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]：

                                                 (1)

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。

根据选用的催化剂类型不同，SCR反应器在锅炉尾部烟道的布置有三种方案：①高尘布置方式，即将反应器置于空气预热器之前（见图1a）。该方式应用最为广泛，其优点是进入反应器的烟气温度达到300～400℃，多数催化剂在这个温度范围内具有足够的活性，烟气不需要再热即可获得较好的脱硝效果。但催化剂处于高尘烟气中，催化剂的寿命会受到一些影响：飞灰中的K、Na、Ca、As等微量元素会使催化剂污染或中毒；飞灰磨损反应器并使蜂窝状催化剂堵塞；烟气温度过高会使催化剂烧结或失效。

 
图1a  高粉尘布置
 

②低粉尘布置方式，即将反应器置于高温电除尘器和空气预热器之间（见图1b）。其优点是催化剂不受飞灰的影响，缺点是除尘器在高温下运行的技术并不成熟。

 
图1b  低粉尘布置
 

③尾部布置方式，即将反应器置于除尘器和烟气脱硫系统之后（见图1c）。其优点是催化剂不受烟气中SO3等毒性气体的影响，但是，目前低温催化剂技术尚不成熟，一般需用换热器或者燃料燃烧的方法将烟气温度提高到高温催化剂所必须的反应温度。

 
图1c  尾部布置
 

商业装置中，在正常运行范围内，微量元素的污染程度可以接受，而且现在催化剂对于微量元素的抗污染能力也逐渐增强；采取垂直布置的反应器和吹灰措施也可以解决飞灰堵塞和催化剂腐蚀问题，因此大多数SCR反应器都采用第一种布置方式，这样就可以避免需要将烟气加热到催化剂的最佳反应温度而降低了整个系统的热效率。工艺流程图如图2所示。

 
图2 SCR系统工艺流程示意图
 

3. 数学模型
3.1 锅炉系统模型
    火电厂SCR烟气脱硝反应器在整个锅炉系统中的布置与锅炉本题是密不可分的，对于常见的高尘布置方式而言，为建立SCR反应器模型必需首先建立SCR反应器入口烟气参数模型，为反应过程模型提供基本的烟气参数。主要包括烟气流量模型、燃煤含氮量模型、入口烟气水分模型、入口烟气温度模型等[7]。

3.1.1 烟气流量模型
   采用在锅炉理论烟气量的基础上增加一个小幅随机波动函数来模拟实际工况的变动。

                                                  （2）

                                             （3）

式（2）中 为收到基含碳量， 为收到基含硫量，为三原子组分体积百分数，为一氧化碳体积百分数，为单位质量燃料产生的干烟气容积（Nm3/kg）；式（3）中 为实际流量与理论流量的比值，，为锅炉燃料消耗量（kg/h），为随时间在0~0.5之间变化的随机函数， 为烟气温度（℃）。

3.1.2 烟气含氮量模型
采用燃煤收到基含氮量为基数值，加上一个小幅随机波动函数作为实际过程中燃煤含氮量变化模型[7]。

                                                            （4）

式中 为燃煤收到基含氮量，根据给定值进行对话框输入； 为实际燃煤中含氮量； 为随时间在0~1之间变化的随机函数。

3.1.3 入口烟气含水量模型
SCR脱硝系统入口烟气含水量模型为[8]：

                                     （5）

入口烟气的总体积即可推算为：

                                                             （6）

最终可得到SCR反应器入口烟气含水量的相对值模型为：

                                                      （7）

式（5）中 为烟气中水蒸气所占体积（Nm3/kg）， 、 分别为收到基水分和氢含量，为过量空气系数，为理论空气量；式（7）中为烟气含水量（%）， 为在0~1之间变化的随机函数。

3.1.4 入口烟气温度模型
SCR反应器的入口烟气温度，采用给定值即设计值加小范围波动的随机函数的办法来进行模拟，从而提供反应器模型所需的边界条件。具体模型的数学形式如下：

                                                               （8）

式中 为SCR反应器入口烟气温度（℃）； 为入口温度的设计值（℃），根据具体的工程有所不同； 为小范围波动的随机函数。

3.2 SCR反应器模型[9,10,11,12]
烟气脱硝主要反应过程均在SCR反应器中进行，根据催化剂模块表面NH3在非稳态过程的质量平衡、气相中NH3和NO的质量平衡，可以获得SCR反应器模型的基本方程如下：

                                                       （9）

                                             （10）

                                                   （11）

式中 、 和 为吸收率； 和 为氨气和一氧化氮的气相浓度； 为空隙气速； 为反应器轴向坐标； 为催化剂 吸收容量。

   依据动力学计算方法结合经验参数可确定模型中各变量计算方法如下表1所示：

表1 主要变量计算表

主要变量
 计算模型
 

  其中 为常数
 

 
 

 
 

 
 

采用以上模型可获得反应器内反应动态特性，例如在V2O5-WO3/TiO2催化体系下，烟气温度为336℃，入口烟气量保持基本稳定的运行状态下，喷氨量变化出口NO响应曲线如图3所示。

 
 
（a） NH3浓度
 （b）NO浓度
 
图3 喷氨量变化出口NO响应曲线
 

4. 烟气脱硝仿真平台软件
烟气脱硝仿真平台软件是采用底层开发模式开发的用烟气脱硝领域的仿真支撑软件。应用对象是电力环保领域烟气脱硝系统的动态数据监控以及SCR系统实时连续仿真以及培训仿真应用。该平台是介于仿真系统与计算机操作系统之间的工具软件，它提供了专用的实时网络数据库、可视化的动态数据显示、在线数据修改、模型调试、图形化的建模环境并具备功能齐全的仿真功能，为SCR仿真系统的开发和运行提供了强有力的支持。软件平台主界面如图4所示。

 
图4 烟气脱硝仿真支撑平台软件主界面
 

烟气脱硝仿真平台软件是一个软件模块集合，由图形用户界面、仿真计算引擎、模块库、仿真实时数据库、热力学及化学反应计算库和外部通信接口等6大功能模块组成，如图5所示。它的作用是以方便的图形化建模的方式完成脱硝仿真系统的仿真模型部分的建模工作，并通过其提供的外部通信接口与用第三方软件开发出的DCS操作站、NCS操作站和就地操作站进行数据交换，从而构成完整的脱硝仿真系统的开发平台。

 
图5 烟气脱硝仿真支撑平台软件组成示意图
 

1）图形用户界面

图形用户界面是仿真支撑环境与仿真系统开发人员之间交互的接口，通过该界面提供的模块库窗口，开发人员能够方便的以搭积木的方式完成图形化自动建模过程；另外，图形用户界面还具有模型调试、仿真控制（模型快、慢速运行，自动工况记录，工况返回等）以及仿真模型管理等功能。

2）仿真计算引擎

由图5可以看出，仿真计算引擎是整个仿真支撑系统的总指挥部，图形用户界面、仿真实时数据库、模块库、热力学和化学反应计算库、外部通信接口都通过仿真计算引擎提供的软件接口实现交互。它负责翻译、判断和执行由用户通过图形用户界面发出的各种请求，包括新建工程、打开已经存在的工程、保存工程、添加模块、删除模块、连接模块、运行模型等。在实时运行环境下对多个实时任务、数据库、模块库、计算库以及计算机资源进行协调管理，建立数据共享内存区，控制各个模块乃至整个仿真机的运行状态，以及通过外部通信接口建立主机与下位机的通信等。

3）模块库

为了实现模块化建模，将整个脱硝系统中所涉及到的设备、控制单元以及电气单元抽象成设备模块、自动控制模块、电气系统模块、边界条件模块、仿真控制模块等几类模块，然后分别建立各模块的数学模型。

4）仿真实时数据库

仿真实时数据库为辅助建模系统提供了实时数据存储和交换的功能，并为辅助建模系统的实时数据显示提供支撑。它主要负责管理各个模块中的常数、系数和变量、模块组态的拓扑结构数据、可视化组态模块与数据库中的模块的对应信息、以及对仿真系统的各类控制指令和状态数据等。

5）热力学及化学反应计算库

热力学计算是根据设备的流量平衡、能量平衡、组分平衡以及工质的热力学性质，然后通过水及水蒸汽热力性质函数库、烟气焓温表，采用各种插值算法求出工质的焓值、温度、熵、比容等；化学反应计算用于化工设备如SCR反应器等的化学反应过程的计算。

6）外部通信接口

外部通信接口是仿真支撑环境和外部系统交互数据的通道，通过该接口可以获得或者改变辅助建模系统中的每个变量的值，整个辅助建模系统与外界进行数据交换的变量被整合为两种类型：布尔型值和模拟型值。该接口以组件形式提供，可以和外部系统进行方便的连接。

5. 结论
1）在研究了SCR工艺的基础上建立了包含SCR烟气脱硝系统各主体设备在内的仿真书写模型以及公用系统数学模型。

2）开发了用于SCR烟气脱硝系统的仿真支撑平台，可用于烟气脱硝系统的动态数据监控以及SCR系统实时连续仿真以及培训仿真应用。

3）通过模型仿真计算验证了仿真数学模型的实用性可以满足系统仿真对模型实时性和精度的要求。

 

参考文献
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[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] 胡满银, 乔欢, 徐勤云, 杜欣. 火电厂SCR系统运行仿真数学模型的研究, 华北电力大学学报, 2006, 33(3): 105-109.

[8] 冯俊凯, 沈幼庭, 杨瑞昌主编. 锅炉原理及计算, 第三版, 科学出版社, 2003, 7-32.

[9] Luca Lietti, Isabella Nova, Enrico Tronconi, Pio Forzatti. Transient kinetic study of the SCR-DeNOx reaction, Catalysis Today. 45 (1998) 85-92.

[10] R. Willi, B. Roduit, R.A. Koeppei, A. Wokaun and A. Baiker. Selective reduction of NO by NH3 over vanadia-based commercial catalyst: parametric sensitivity and kinetic modeling, Chemical Engineering Science. 1996, 51 (11): 2897-2902.

[11] Jon D. Snyder and Bala Subramaniam. Numerical simulation of a reverse-flow NOx-SCR reactor with side-stream ammonia addition, Chemical Engineering Science. 1998, 53 (4): 727-734.

[12] 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.