单体组成，以方便不同距离的检测应用，每个单体由棒状感应电极和信号处理与传输单元组成，电极直径为3 mm，长度为50 mm[19]。将此测量杆置于脱硝网格的尾部，对排放烟气进行测量，根据不同单体所检测到感应电荷量的大小做出脱硝网格正常、部分堵塞、完全堵塞三种不同状态的检测判断。

图2 基于静电感应的脱硝网格堵塞测量杆Fig.2 Denitrification grid blockage measuring rod based on electrostatic induction

陈建阁等[19]建立了棒状感应电极的数学模型，如图3所示。图3中M为一带电量为q的粉尘颗粒，视为一个点，忽略其几何尺寸；圆柱代表棒状电极，长度为L，半径为R。根据高斯静电场理论可得，电极表面感应的电荷总量等于穿过闭合曲面的电通量乘以介电质数。若设点电荷以速度v沿电极径向经过电极附近(设x=vt)，可以得到电极上感应电量随时间变化的函数：

图3 棒状感应电极的数学模型Fig.3 Mathematical model of bar-shaped induction electrode

(3)

式中：A=((vt)2+z2)1/2，B=y2+(vt)2+z2+R2，α=arccos(R/(vt))。

3 利用Fluent软件的仿真测试

3.1 几何模型的建立

利用Fluent软件进行仿真测试，建立不同堵塞状态下脱硝网格的立体模型，如图4所示。由于脱硝催化剂单个网格的尺寸仅为1.3 mm～1.5 mm，且其是否发生堵塞与堵塞的严重情况都是随机的，因此，对每个网格的堵塞情况都进行检测工程量巨大，且意义不大。仿真时建立6×6的网格来模拟整个脱硝催化剂网格的物理尺寸，即将脱硝网格定义为6×6的区域来对堵塞情况进行检测。图4a和图4b分别为不同堵塞状态下脱硝网格的二维视角和三维视角图。其中最外围20个网格为未堵塞的区域，最中间4个网格为完全堵塞的区域，其余12个网格为部分堵塞的区域，并将其依次命名为一类网格、二类网格和三类网格。分别研究不同堵塞状态下脱硝网格内部的流场分布，对其进行网格划分，设定左侧进口为Inlet，其类型为Velocity-inlet，右侧出口为Outlet，其类型为Pressure-outlet，其他默认为管壁Wall。

图4 不同堵塞状态下脱硝网格的仿真模型Fig.4 Simulation model of denitrification grid under different blockage conditionsa—Two-dimensional perspective；b—Three-dimensional perspective

3.2 模型的仿真与分析

利用Fluent软件进行仿真测试，选择Double Precision Parallel，求解器选择Pressure-based，时间选择Steady，数值计算采用k-epsilon模型，材料设为NO、空气、NH3、N2、SO2的混合气体，气体的流入速度为5 m/s[20]，收敛精度为0.001，其他数值为默认数值。

计算迭代收敛后，在第二列网格处建立观测平面，查看混合气体在网格内部的速度分布，结果如图5所示。其中一类网格内气体流动平稳，可以表示网格正常状态下的流动情况；二类网格在发生堵塞区域背侧没有气体存在；三类网格由于是部分堵塞，其孔径被迫减小，使得气体流通不稳定，并对气体起到加速作用。因此，由图5可以看出三种不同状态下混合气体在网格内部的运动情况。

图5 网格内部混合气体的速度分布Fig.5 Velocity distribution of mixed gas in grida—Longitudinel section；b—Cross section

利用Fluent软件计算平面中一条竖线上的速度，可以获得气体流经各个网格时的具体速度，一类网格气体速度约为6.5 m/s，保持正常；二类网格气体速度为0 m/s；三类网格由于被部分堵塞，气体流通面积减小，造成气体速度显著上升，且速度分布具有一定的随机性。在气体不同运动状态下，由气体的速度计算颗粒物在经过棒状感应电极时的感应电荷量，并将其归一化(如图6所示)。

由图6可以看出，一类网格感应电荷量保持稳定，二类网格感应电荷量为0，三类网格感应电荷量幅值较高且分布不均。因此，对比三类网格的感应电荷量可以检测出网格是否发生堵塞。这对燃煤电厂脱硝工作具有一定的指导意义，在网格发生堵塞的前期，尽早地对其进行清理、更换等，以免降低催化剂的脱销效率。

图6 脱硝网格不同堵塞情况下感应电荷量Fig.6 Induction charge quantity of denitrification grid under different blockage conditions

3.3 堵塞类型的判别

检测到网格堵塞后，对堵塞类型的判断就简单方便了很多。根据脱硝网格堵塞的不同原因，将其分为物理堵塞和化学堵塞，并提出一种基于静电感应的判别脱硝网格堵塞类型的方法，其判别流程如图7所示。

图7 网格堵塞类型判别流程Fig.7 Discrimination flow of grid blocking type

物理堵塞是可逆的，只需要对堵塞网格进行吹灰操作，便可以有效地清除沉积在催化剂表面的飞灰。目前大多采用周期性吹灰的方法，但吹灰操作是被动的，不具有灵活性，不能在发生堵塞的第一时间对网格进行清理。因此，借助此方法对脱硝网格进行是否堵塞的判别，再对网格进行适时、合理的吹灰，以清除网格的物理堵塞，更有利于网格的使用和报废。若吹灰完毕后，感应电荷量依旧未能返回正常值，则表明已经发生了ABS堵塞，使得催化剂的活性和催化效率急剧降低，需要人工进行催化剂重生[21]或直接更换催化剂。

4 结 论

1) 根据脱硝网格未发生堵塞、完全堵塞、部分堵塞三种不同状态，分别定义一类网格、二类网格、三类网格，建立仿真模型，分析内部混合气体的运动情况，得到不同网格类型下其运动速度的差别。其中一类网格气体速度约为6.5 m/s，保持正常；二类网格气体速度为0 m/s；三类网格气体速度显著上升，且速度分布具有一定的随机性。

2) 提出一种基于静电感应的脱硝网格堵塞的检测方法，极大地提高了催化剂的脱硝效率。根据检测出的不同感应电荷量来判断脱硝网格堵塞与否的状态。其中一类网格感应电荷量保持稳定，二类网格没有感应电荷存在，三类网格感应电荷量幅值较高且分布不均。

3) 检测到网格发生堵塞后，对网格进行适时、合理的吹灰，以清除网格的物理堵塞，改变目前周期性被动吹灰的局限性。若吹灰完毕后，感应电荷量依旧未能返回正常值，则表明已经发生了ABS堵塞，使得催化剂的活性和催化效率急剧降低，需要人工进行催化剂重生或直接更换催化剂。