CN115346610A - 基于scr反应动力学模型的喷氨优化方法、装置及介质 - Google Patents

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CN115346610A CN202210892294.8A CN202210892294A CN115346610A CN 115346610 A CN115346610 A CN 115346610A CN 202210892294 A CN202210892294 A CN 202210892294A CN 115346610 A CN115346610 A CN 115346610A
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Abstract

本发明公开了一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法、装置及介质，其中方法包括：获取烟气数据；根据获得的烟气数据，对SCR脱硝***的CFD模型进行验证，对喷氨流体的轨迹和影响区域进行可视化分析，定义喷氨流动影响系数，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；求解SCR反应动力学模型，得到催化剂上游截面NH3浓度与SCR出口NOx浓度对应的数学关系式；耦合不同分区/喷嘴的喷氨流动影响系数的优化矩阵方程式，定量求解得到以SCR出口NOx浓度分布最均匀为目标的喷氨格栅对应的优化喷氨量。本发明可以定量求解依据出口NOx浓度分布特性的喷氨格栅对应优化喷氨量。本发明可广泛应用于烟气SCR脱硝技术领域。

Description

基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法、装置及介质
技术领域
本发明涉及烟气SCR脱硝技术领域，尤其涉及一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法、装置及介质。
背景技术
氮氧化物(NOx)是大气主要污染物之一，为推行更严格的环保标准，要求在基准氧含量6％条件下，NOx排放浓度不超过50mg/Nm3。选择性催化还原(Selective CatalyticReduction，SCR)脱硝是目前国内电厂主要应用的烟气脱硝技术，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，增加空预器堵塞及SCR催化剂中毒的风险。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，因此需要对SCR脱硝***进行分区喷氨精细化调整。
目前工程实际喷氨调节过程多数依靠人工经验进行，盲目性大且缺乏理论指导，而通过CFD数值模拟技术能够将烟气流体轨迹和其影响区域可视化，为现场喷氨格栅喷氨优化工作提供理论参考；在现有研究中，研究者们利用CFD数值模拟技术进行喷氨优化工作，提出的优化策略往往集中于解决首层催化剂上游的氨氮混合气浓度分布均匀性问题，依据催化剂上游截面氨氮比相对偏差最小化来进行等氨氮比的喷氨量调整，结果表明SCR出口NOx浓度并不能达到最优分布的要求，优化后仍会存在出口NOx浓度偏差大、局部氨逃逸大等问题；同时，大多数模拟优化研究工作中，需要通过多次试算才能得到最优喷氨策略下相应的喷氨格栅分区喷氨量，调整工作具有一定的盲目性，且模拟花费的时间长。现有技术中尚未有研究学者分析喷氨格栅不同分区的喷氨量对SCR出口NOx浓度分布的对应影响关系，所以无法依据出口NOx浓度分布特性给出明确的数学关系式来定量计算喷氨格栅不同分区所需喷氨量，导致现有调整策略的精确度和针对性较差，喷氨调整的盲目性大。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法、装置及介质。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，包括以下步骤：
获取烟气数据；
根据获得的烟气数据，对SCR脱硝***的CFD模型进行验证，对喷氨流体的轨迹和影响区域进行可视化分析，定义喷氨流动影响系数，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；
求解SCR反应动力学模型，得到催化剂上游截面NH3浓度与SCR出口NOx浓度对应的数学关系式；
耦合不同分区/喷嘴的喷氨流动影响系数的优化矩阵方程式，定量求解得到以SCR出口NOx浓度分布最均匀为目标的喷氨格栅对应的优化喷氨量。
进一步地，所述SCR***的整体结构包括进出口烟道、喷氨格栅、导流板、静态混合器、导整流格栅和催化剂层等结构。
进一步地，所述获取烟气数据，包括：
对SCR***入口测量截面的流场特性进行测量，获得烟气数据；其中，所述烟气数据包括入口测量截面的速度场、入口测量截面的浓度场和入口测量截面的温度场，以及CFD数值模拟的入口参数。
进一步地，所述SCR脱硝***的CFD模型的建立步骤包括：
采用标准k-ε模型作为湍流模型；
采用组分输运模型来模拟烟气中多种气体组分的混合和输运；其中，多种气体组分包括NO、NH3、H2O、CO2、O2和N2；
选用标准SCR反应来代表整个反应过程，结合所述烟气数据对CFD模型进行验证后，用于反映SCR***的烟气流动。
进一步地，所述定义喷氨流动影响系数，包括：
借助Fluent流场模拟定量分析入口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度的影响，给出不同喷氨格栅喷氨的氨流动示意图分析氨气迹线流动规律；
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：
Figure BDA0003768086060000021
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。
进一步地，所述求解SCR反应动力学模型，得到催化剂上游截面NH3浓度与SCR出口NOx浓度对应的数学关系式，包括：
通过求解SCR反应动力学模型，得到催化剂上游截面NH3浓度与出口NOx对应的数学关系式，以SCR出口NOx浓度分布均匀性相对偏差最小为目标，计算得到催化剂入口截面不同分区的氨浓度分布。
进一步地，所述优化矩阵方程式为：
Figure BDA0003768086060000031
式中，ai,j表示为喷氨格栅第i分区喷氨对催化剂上游区域中的某j区域的影响系数；Yi都表示催化剂上游区域中第i个区域氨浓度需求量；Xi表示待求的喷氨格栅处对应分区/喷嘴的喷氨量。
进一步地，所述定量求解得到以SCR出口NOx浓度分布最均匀为目标的喷氨格栅对应的优化喷氨量，包括：
以SCR出口NOx浓度分布最均匀为优化目标，利用得到的催化剂上游截面NH3浓度与出口NOx浓度数学关系式，确定首层催化剂入口NH3浓度分布；
结合得到的基于不同分区/喷嘴喷氨流动影响系数的优化矩阵方程式，建立喷氨格栅不同分区的喷氨量与出口NOx浓度分布特性的定量计算关联式，利用关联式计算得到优化喷氨量。
进一步地，所述利用关联式计算得到优化喷氨量，包括：
通过分析喷氨格栅不同分区的喷氨量对出口NOx浓度分布的对应影响关系，利用matlab运用梯度下降法求解所述优化矩阵方程式，得到以出口NOx浓度分布最均匀的喷氨格栅不同分区/喷嘴对应的优化喷氨量。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。
本发明的有益效果是：本发明以出口NOx浓度分布均匀性最优为目标，得到基于标准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，可以定量求解依据出口NOx浓度分布特性的喷氨格栅对应优化喷氨量。另外，SCR反应动力学模型简单，易建模得到喷氨格栅喷氨量与出口NOx浓度的定量计算数学关系式，提高计算效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种SCR脱硝***喷氨模拟优化方法的流程图；
图2是本发明实施例中SCR脱硝***三维整体示意图；
图3是本发明实施例中5个分区单独喷氨时氨流动轨迹示意图；
图4是本发明实施例中SCR***出口测量截面NOx浓度分布云图；
图5是本发明实施例中SCR***出口18个分区NOx浓度统计图；
图6是本发明实施例中一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法的步骤流程图。
图2中的附图标记：1、SCR脱硝***入口；2、导流板；3、入口测量截面；4、喷氨格栅；5、静态混合器；6、导整流格栅；7、催化剂层；8、出口测量截面；9、SCR***出口。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
现有的技术存有以下缺点：
(1)当锅炉负荷变化时，NOx浓度场发生变化，工程实际喷氨调节过程多数依靠人工经验进行，盲目性大且缺乏理论指导，调试工作花费时间长。
(2)目前SCR脱硝***喷氨调整模拟工作是依据催化剂上游截面氨氮比相对偏差最小化来进行等氨氮比的喷氨量优化，结果表明SCR出口NOx浓度并不能达到最优分布的要求，优化后仍会存在出口NOx浓度偏差大、局部氨逃逸大等问题。
(3)利用CFD数值模拟技术进行SCR喷氨优化研究工作，大多数学者往往需要多次试算才能确定最优喷氨策略下相应的喷氨格栅分区喷氨量，调整工作具有一定的盲目性，计算效率低且模拟花费的时间长。
(4)现有研究中未能分析喷氨格栅不同分区的喷氨量对SCR出口NOx浓度分布的对应影响关系，无法依据出口NOx浓度分布特性给出明确的数学关系式来定量计算喷氨格栅不同分区所需喷氨量，导致现有调整策略的精确度和针对性较差，喷氨调整的盲目性大。
(5)现有的一种技术方案，基于影响因子的喷氨优化方法是以首层催化剂入口氨氮比分布最均匀为目标进行喷氨优化，仅通过建立了不同分区喷氨量对首层催化剂入口氨氮比的影响因子来指导喷氨阀门的调整，并不是以SCR出口NOx浓度分布相对偏差最小为优化目标，所以SCR出口NOx浓度并不能达到最优分布的要求，优化后仍会存在出口NOx浓度偏差大、局部氨逃逸大等问题。
(6)现有的另一种技术方案，基于6组高度非线性耦合微分方程得到SCR反应数学模型，用于输出出口NOx浓度与入口影响因素的数学关系，该模型过于复杂，建模难度大，计算步骤较为繁琐，未能直接给出催化剂上游截面NH3浓度与SCR出口NOx浓度一步计算数学关系式，故难以直接建立喷氨格栅不同分区/喷嘴喷氨量与出口NOx浓度分布特性的定量计算关联式。
基于上述问题之一，参见图1和图6，本实施例提供一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，包括以下步骤：
S1、获取烟气数据。
作为可选的实施方式，通过现场性能试验获得烟气数据。所述的性能试验采用测量设备对SCR***入口测量截面的流场特性进行测量，获得入口测量截面的速度场、浓度场和温度场，给CFD数值模拟提供入口参数。
S2、根据获得的烟气数据，对SCR脱硝***的CFD模型进行验证，对喷氨流体的轨迹和影响区域进行可视化分析，定义喷氨流动影响系数，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。
作为可选的实施方式，参见图2，SCR脱硝***的整体结构模型的建立，包括进出口烟道、喷氨格栅4、导流板2、静态混合器5、导整流格栅6和催化剂层7等结构。
作为可选的实施方式，所述CFD模型建立过程主要包括如下步骤：湍流模型选用标准k-ε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。结合步骤S1中现场实测数据对CFD模型进行验证后，可以真实地反映SCR***实际的烟气流动。
作为可选的实施方式，所述的喷氨流动影响系数借助Fluent流场模拟定量分析入口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度的影响，给出不同喷氨格栅喷氨的氨流动示意图分析氨气迹线流动规律。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：
Figure BDA0003768086060000061
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。
S3、求解SCR反应动力学模型，得到催化剂上游截面NH3浓度与SCR出口NOx浓度对应的数学关系式。
具体地，根据标准SCR化学反应全局动力学机理给出的SCR反应动力学模型，通过求解该模型得到催化剂上游截面NH3浓度与出口NOx对应的数学关系式，以SCR出口NOx浓度分布均匀性相对偏差最小为目标，计算得到催化剂入口截面不同分区的氨浓度分布。
作为可选的实施方式，催化剂为V2O5-WO3/TiO2整体蜂窝催化剂。
进一步作为可选的实施方式，该V2O5-WO3/TiO2整体蜂窝催化剂中涉及的动力学模型如下：
Figure BDA0003768086060000071
依据模型积分求解得到的催化剂上游截面NH3浓度与出口NOx对应的数学关系式如下表示：
Figure BDA0003768086060000072
其中：CNH3、CNO分别为烟气中NH3和NO的浓度；kNO为脱硝反应速率常数。
Figure BDA0003768086060000073
和
Figure BDA0003768086060000074
分别为出口测量截面不同分区的NH3和NO的浓度；
Figure BDA0003768086060000075
和
Figure BDA0003768086060000076
分别为对应催化剂上游截面分区的NH3和NO的浓度。
S4、耦合不同分区/喷嘴的喷氨流动影响系数的优化矩阵方程式，定量求解得到以SCR出口NOx浓度分布最均匀为目标的喷氨格栅对应的优化喷氨量。
所述的优化矩阵方程式定义为：
Figure BDA0003768086060000077
式中：ai,j表示为喷氨格栅第i分区喷氨对催化剂上游区域中的某j区域的影响系数；Yi都表示催化剂上游区域中第i个区域氨浓度需求量；Xi表示待求的喷氨格栅处对应分区/喷嘴的喷氨量。
以SCR出口NOx浓度分布最均匀为优化目标，利用步骤S3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，确定首层催化剂入口NH3浓度分布，同时结合步骤S4得到的基于不同分区/喷嘴喷氨流动影响系数的优化矩阵方程式，可以建立喷氨格栅不同分区的喷氨量与出口NOx浓度分布特性的定量计算关联式，标准SCR反应动力学模型简单，建模难度小，可利用关联式直接计算得到优化喷氨量。
进一步地，通过分析喷氨格栅不同分区的喷氨量对出口NOx浓度分布的对应影响关系，利用matlab运用梯度下降法求解步骤S4所述的优化矩阵方程式，得到以出口NOx浓度分布最均匀的喷氨格栅不同分区/喷嘴对应的优化喷氨量。
该优化喷氨量可视为相对值进行等比例转换，结合现场喷氨阀调试经验，给喷氨蝶阀的刻度调整提供指导。
以下结合附图及具体实施例对上述方法进行详细解释说明。
一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，包括以下步骤：
S101、利用测量设备对100％负荷下SCR***入口测量截面12×3个网格点的烟气流场特性进行测量，获得入口测量截面的速度场、浓度场和温度场，给CFD数值模拟提供入口参数。SCR***入口平均速度为2.9m/s，计算得到每个喷嘴的喷氨流量为0.046kg/s，氨的体积分数为2.35％。
S102、如图2所示，以A侧反应器为例进行说明，对SCR***整体结构进行几何建模，并对喷氨格栅处进行针对性分区。然后进行网格划分，喷氨格栅、导流板和混合器处采用非结构化网格，并对喷嘴位置进行加密；其他规则区域采用结构化网格。
S103、整个SCR脱硝***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-ε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，真实地反映SCR***实际的烟气流动。将3层催化剂层设置为多孔介质区域，阻力系数由实际的压降计算设置。
S104、根据性能试验入口测量截面的NOx浓度和温度分布，反推模拟入口截面的NOx浓度和温度分布。在Fluent里进行数值计算，计算确定收敛后，将计算结果和试验数据进行对比，验证CFD模型的可靠性。
S105、对100％负荷下一种SCR脱硝***喷氨模拟优化方法进行说明，但该方法同样适用于其他工况。根据前期的模拟报告结果可知整个SCR***的流场比较均匀，内部导流装置设置合理，满足流场设计要求。当采取均匀喷氨方式进行脱硝反应模拟时，出口NOx浓度分布均匀性结果如图4(a)所示。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浓度偏低，存在氨逃逸的风险；同时，左侧部分区域出口NOx浓度偏高，超过了50mg/Nm3的工程要求。出口测量截面的NOx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浓度分布严重不均匀，因此需要对喷氨格栅进行分区喷氨优化来提高出口NOx浓度均匀性。其中，图4(a)为均匀喷氨方法下出口NOx浓度分布云图，图4(b)为5个分区优化方法下出口NOx浓度分布云图，图4(c)为42个喷嘴优化方法下出口NOx浓度分布云图。
S106、借助Fluent流场模拟定量分析入口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度分布的影响，以实际电厂为例将首层催化剂入口截面划分为6×3＝18个区，命名为C11、C12……C62、C63，对应出口NOx网格化取样的18个区。对喷氨格栅5个不同分区流出的氨气进行流场可视化分析，图3是喷氨格栅的氨迹线流动示意图，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个区的氨浓度分布在一定区域内，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：
Figure BDA0003768086060000091
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。
S107、根据上述公式(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个区的影响系数如表1所示。每个分区对催化剂入口18个区的影响系数不同，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个分区优化方法一致。
表1分区喷氨流动影响系数
Figure BDA0003768086060000092
S108、为了实现出口测量截面NOx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个分区的氨浓度分布的对应关系。采取的标准SCR化学反应全局动力学机理如反应方程(2)表示：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O (2)
采用如下方程(3)所表示的V2O5-WO3/TiO2整体蜂窝催化剂中涉及的动力学模型：
Figure BDA0003768086060000093
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(4)；根据公式(3)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对应的数学关系式(6)。
Figure BDA0003768086060000101
Figure BDA0003768086060000102
Figure BDA0003768086060000103
其中：CNH3、CNO分别为烟气中NH3和NO的浓度；kNO为脱硝反应速率常数。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代表气体常数；t为反应停留时间。
Figure BDA0003768086060000104
和
Figure BDA0003768086060000105
分别为出口测量截面18个分区的NH3和NO的浓度；
Figure BDA0003768086060000106
和
Figure BDA0003768086060000107
分别为对应催化剂上游截面18个分区的NH3和NO的浓度。
S109、根据喷氨影响系数定义的矩阵方程为：
Figure BDA0003768086060000108
本发明进行了分区、喷嘴两种优化，因此式7中：1)若5个分区进行优化，则ai,j(i＝1:5,j＝1:18)表示为喷氨格栅第i分区喷氨对催化剂上游18个区域中的某j区域的影响系数；2)若按42个喷嘴进行优化，则ai,j(i＝1:42,j＝1:18)表示为喷氨格栅第i喷嘴对催化剂上游18个区域中的某j区域的影响系数；两种情况下，Yi都表示催化剂上游18个区域中第i个区域氨浓度需求量；Xi表示待求的喷氨格栅处对应分区/喷嘴的喷氨量。
S110、以出口NOx浓度分布最均匀为优化目标，根据基于标准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，确定首层催化剂入口NH3浓度分布，同时结合基于不同分区/喷嘴喷氨流动影响系数的优化矩阵方程式，可以建立喷氨格栅不同分区的喷氨量与出口NOx浓度分布特性的定量计算关联式，此标准SCR反应动力学模型简单，易于建模得到喷氨量定量求解的数学关系式，能够提高喷氨调整的精确度和针对性，减少调整工作的盲目性，提高计算效率。
S111、通过分析喷氨格栅不同分区的喷氨量对出口NOx浓度分布的对应影响关系，基于均匀喷氨模拟结果的基础上，保持出口截面NOx浓度均值一定(低于50mg/Nm3工程标准)，假设每个分区的出口NOx浓度目标值为截面平均值41.7mg/Nm3(0.0004458mol/m3)，以实现出口NOx浓度相对偏差最小化。通过催化剂上游截面NH3浓度与出口NOx浓度数学关系式(6)反推计算得到首层催化剂入口NH3浓度分布，将不同分区入口NH3浓度分布需求量Yi代入优化矩阵方程式(7)，利用matlab运用梯度下降法求解得到以出口NOx浓度分布最均匀的喷氨格栅不同分区对应的优化喷氨量Xi。将不同分区的优化喷氨量代入Fluent里进行模拟计算，具体模拟结果如图4的SCR***出口测量截面NOx浓度分布云图和图5的SCR***出口18个分区NOx浓度统计图所示。
S112、当经过5分区喷氨优化后，出口NOx浓度分布均匀性均有所提高，右侧低NOx浓度区域和左上方高NOx浓度区域面积都在减少，相对标准偏差下降至33.0％，与均匀喷氨方式相比，出口NOx浓度分布均匀性的优化效果提高了17.7％。为了更进一步优化出口NOx浓度分布均匀性，需要更加精细化的喷氨优化调整方法，经42个喷嘴优化后，出口18个分区NOx浓度趋向于截面平均值40mg/Nm3，不存在NOx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50mg/Nm3的区域，既能实现NOx压线排放满足环保要求，又避免出现脱硝效率过高和过低的区域，达到了提高出口NOx浓度分布均匀性的目的。
S113、假设均匀喷氨条件下初始阀门开度为70，阀门开度范围为0-100。将100％负荷工况下42个喷嘴优化后的喷氨量与均匀喷氨情况下对比，得到优化后42个喷氨阀的开度调整相对值，如表2所示。相对于均匀喷氨策略下42个阀门的开度大小，阀门A4-3需要减小开度17.5，即该阀门为最小开度52.5，阀门A14-1需要增大开度为13.8，即该阀门为最大开度83.8，得到优化后42个喷氨阀的开度后，结合现场喷氨阀调试经验和出口NOx浓度网格化测量结果，对喷氨阀进行调整，从而达到SCR脱硝***优化喷氨和提高出口NOx浓度分布均匀性的目的。
表2 42个喷氨阀的开度调整相对值
Figure BDA0003768086060000111
Figure BDA0003768086060000121
S113、当锅炉负荷变化时，可以通过建立不同工况下的烟气流动和反应模型，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浓度分布特性的对应关系，能够显著帮助和提高不同工况喷氨控制调阀的调试效率，为实际喷氨优化调整试验和运行提供理论参考。
综上所述，本实施例方法相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：
(1)本发明采用基于试验实测值的模拟入口边界条件能更真实地反映SCR***整体烟气流动，能对烟气流动、氨氮混合和脱硝反应特性进行可视化分析，得到氨气迹线的流动规律，找到上游喷氨影响的下游SCR入口氨浓度分布的区域范围以及反应后SCR出口NOx浓度分布的区域范围，为实际喷氨优化调整试验和运行提供理论参考，减少调整工作的盲目性。
(2)本发明以出口NOx浓度分布均匀性最优为目标，得到基于标准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，确定首层催化剂入口NH3浓度分布，同时结合基于不同分区/喷嘴喷氨流动影响系数的优化矩阵方程式，建立喷氨格栅不同分区的喷氨量与出口NOx浓度分布特性的定量计算关联式，可以定量求解依据出口NOx浓度分布特性的喷氨格栅对应优化喷氨量，标准SCR反应动力学模型简单，易建模得到喷氨格栅喷氨量与出口NOx浓度的定量计算数学关系式，提高计算效率。
(3)本发明通过模拟得到的使SCR出口NOx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。
(4)本发明的优化方法能适用于不同工况，通过建立不同工况下的流动和反应模型，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浓度分布特性的对应关系，能够显著帮助和提高不同工况喷氨控制调阀的调试效率。
本实施例还提供一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图6所示方法。
本实施例的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图6所示的方法。
本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取烟气数据；
根据获得的烟气数据，对SCR脱硝***的CFD模型进行验证，对喷氨流体的轨迹和影响区域进行可视化分析，定义喷氨流动影响系数，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；
求解SCR反应动力学模型，得到催化剂上游截面NH3浓度与SCR出口NOx浓度对应的数学关系式；
耦合不同分区/喷嘴的喷氨流动影响系数的优化矩阵方程式，定量求解得到以SCR出口NOx浓度分布最均匀为目标的喷氨格栅对应的优化喷氨量。
2.根据权利要求1所述的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，其特征在于，所述获取烟气数据，包括：
对SCR***入口测量截面的流场特性进行测量，获得烟气数据；其中，所述烟气数据包括入口测量截面的速度场、入口测量截面的浓度场和入口测量截面的温度场，以及CFD数值模拟的入口参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，其特征在于，所述SCR脱硝***的CFD模型的建立步骤包括：
采用标准k-ε模型作为湍流模型；
采用组分输运模型来模拟烟气中多种气体组分的混合和输运；其中，多种气体组分包括NO、NH3、H2O、CO2、O2和N2；
选用标准SCR反应来代表整个反应过程，结合所述烟气数据对CFD模型进行验证后，用于反映SCR***的烟气流动。
4.根据权利要求1所述的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，其特征在于，所述定义喷氨流动影响系数，包括：
借助Fluent流场模拟定量分析入口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度的影响，给出不同喷氨格栅喷氨的氨流动示意图分析氨气迹线流动规律；
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：
Figure FDA0003768086050000011
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。
5.根据权利要求1所述的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，其特征在于，所述求解SCR反应动力学模型，得到催化剂上游截面NH3浓度与SCR出口NOx浓度对应的数学关系式，包括：
通过求解SCR反应动力学模型，得到催化剂上游截面NH3浓度与出口NOx对应的数学关系式，以SCR出口NOx浓度分布均匀性相对偏差最小为目标，计算得到催化剂入口截面不同分区的氨浓度分布。
6.根据权利要求1所述的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，其特征在于，所述优化矩阵方程式为：
Figure FDA0003768086050000021
式中，ai,j表示为喷氨格栅第i分区喷氨对催化剂上游区域中的某j区域的影响系数；Yi都表示催化剂上游区域中第i个区域氨浓度需求量；Xi表示待求的喷氨格栅处对应分区/喷嘴的喷氨量。
7.根据权利要求1所述的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，其特征在于，所述定量求解得到以SCR出口NOx浓度分布最均匀为目标的喷氨格栅对应的优化喷氨量，包括：
以SCR出口NOx浓度分布最均匀为优化目标，利用得到的催化剂上游截面NH3浓度与出口NOx浓度数学关系式，确定首层催化剂入口NH3浓度分布；
结合得到的基于不同分区/喷嘴喷氨流动影响系数的优化矩阵方程式，建立喷氨格栅不同分区的喷氨量与出口NOx浓度分布特性的定量计算关联式，利用关联式计算得到优化喷氨量。
8.根据权利要求7所述的一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化方法，其特征在于，所述利用关联式计算得到优化喷氨量，包括：
通过分析喷氨格栅不同分区的喷氨量对出口NOx浓度分布的对应影响关系，利用matlab运用梯度下降法求解所述优化矩阵方程式，得到以出口NOx浓度分布最均匀的喷氨格栅不同分区/喷嘴对应的优化喷氨量。
9.一种基于SCR反应动力学模型的喷氨优化装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-8任一项所述方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-8任一项所述方法。
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