SCR烟气脱硝液氨系统关键设备的仿真

中国环境学会  2011年 03月30日


  孙克勤  沈凯  徐海涛 周长城
  (东南大学能源与环境学院,江苏 南京 21009)


  摘要:以选择性催化还原(SCR)法烟气脱硝系统为研究对象,通过对其液氨系统工艺特点的研究,建立了液氨系统关键设备的一系列仿真数学模型,并在此基础上搭建了液氨系统的优化控制方法,仿真实验表明该控制方法是可行的,可有效消除系统内设备在控制过程中的相互影响。可为液氨系统的运行优化提供参考。
  关键词:SCR系统;液氨系统;仿真;控制
   
  Simulation of Key Equipments of Liquid Ammonia System for SCR flue gas denitration
  SUN Ke-qin, SHEN Kai, XU Haitao, ZHOU Changcheng
  (School of Energy & Environment, Southeast University, Nanjing 210096, P. R. China)
  Abstract: The flue gas denitration system of Selective Catalytic Reduction (SCR) is used as the object. Through the study on the process and system mechanism, a series of corresponding simulation models of liquid ammonia system are established. Based on these models, the optimized control method for liquid ammonia system is constructed. And the simulation test shows that the control method can be used as reference for the operation education and the optimization of liquid ammonia system performance.
  Keywords: SCR system; liquid ammonia system; simulation; control
   
  1 引言


  NOx是主要大气污染物之一,其危害主要有:酸雨作用、诱发光化学烟雾等。火电厂是NOx最重要的污染源,2004年我国火电厂NOx的排放总量为665.7万吨[1],预计在未来30年内,我国将成为世界上最大的NOx排放国。为此,国家出台了一系列控制火电厂NOx排放的法律、法规和政策,促使我国必须加快火电机组烟气脱硝设施的建设。
  减少NOx排放的措施主要分为两大类:燃烧过程控制和燃烧后烟气脱硝技术[2]。燃烧过程控制主要是通过降低炉膛内部最高温度或减少煤粉在高温区域的停留时间,从而抑制或减少锅炉燃烧过程中NOx的产生量。烟气脱硝技术包括:选择性催化还原(SCR)技术和选择性非催化还原(SNCR)技术等,SCR技术是目前应用最广、最有效的烟气脱硝技术,它能达到90%以上的脱硝效率。据2002年统计,日本、欧盟和美国安装SCR装置的装机容量分别达23.1GW、55GW和100GW[2]。而我国在SCR技术开发与应用方面刚刚起步,2004年底投运的福建漳州后石电厂600MW机组烟气脱硝装置是我国内陆地区安装的第一台SCR装置[3];2006年初投运的国华太仓600MW机组烟气脱硝装置是我国第一台具有自主知识产权的SCR装置[4]。


  2  SCR系统工艺及反应机理


  SCR装置的工艺流程相对比较简单主要由供氨系统和SCR反应器系统两大部分组成。供氨系统的主要作用是将槽车运送来的液氨通过减压、扩容、蒸发等方法变为氨气,再通过氨空气混合后通过喷氨格栅喷入SCR反应器在催化剂的作用下,氨与烟气中的氮氧化物发生反应生成无毒无害的氮气和水。具体反应为[5, 6]:
  该反应为气-固两相催化反应,NO和NH3在催化剂存在下由下列步骤组成:
  ①NO、NH3、O2从气流主体扩散到催化剂的外表面;
  ②NO、NH3、O2进一步向催化剂的微孔内扩散进去;
  ③NO、NH3、O2在催化剂的表面上被吸附;
  ④被吸附的NO、NH3、O2转化成反应的生成物;
  ⑤H2O和N2从催化剂表面上脱附下来;
  ⑥脱附下来的H2O和N2从微孔内向外扩散到催化剂外表面;
  ⑦H2O和N2从催化剂外表面扩散到主流气体中被带走。
  反应①②主要是在催化剂表面进行的,催化剂的外表面积和微孔特性很大程度上决定了催化剂反应活性,研究表明,①②③④四个步骤速度较慢,为SCR脱硝反应的控制步骤。
  SCR烟气脱硝工艺流程图如图1所示。SCR脱硝工艺主要由脱硝反应系统、氨储存及供应系统、氨气/空气喷雾系统等组成。其中氨储存及供应系统主要用于为SCR系统提供反应所需的还原剂。其主要控制设备包括:液氨蒸发器和气氨缓冲罐。
      
  液氨蒸发器
  液氨蒸发器一般为螺旋管式。管内为液氨,管外为温水浴缓冲槽维持适当温度及压力。蒸发槽,以蒸汽直接喷入水中加热至40℃,再以温水将液氨汽化,并加热至常温。氨气流量受蒸发槽本身水浴温度控制调节。当水的温度高过55℃时,则切断蒸汽来源,并在控制室DCS上报警显示。蒸发罐上装有压力控制阀将气氨压力控制在0.2MPa。当出口压力达到0.38MPa时,切断液氨进料。在氨气出口管线上装有温度检测器。当温度低于10℃时,切断液氨进料,使氨气至缓冲槽维持适当温度及压力。蒸发槽也安装安全阀,可防止设备压力异常过高。
  电厂提供的蒸汽压力一般为0.8~1.3MPa,温度280~375℃,以此作为蒸发器热源。采用螺旋管式蒸发器,适用于氨量少的蒸发。液氨通过减压,温度迅速下降到-20℃,压力降至0.2~0.38MPa,此外有部分液氨汽化,进入蒸发器后升温至10℃以上并全部汽化。
  氨蒸发器水温通过控制过热蒸汽调节阀,使氨蒸发器内水温保持在40℃,正常流量蒸汽流量为152kg/h。


  气氨缓冲槽
  液氨经过液氨蒸发器蒸发为氨气后进入气氨缓冲槽,其作用是对氨气进行一个缓冲作用,保证氨气有一个稳定的压力。气氨缓冲槽的结构相对简单,主要有氨气的进出口、安全阀以及排污阀等。
  通过氨汽化器汽化的氨气被送入气氨缓冲槽,在汽化器的上游设置有压力控制阀,通过压力控制阀的流量控制,使氨的消耗量和稳压器内的压力均保持恒定。由于氨供给设备有可能设置在远离需求点的场所,所以稳压器的内压设定应充分考虑到途中压头的损失。通过控制氨蒸发器进口调节阀,控制液氨蒸发流量,使气氨储罐压力保证在0.2MPa,进口调节阀保持正常流量。


  3. 数学模型


  3.1氨蒸发器水温控制回路及水温传递函数
  采用单回路的反馈控制系统,将液氨蒸发器的水温作为被调量,通过控制液氨蒸发器进口蒸汽调节阀开度来控制水温。 (s)是 水温的传递函数,在换热器中,一般流量G与对出口温度To的传递函数可以用带有二阶纯滞后的环节 (s)= 来近似。
  其中,根据相关原理可以推导出静态增益K可以用如下计算公式求得。           
  其中,根据工艺要求,蒸汽流量 =152kg/h, =40℃, =320℃,K=520 W/( ·℃), = 0.7253g/mL, =3.7338kg/ ,F=12.63 。根据以上数据及公式,计算得到,K≈3。
  液氨蒸发器水浴的水温传递函数可以表示为: (s)= 。 (s)是控制器的传递函数,采用PI调节器作为控制器。
  
   3.2气氨缓冲罐控制回路及压力传递函数
  和液氨蒸发器类似,气氨缓冲罐也采用单回路的反馈控制系统。选取气氨罐压力作为被调量,通过控制液氨蒸发器进口液氨调节阀开度来控制气氨罐压力。也采用PI调节器作为控制器。
  气氨罐在整个系统中起着很重要的作用。因为整个SCR系统各部分是连通的,前一个系统的输出就是后一个系统的输入,例如,液氨蒸发器蒸发出的氨气是喷氨系统的一个输入量。而喷氨系统所需要的氨气量是依据烟气中的NOx含量决定的,而NOx含量又取决于锅炉的运行状况。所以,当锅炉的运行工况发生变化的时候,喷氨系统对氨气量的需求就会发生波动,这势必导致液氨蒸发器的输出突然增大,而由于水温的传递函数具有一定的滞后性,这就使得液氨蒸发器的运行滞后于喷氨系统的要求。
  为了解决两个相连的系统在输出量和输入量的矛盾,可以采用均匀控制系统,使二者被调量变化区域抑制,但是这就增加了调节器设计的工作量,也增加了控制的难度。鉴于SCR系统的氨供应系统体积并不算大,蒸发量也不算大,所以,在液氨蒸发器和喷氨系统之间安装一个气氨储罐就可以解决这一矛盾,同时增加的设备投资业不大。气氨储罐就相当于锅炉中间储仓式制粉系统中的煤粉仓,任何时刻都存储一部分煤粉,以便在锅炉负荷发生变动的时候及时调节出口开度,弥补磨煤机的滞后,使煤粉的供给跟得上负荷的变动。同理,气氨储罐中储存的氨气可以补偿液氨蒸发器对于喷氨系统对于氨气需求量的波动。同时,气氨储罐也起到了保持氨气进入喷氨系统的压力稳定的作用。
  但是,必须保持气氨储罐中的压力稳定,不能让氨气过快进入喷氨系统,这样会造成氨气在喷氨系统中混合不均匀。也不能让氨气在气氨储罐中停留太长时间,这样会使压力上升,影响液氨蒸发的沸点。所以,气氨储罐在调节过程中发挥着很重要的作用,气氨储罐的压力是一个很重要的监测量。
   对于气氨储罐压力P和进入液氨蒸发器的液氨的进料量d之间的传递函数,可以用如下方法进行推导[7,8]。
  假设:1)蒸发器内各处工质的压力和温度同步变化,随时相等
  2)蒸发区内工质处于饱和状态
  3)忽略金属的蓄热
  4)在蒸发区内压力变化不大的条件下,工质内能变化近似等于焓的变化
  质量平衡:△ —△ = ( + )      (1)
  能量平衡:△ +△ —△ = ( + ) (2)
  式中,△ 、△ 和△ 分别代表液氨的质量变化、气氨的质量变化和蒸发吸热量, 和 分别代表蒸发区内液氨和气氨的体积, 和 分别代表蒸发区内液氨和气氨的密度, 和 分别代表蒸发区内液氨和气氨的焓, 为来自液氨压缩机的液氨的焓。
  蒸发区内, + = =const。两边微分得:
  通过氨的物性参数可以确定:
   =0.7253g/mL,  =0.771g/L,  r=1.374MJ/kg, =380kJ/kg
   =1650kJ/kg, =330kJ/kg, ≈1100kJ/(kg·MPa)
   所以, =0.0015 MJ/kg, =1.375 MJ/kg,  k=6,Tp=3.2
   依据工艺设计要求,蒸发器的换热系数K=520W/( ·℃),传热端差平均值△t=40—10=30℃,换热面积A=12.63 ,则换热量Q=K△tA=520×30×12.63=197028W=197kW在计算中再做一些近似处理,可以得到:G(s)= 。同时,由于液氨的进料量和气氨储罐的压力之间有一定的滞后,故应该在乘以一个纯延迟环节 。取 =2s,则气氨储罐压力和液氨进料量的传递函数为G(s)= 。


  4. 液氨蒸发器水温和气氨储罐压力的优化控制方法


  系统中两个控制系统分别投入运行时,各个控制系统能正常运行,但是,如果两个控制系统同时运行时,控制阀的开度不仅对各自控制系统有影响,同时对另一个控制系统也有影响。
  如果分别对液氨蒸发器的水浴温度和气氨储罐的压力进行控制,必然漏失了一个重要的影响因素——通过调节蒸汽进口阀门的开度会影响水浴温度,但进而也改变了液氨的蒸发量,进而改变了气氨储罐的压力。同时,改变液氨进入蒸发器的阀门开度,可以改变液氨的进料量,改变气氨储罐的压力,但同时也改变了液氨和水的传热端差和换热量,进而改变水浴温度。所以还要考虑两个系统之间的相互影响(图3)。 液氨蒸发器的水浴温度和气氨储罐的压力控制就属于典型的耦合系统。
  系统某一通道输入对输出的第一增益是指在其余通道开路的情况下该通道的静态增益,某一通道输入对输出的第二增益是指其他控制回路均为闭环时该通道的增益。相对增益是某一通道输入对输出的第一增益与第二增益的比值,是第一增益占第二增益的分数率。
  系统的耦合程度可以用相对增益来表示,在相对增益矩阵中,如果 在0.3~0.7之间或者大于1.5时,说明系统存在严重的耦合,必须解耦控制系统设计方法去解除解耦。
  从相对增益矩阵可以看出,液氨蒸发器的水浴温度和气氨储罐的压力控制系统通道之间存在严重的耦合。这时,可采用前馈补偿解耦控制(图4),从而消除系统的相互关联。控制回路的框图如下:
  要实现对 和 、 和 之间的解耦控制,根据前馈补偿器的不变性原理可得:
     (s) (s) (s)+ (s) (s)=0
     (s) (s) (s)+ (s) (s)=0
  因此,前馈补偿解耦控制器的传递函数为:
     前馈补偿解耦控制器模型较简单,易于实现。另外,前馈补偿解耦还可以实现对扰动信号的解耦,前馈补偿解耦法是目前工业过程控制中应用最普遍的一种解耦方法。
   采用解耦控制后,以水浴温度40℃为给定值,气氨缓冲罐压力0.2Mpa为系统给定值对解耦控制方式下各参数控制回路进行仿真模拟 


  5. 结论


  1)在研究了SCR工艺的基础上建立了包含SCR烟气脱硝液氨系统各主体设备在内的仿真数学模型以及控制系统模型。
  2)搭建了液氨系统的优化控制方法,控制系统仿真表明该解耦控制方法是可行的。
  3)通过模型仿真计算验证了仿真数学模型及控制方法可以满足系统仿真对模型实时性和精度的要求。
   
  参考文献
  [1] 刘贵云. 新建火电项目氮氧化物控制要求. 中国环境在线,http://www.chinaeo1.net.
  [2] 赵华, 丁经纬, 毛继亮. 选择性催化还原法烟气脱氮技术现状, 中国电力, 2004, 37(12): 74-76.
  [3] 李勇, 后石电厂600MW机组烟气脱硝系统及工艺特点介绍, 山东电力技术, 2001, 120(4): 41-44.
  [4] 孙克勤, 华玉龙. OI2-SCR烟气脱硝核心技术的研究开发及其在2×600MW机组上的应用. 中国电力,2005, 38(11): 75-78.
  [5] H. Bosch, F. Janssen, Catal. Today 2 (1988) 369.
  [6] P. Forzatti, L. Lietti, Heter. Chem. Rev. 3(1) (1996) 33.
  [7] Luca Lietti, Isabella Nova, Enrico Tronconi, Pio Forzatti. Transient kinetic study of the SCR-DeNOx reaction, Catalysis Today. 45 (1998) 85-92.
  [8] A. Santos, A. Bahamonde, M. Schmid, P. Avila, F. Garcia-Ochoa. Mass transfer influences on the design of selective catalytic reduction (SCR) monolithic reactors, Chemical Engineering and Processing. 37 (1998): 117-124.
  

 
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