劉丹丹 楊 磊 李德文 湯曉君 湯春瑞

(1.黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，150022 哈爾濱；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，400037 重慶；3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，710049 西安)

0 引 言

燃煤電廠排放的氮氧化物(NOx)包括多種化合物，是大氣排放的主要污染物之一，會(huì)對(duì)空氣環(huán)境及人的生命健康造成極大的危害。許多學(xué)者對(duì)脫硝技術(shù)進(jìn)行了研究，目前主要采用低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝的方式對(duì)NOx排放進(jìn)行控制。其中，選擇性催化還原(SCR)技術(shù)[1-3]是應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，其裝置結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，脫硝效率高。

在超低排放的要求下，對(duì)SCR技術(shù)提出了更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在火電機(jī)組煙氣脫硝改造中，SCR脫硝和非選擇性催化還原(SNCR)脫硝均需消耗大量還原劑氨，但由于物理、化學(xué)等原因，噴入脫硝裝置的氨總有小部分未反應(yīng)而逃逸出來，形成逃逸氨[4]。王超等[5]分析了SCR，SNCR和SNCR-SCR技術(shù)之間的差異性及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了三種脫硝技術(shù)在不同燃煤機(jī)組規(guī)模和不同煤揮發(fā)分含量下的適用情況。胡海翔等[6]創(chuàng)建的自動(dòng)脫硝精確控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)根據(jù)煙道中NOx的變化精準(zhǔn)調(diào)節(jié)噴氨量，達(dá)到氨量的優(yōu)化控制，但對(duì)于老爐改造的情況，只能通過網(wǎng)格法脫硝調(diào)試配合針對(duì)性檢修來降低硫酸氫銨(ABS)堵塞的幾率。胡小夫等[7]介紹了在脫硝催化劑內(nèi)部和表面會(huì)發(fā)生的物理與化學(xué)等不同類型的堵塞，這些堵塞使得催化劑失活，不能對(duì)排放的煙氣進(jìn)行有效的脫硝處理。郭義杰[8]分析認(rèn)為逃逸的氨易與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸銨(AS)和ABS，其中ABS是引起堵塞的主要物質(zhì)。ABS的生成很大程度上降低了脫硝催化劑的效率，隨著ABS的不斷積累，造成部分脫硝網(wǎng)格完全堵塞，使催化劑失去作用。但ABS在脫硝網(wǎng)格內(nèi)附著并逐漸堵塞網(wǎng)格的現(xiàn)象是無法預(yù)測的，因此，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行是否堵塞的檢測判斷顯得尤為重要。然而國內(nèi)對(duì)網(wǎng)格堵塞情況的檢測判斷尚屬空白，沒有一種能夠很好地表征網(wǎng)格內(nèi)部流場是否穩(wěn)定通暢的技術(shù)。靜電感應(yīng)原理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于顆粒物的檢測領(lǐng)域，許傳龍等[9-10]提出了一種基于靜電傳感器空間濾波效應(yīng)的顆粒平均速度檢測方法，將靜電傳感器測量系統(tǒng)應(yīng)用于顆粒速度和顆粒荷電測量上。本研究根據(jù)顆粒物的自身荷電性，對(duì)尾氣中的顆粒物濃度進(jìn)行檢測，得到網(wǎng)格內(nèi)部流場的運(yùn)動(dòng)特性，并以此來判斷網(wǎng)格的堵塞情況和堵塞類型。

1 脫硝網(wǎng)格堵塞機(jī)理分析

1.1 脫硝催化劑反應(yīng)機(jī)理

燃煤電廠鍋爐爐膛出口的煙氣中含有大量的氮氧化物，是一類主要的大氣污染物，會(huì)直接導(dǎo)致大氣環(huán)境的惡化。因此，在超低排放的要求下，在煙塵到達(dá)煙囪排放口之前，對(duì)煙氣進(jìn)行有效的脫硝處理非常重要。應(yīng)用較廣泛的脫硝技術(shù)為選擇性催化還原(SCR)技術(shù)，該技術(shù)運(yùn)用還原性碳?xì)浠衔?、氨、尿素等還原劑[11-15]將NOx還原為水和氮?dú)狻Ｆ渲蠳H3-SCR技術(shù)以氨為還原劑進(jìn)行催化還原，其反應(yīng)機(jī)理如圖1所示。

圖1 脫硝催化劑反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Reaction mechanism of denitrification catalyst

1.2 網(wǎng)格堵塞的原因分析

1.2.1 物理堵塞

為提高脫硝催化劑的效率，增加煙氣的反應(yīng)時(shí)間，煙氣在流經(jīng)SCR反應(yīng)器時(shí)的流速較小，然而氣流呈層流狀態(tài)，燃燒產(chǎn)生的細(xì)小飛灰顆粒首先會(huì)聚集在SCR反應(yīng)器的上游部位，聚集到一定體積時(shí)會(huì)掉落在催化劑表面，在網(wǎng)孔內(nèi)部形成搭橋后造成網(wǎng)格堵塞；此外，煙氣中也可能存在部分粒徑較大的爆米花狀飛灰，一旦其尺寸大于催化劑孔道的孔徑，將直接漂浮至催化劑表面形成堵塞，使得煙氣中分子無法接觸到催化劑活性組分，脫硝反應(yīng)不能正常進(jìn)行，失去了安裝脫硝反應(yīng)器的意義。但是，這種由物理原因造成的催化劑堵塞是可逆的，目前大多采用周期性吹灰的方法將沉積在催化劑表面的飛灰及時(shí)去除。

1.2.2 化學(xué)堵塞

在燃煤電廠中，如果脫硝系統(tǒng)安裝在脫硫系統(tǒng)前，煙氣在到達(dá)脫硝系統(tǒng)時(shí)必然含有大量SO2，SO2及其被氧化生成的SO3會(huì)與煙氣中的水、NH3及CaO等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫酸銨、硫酸氫銨和硫酸鈣等，在催化劑表面的小孔中沉積，堵塞催化劑表面，影響反應(yīng)氣體在催化劑內(nèi)的擴(kuò)散，造成催化劑有效比表面積的降低。其中當(dāng)鍋爐的噴氨量過大，造成氨逃逸率高時(shí)，在鍋爐尾部煙氣脫硝過程中逃逸的NH3與SO3反應(yīng)生成硫酸氫氨(NH4HSO4)，NH4HSO4在146 ℃～207 ℃下為液態(tài)，液態(tài)NH4HSO4對(duì)飛灰的吸附能力極強(qiáng)，很容易與煙氣含有的飛灰粒子相結(jié)合，聚集形成大顆粒物吸附在脫硝網(wǎng)格的表面，并逐漸造成其積灰、堵塞，嚴(yán)重影響脫硝催化劑的壽命。具體發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)[16-18]為：

NH3+SO3+H2O=NH4HSO4

(1)

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

(2)

因此，根據(jù)兩種堵塞類型的差異特性，可對(duì)堵塞類型進(jìn)行判別，即在檢測信號(hào)異常后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適時(shí)、合理的吹灰，以清除網(wǎng)格的物理堵塞，之后再對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行二次檢測，即可判別堵塞類型。

2 基于靜電感應(yīng)的檢測脫硝網(wǎng)格堵塞的方法

基于靜電感應(yīng)法測量顆粒物濃度的技術(shù)已較為成熟，并廣泛應(yīng)用于燃煤電廠顆粒物排放的檢測工作中。因此，提出一種基于靜電感應(yīng)的檢測脫硝網(wǎng)格堵塞的方法極具可行性。將感應(yīng)電極安裝在脫硝網(wǎng)格的尾部，根據(jù)檢測到的內(nèi)部氣流的穩(wěn)定性信息來表征網(wǎng)格的堵塞情況，具有簡便、易安裝、易操作的優(yōu)勢。

為檢測出脫硝網(wǎng)格是否發(fā)生堵塞，根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)一種基于靜電感應(yīng)的脫硝網(wǎng)格堵塞測量桿，如圖2所示。每個(gè)測量桿由多個(gè)測量單體組成，以方便不同距離的檢測應(yīng)用，每個(gè)單體由棒狀感應(yīng)電極和信號(hào)處理與傳輸單元組成，電極直徑為3 mm，長度為50 mm[19]。將此測量桿置于脫硝網(wǎng)格的尾部，對(duì)排放煙氣進(jìn)行測量，根據(jù)不同單體所檢測到感應(yīng)電荷量的大小做出脫硝網(wǎng)格正常、部分堵塞、完全堵塞三種不同狀態(tài)的檢測判斷。

圖2 基于靜電感應(yīng)的脫硝網(wǎng)格堵塞測量桿Fig.2 Denitrification grid blockage measuring rod based on electrostatic induction

陳建閣等[19]建立了棒狀感應(yīng)電極的數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。圖3中M為一帶電量為q的粉塵顆粒，視為一個(gè)點(diǎn)，忽略其幾何尺寸；圓柱代表棒狀電極，長度為L，半徑為R。根據(jù)高斯靜電場理論可得，電極表面感應(yīng)的電荷總量等于穿過閉合曲面的電通量乘以介電質(zhì)數(shù)。若設(shè)點(diǎn)電荷以速度v沿電極徑向經(jīng)過電極附近(設(shè)x=vt)，可以得到電極上感應(yīng)電量隨時(shí)間變化的函數(shù)：

圖3 棒狀感應(yīng)電極的數(shù)學(xué)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軟件的仿真測試

3.1 幾何模型的建立

利用Fluent軟件進(jìn)行仿真測試，建立不同堵塞狀態(tài)下脫硝網(wǎng)格的立體模型，如圖4所示。由于脫硝催化劑單個(gè)網(wǎng)格的尺寸僅為1.3 mm～1.5 mm，且其是否發(fā)生堵塞與堵塞的嚴(yán)重情況都是隨機(jī)的，因此，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格的堵塞情況都進(jìn)行檢測工程量巨大，且意義不大。仿真時(shí)建立6×6的網(wǎng)格來模擬整個(gè)脫硝催化劑網(wǎng)格的物理尺寸，即將脫硝網(wǎng)格定義為6×6的區(qū)域來對(duì)堵塞情況進(jìn)行檢測。圖4a和圖4b分別為不同堵塞狀態(tài)下脫硝網(wǎng)格的二維視角和三維視角圖。其中最外圍20個(gè)網(wǎng)格為未堵塞的區(qū)域，最中間4個(gè)網(wǎng)格為完全堵塞的區(qū)域，其余12個(gè)網(wǎng)格為部分堵塞的區(qū)域，并將其依次命名為一類網(wǎng)格、二類網(wǎng)格和三類網(wǎng)格。分別研究不同堵塞狀態(tài)下脫硝網(wǎng)格內(nèi)部的流場分布，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定左側(cè)進(jìn)口為Inlet，其類型為Velocity-inlet，右側(cè)出口為Outlet，其類型為Pressure-outlet，其他默認(rèn)為管壁Wall。

圖4 不同堵塞狀態(tài)下脫硝網(wǎng)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 模型的仿真與分析

利用Fluent軟件進(jìn)行仿真測試，選擇Double Precision Parallel，求解器選擇Pressure-based，時(shí)間選擇Steady，數(shù)值計(jì)算采用k-epsilon模型，材料設(shè)為NO、空氣、NH3、N2、SO2的混合氣體，氣體的流入速度為5 m/s[20]，收斂精度為0.001，其他數(shù)值為默認(rèn)數(shù)值。

計(jì)算迭代收斂后，在第二列網(wǎng)格處建立觀測平面，查看混合氣體在網(wǎng)格內(nèi)部的速度分布，結(jié)果如圖5所示。其中一類網(wǎng)格內(nèi)氣體流動(dòng)平穩(wěn)，可以表示網(wǎng)格正常狀態(tài)下的流動(dòng)情況；二類網(wǎng)格在發(fā)生堵塞區(qū)域背側(cè)沒有氣體存在；三類網(wǎng)格由于是部分堵塞，其孔徑被迫減小，使得氣體流通不穩(wěn)定，并對(duì)氣體起到加速作用。因此，由圖5可以看出三種不同狀態(tài)下混合氣體在網(wǎng)格內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況。

圖5 網(wǎng)格內(nèi)部混合氣體的速度分布Fig.5 Velocity distribution of mixed gas in grida—Longitudinel section；b—Cross section

利用Fluent軟件計(jì)算平面中一條豎線上的速度，可以獲得氣體流經(jīng)各個(gè)網(wǎng)格時(shí)的具體速度，一類網(wǎng)格氣體速度約為6.5 m/s，保持正常；二類網(wǎng)格氣體速度為0 m/s；三類網(wǎng)格由于被部分堵塞，氣體流通面積減小，造成氣體速度顯著上升，且速度分布具有一定的隨機(jī)性。在氣體不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，由氣體的速度計(jì)算顆粒物在經(jīng)過棒狀感應(yīng)電極時(shí)的感應(yīng)電荷量，并將其歸一化(如圖6所示)。

由圖6可以看出，一類網(wǎng)格感應(yīng)電荷量保持穩(wěn)定，二類網(wǎng)格感應(yīng)電荷量為0，三類網(wǎng)格感應(yīng)電荷量幅值較高且分布不均。因此，對(duì)比三類網(wǎng)格的感應(yīng)電荷量可以檢測出網(wǎng)格是否發(fā)生堵塞。這對(duì)燃煤電廠脫硝工作具有一定的指導(dǎo)意義，在網(wǎng)格發(fā)生堵塞的前期，盡早地對(duì)其進(jìn)行清理、更換等，以免降低催化劑的脫銷效率。

圖6 脫硝網(wǎng)格不同堵塞情況下感應(yīng)電荷量Fig.6 Induction charge quantity of denitrification grid under different blockage conditions

3.3 堵塞類型的判別

檢測到網(wǎng)格堵塞后，對(duì)堵塞類型的判斷就簡單方便了很多。根據(jù)脫硝網(wǎng)格堵塞的不同原因，將其分為物理堵塞和化學(xué)堵塞，并提出一種基于靜電感應(yīng)的判別脫硝網(wǎng)格堵塞類型的方法，其判別流程如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格堵塞類型判別流程Fig.7 Discrimination flow of grid blocking type

物理堵塞是可逆的，只需要對(duì)堵塞網(wǎng)格進(jìn)行吹灰操作，便可以有效地清除沉積在催化劑表面的飛灰。目前大多采用周期性吹灰的方法，但吹灰操作是被動(dòng)的，不具有靈活性，不能在發(fā)生堵塞的第一時(shí)間對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行清理。因此，借助此方法對(duì)脫硝網(wǎng)格進(jìn)行是否堵塞的判別，再對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適時(shí)、合理的吹灰，以清除網(wǎng)格的物理堵塞，更有利于網(wǎng)格的使用和報(bào)廢。若吹灰完畢后，感應(yīng)電荷量依舊未能返回正常值，則表明已經(jīng)發(fā)生了ABS堵塞，使得催化劑的活性和催化效率急劇降低，需要人工進(jìn)行催化劑重生[21]或直接更換催化劑。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)脫硝網(wǎng)格未發(fā)生堵塞、完全堵塞、部分堵塞三種不同狀態(tài)，分別定義一類網(wǎng)格、二類網(wǎng)格、三類網(wǎng)格，建立仿真模型，分析內(nèi)部混合氣體的運(yùn)動(dòng)情況，得到不同網(wǎng)格類型下其運(yùn)動(dòng)速度的差別。其中一類網(wǎng)格氣體速度約為6.5 m/s，保持正常；二類網(wǎng)格氣體速度為0 m/s；三類網(wǎng)格氣體速度顯著上升，且速度分布具有一定的隨機(jī)性。

2) 提出一種基于靜電感應(yīng)的脫硝網(wǎng)格堵塞的檢測方法，極大地提高了催化劑的脫硝效率。根據(jù)檢測出的不同感應(yīng)電荷量來判斷脫硝網(wǎng)格堵塞與否的狀態(tài)。其中一類網(wǎng)格感應(yīng)電荷量保持穩(wěn)定，二類網(wǎng)格沒有感應(yīng)電荷存在，三類網(wǎng)格感應(yīng)電荷量幅值較高且分布不均。

3) 檢測到網(wǎng)格發(fā)生堵塞后，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適時(shí)、合理的吹灰，以清除網(wǎng)格的物理堵塞，改變目前周期性被動(dòng)吹灰的局限性。若吹灰完畢后，感應(yīng)電荷量依舊未能返回正常值，則表明已經(jīng)發(fā)生了ABS堵塞，使得催化劑的活性和催化效率急劇降低，需要人工進(jìn)行催化劑重生或直接更換催化劑。