混合策略在水泥窑炉煅烧NO_(x)浓度预测中的应用

NO_(x)体积分数是反映水泥窑炉煅烧过程中氮排放的一个关键环保指标。水泥煅烧过程具有大噪声、大时滞和非线性等复杂特性。为了解决以上难点,提出基于互补集合经验模态分解(Complemementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)、熵原理的互信息(Mutual Information,MI)、最大相关最小冗余算法(Max-Relevance and Min-Redundancy,mRMR)和天牛须搜索算法(Beetle Antennae Search,BAS)优化神经网络(Back Propagation Neural Network,BPNN)的混合策略,并用于NO_(x)体积分数预测。首先,CEEMD和中值平均滤波用于处理大噪声。同时,利用熵原理的MI和mRMR进行时滞分析和变量选择,解决大时滞问题。其次,利用BAS提高多层前馈(Back Propagation,BP)神经网络的预测能力,并解决非线性工况问题。最后,将该策略进行工业应用。结果显示,在25900个工业测试样本中,两组的均方根误差(Root Mean Squared Error,RMSE)和平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)分别仅为0.3024、0.2059和0.2153、0.2013。预测模型结果可指导水泥脱硝操作人员精准喷氨,减少NO_(x)排放并降低氨水用量和氨逃逸情况。

330 MW旋流对冲锅炉低负荷运行的低NO_(x)燃烧优化

以某热电厂一台330 MW旋流对冲燃煤锅炉为研究对象,通过数值模拟分析了锅炉在150 MW低负荷运行、不同配风比下炉内的流动、传热及NO_(x)排放情况。结果表明,当二次风配比和燃尽风率增大时,NO_(x)的生成趋势并不呈线性变化,而是存在一个最低点,可得到一个NO_(x)排放值最低的最佳配风方式。为了验证该最佳工况的优化效果及实际运行的可行性,又将数值研究中的3个典型工况进行了现场实验。实验结果表明:与原运行工况相比,采用最佳配风方式的实际炉膛出口NO_(x)浓度下降20%,锅炉效率提高0.41%。该配风优化方案经济可行,为同类型工程问题提供了优化思路。

基于AMESim的柴油机SCR系统NO_(X)转化率仿真与验证

为研究车用柴油机SCR系统催化转化效率的影响因素,利用AMESim软件建立SCR系统仿真模型,结合台架试验,分析了排气温度、NO_(2)/NO_(X)值以及排气流量对系统NO_(X)转化率的影响。将不同温度下SCR系统仿真输出的NO_(X)转化率数据进行了实验验证,结果表明模型预测误差小于5%。仿真结果显示:SCR系统的NO_(X)转化率会随排气温度升高而明显增大,370~450℃为系统性能的最佳温度区间,NO_(X)转化率最大值均在88%以上。NO_(X)转化率随着NO_(2)/NO_(X)值的提高而增加,且当NO_(2)/NO_(X)值为55%~60%时达到峰值。当排气温度处于400~450℃之间时,NO_(X)转化率受排气流量影响较小,转化率稳定在90%左右。确定了SCR系统在发动机不同工况条件下的工作性能,为后续的尿素喷射控制研究提供指导依据。

La_(1-x)Ce_(x)MnO_(3)-Ba/Al_(2)O_(3)催化剂对NO选择性生成NH_(3)的影响

为了实现碳中和目标,降低内燃机碳排放,稀薄燃烧技术成为了当前重要的研究方向.该技术不仅能提高发动机燃油热效率,还能有效降低CO_(2)排放.但是稀薄燃烧往往会伴随着大量氮氧化物的产生,为了解决该问题,采用LNT-SCR耦合的NO_(x)净化技术,此时LNT的作用是将排气中部分NO_(x)转化为NH_(3),为下游的SCR提供还原剂.基于此,制备了LNT催化剂,研究催化剂对NO选择性生成NH_(3)的影响.采用溶胶-凝胶法制备了La_(1-x)Ce_(x)MnO_(3)系列钙钛矿氧化物,并通过分步浸渍法得到了La_(1-x)Ce_(x)MnO_(3)-Ba/Al_(2)O_(3)负载型催化剂.利用XRD、H_(2)-TPR、NO-TPD等表征手段研究了钙钛矿氧化物的晶相结构,以及负载型催化剂的还原特性、NO_(x)吸附-脱附性能等物化性质,并且通过H_(2)选择性催化还原NO实验探究了催化剂掺杂Ce对NO转化成NH_(3)的影响.结果表明,Ce掺杂催化剂具有良好的NH_(3)产物选择性,并且显著提高了NO转化率.温度是NO转化和NH_(3)产物选择性生成的决定性因素,而H_(2)和NO体积比是NO转化和NH_(3)产物选择性生成的关键性因素.其中,La_(0.95)Ce_(0.05)MnO_(3)-Ba/Al_(2)O_(3)在低温下催化活性表现最佳,在350℃、H_(2)和NO体积比为5.0时NH_(3)产物选择性为65%,NO转化率为100%.此外,所制备的La_(1-x)Ce_(x)MnO_(3)都形成了钙钛矿型结构,而且Ce掺杂催化剂的大部分Ce离子可以进入到LaMnO_(3)结构中.在催化剂适量掺杂Ce后,H_(2)消耗总面积增大、还原峰的峰值温度降低,表明掺杂Ce改善了催化剂的还原特性;同时NO吸附和脱附面积增大,表明Ce掺杂改变了催化剂的NO_(x)吸附-脱附性能.

基于组合时域特征提取和Stacking集成学习的燃煤锅炉NO_(x)排放浓度预测

为提高火电厂锅炉出口NO_(x)排放浓度的预测精度,提出一种考虑组合时域特征的Stacking集成学习模型。首先,为挖掘数据深层信息,采用时序分析、完全自适应噪声集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise analysis,CEEMDAN)和统计学计算数据标准差、偏度等特征的方法进行组合时域特征提取以构建重构数据;其次,考虑到重构数据中存在的冗余变量对模型的精度有所影响,利用遗传算法(genetic algorithm,GA)对重构数据进行特征降维;最后,为充分发挥各个模型的优势以提高模型的预测精度,构建以极限学习机(extreme learning machines,ELM)、深度神经网络(deep neural networks,DNN)、多层感知器(multilayer perceptron,MLP)、极限梯度提升算法(extreme gradient boosting,XGBoost)为基模型和以回声状态网络(echo state network,ESN)为元模型的Stacking集成学习NOx排放浓度预测模型。实验结果表明:该预测模型在不同数据集下都有着不错的预测效果,预测误差均小于2%,能够对锅炉NOx排放浓度实现精准预测。

基于蜣螂优化-集成加权融合的NO_(x)浓度动态预测

针对SCR入口NO_(x)浓度单一预测模型无法满足在不同工况下保持预测精度的问题,提出了一种基于蜣螂优化(dung beetle optimizer,DBO)集成模型加权融合的预测SCR入口NO_(x)浓度的动态模型。首先使用CatBoost与LightGBM的混合模型在筛选辅助变量的同时,求取辅助变量的迟延时间和阶次信息,并根据以上信息确定预测模型的输入变量;然后建立由LightGBM,XGBoost与CatBoost组成的集成模型,并使用蜣螂优化算法对预测结果进行加权融合;最后将DBO-集成加权融合动态预测模型与3种单模型和蜣螂算法优化2种模型加权融合的预测模型进行对比。结果证明DBO综合加权融合动态预测模型的评价指标优于其他模型,具有更高的预测精度、实时性和适应性,能够更好地满足不同工况下的NO_(x)浓度预测要求。

基于LSTM-SAFCN模型的生物质锅炉NO_(x)排放浓度预测

针对生物质锅炉燃烧过程的动态特性,提出一种改进的长短期记忆-自注意力机制全卷积神经网络(LSTM-SAFCN)模型用于预测NO_(x)排放浓度。首先利用完全自适应噪声集合经验模态分解法(CEEMDAN)对数据进行预处理,消除数据噪声对NO_(x)排放浓度预测的影响;其次融合自注意力机制与长短时记忆-全卷积神经网络(LSTM-FCN)进行特征提取与预测建模,该拓展方法能够同时兼顾时间序列数据的局部细节与长期趋势特征;最后,利用生物质热电联产系统的实际运行数据验证了所提算法的有效性。

基于改进蜣螂优化算法的电站NO_(x)排放预测

锅炉燃烧优化在电厂锅炉经济稳定运行中起着重要作用,NO_(x)排放预测是其中的一个基本环节,因此提出了一种基于改进蜣螂优化算法优化卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)与双向长短期记忆神经网络(long short term memory,LSTM)的组合模型超参数的超超临界锅炉NO_(x)排放预测的方法。首先通过Pearson相关性判定与NO_(x)排放相关的特征参数;其次建立CNN-LSTM预测模型,利用卷积神经网络CNN提取分层数据结构,长短期记忆网络挖掘长期依赖关系,然后结合佳点集、t分布变异策略对蜣螂算法进行改进,用改进后的算法对LSTM超参数进行优化得到最终预测模型;最后与其他神经网络模型进行对比验证。以某660 MW机组锅炉深度调峰实际数据进行预测,结果得到NO_(x)排放浓度实际值与预测值的平均绝对误差为3.3516,平均相对误差为2.4667,数据结果表明该预测模型具有更准确的预测效果。

可解释的变负荷下燃煤机组SCR反应器入口NO_(x)质量浓度预测模型

燃煤电厂灵活调峰过程NO_(x)测量往往存在滞后现象,导致选择性催化还原(selective satalytic reduction,SCR)脱硝喷氨控制系统响应不及时,易造成喷氨量过高或过低,从而造成SCR反应器出口NO_(x)质量浓度波动剧烈和氨逃逸率增大。为实现喷氨阀门的提前快速调节并考虑影响燃煤锅炉NO_(x)排放量的因素存在耦合性,提出了一种基于卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)和长短时记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络混合模型的SCR反应器入口NO_(x)预测模型。利用一台330 MW燃煤电站锅炉的运行参数,通过Pearson系数法计算特征变量之间的相关性,筛选出相关性较大的特征,并定义模型的输入矩阵和输出矩阵,采用随机搜索算法进行优化,以提高预测性能。进一步利用SHAP算法对黑箱模型进行解释,并通过Simulink仿真验证了带有NO_(x)预测的控制效果。结果表明:CNN-LSTM预测模型在调峰负荷变化时,能够以较高的精度预测SCR反应器入口NO_(x)质量浓度的变化,并能提前25s为喷氨控制系统提供反馈;优化后的喷氨控制策略降低了出口NO_(x)质量浓度与设定值间的标准差(降低28%),并提升了NH_(3)/NO_(x)的响应速度,减小最大氨逃逸量22%。该研究结果可为灵活调峰机组的智慧SCR脱硝技术及燃烧优化提出有效的指导。

Cu离子分子筛催化材料在去除NO_(x)方面应用的研究进展

控制大气中氮氧化物的排放对环境和人体健康有着至关重要的作用,应用于NO_(x)去除的技术有很多,其中选择性催化还原(NH3-SCR)技术是去除NO_(x)极有效的技术之一,利用CO去除NO_(x)为烟气脱硝(CO-SCR)提供了一种简单且低成本的技术,直接催化分解NO_(x)被认为是去除NO_(x)最理想、最环保的技术。Cu离子分子筛作为去除NO_(x)的高效催化剂,具有宽温度窗口和良好的水热稳定性。本文综述了Cu交换分子筛在去除NO领域的研究进展,讨论了Cu离子分子筛在NH3-SCR、CO-SCR以及直接催化分解NO中的应用,着重总结了Cu离子参与去除NO的反应机理,归纳了分子筛中Cu活性位点对脱硝性能的影响,还讨论了铜离子分子筛的抗H_(2)O和SO_(2)中毒性能,展望了Cu离子分子筛未来可能的发展方向。

超临界660 MW循环流化床锅炉NO_(x)排放控制困难分析及处理

为解决某电厂超临界660 MW循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉满负荷运行NO_(x)排放较难控制、瞬时值易超过超低排放限值且选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction,SNCR)脱硝系统氨耗量较大氨逃逸严重的问题,现场进行了NO_(x)原始排放、SNCR脱硝效率、CO质量浓度及底渣可燃物的试验,并进行了二次风量布置优化试验。研究发现:锅炉原始NO_(x)排放较低,满负荷运行时不超过120 mg/m^(3)(标准状态,下同);中低负荷时NO_(x)质量浓度低于50 mg/m^(3),但炉膛前后NO_(x)质量浓度偏差较大,烟气中的NO_(x)主要在炉膛前部产生。NO_(x)排放较难控制的原因是SNCR脱硝效率较低和炉膛给煤不均。6台分离器入口的SNCR脱硝效率均低于50.0%,其中B、C、E、F 4台分离器脱硝效率低于40.0%。此外,从原始NO_(x)生成来看,根据炉膛深度方向上床温分布、底渣可燃物质量分数和CO质量浓度变化可以确定,炉膛给煤不均也对满负荷NO_(x)排放控制影响显著。当前,电厂若不进行给煤系统改造暂无法实现给煤均匀,但可以通过调整炉膛深度方向二次风量配比降低原始NO_(x)生成,降幅可达9.77%。

耦合全炉膛的新型低NO_(x)旋流燃烧器性能

随着我国对氮氧化物(NO_(x))排放标准的不断收紧,电力行业迫切需要新的技术以减少NO_(x)排放。其中低NO_(x)旋流燃烧器技术作为控制NO_(x)排放的有效手段,受到广泛关注。针对一台600 MW对冲燃煤锅炉,设计并改进了一种新型低NO_(x)旋流燃烧器,研究了单只燃烧器流场、温度场及气体组分的分布特征,同时进一步分析了燃烧器耦合炉膛后的炉内温度场、NO分布情况。模拟结果表明:新型低NO_(x)旋流燃烧器中二次风为直流时煤粉燃烧较充分,且空气分级作用增强,可形成还原性气氛,NO排放量可进一步降低约21%。研究结果可为实际电站的低NO_(x)燃烧器改造提供理论依据和工程应用参考。

考虑实际路况下排气温度的重型柴油车NO_(x)排放模型

选择性催化还原技术(SCR)是降低重型柴油车氮氧化物(NO_(x))排放的常用技术之一,且SCR系统内的NO_(x)转化率与尾气温度密切相关。然而,现有的NO_(x)排放测算模型主要考虑车辆行驶工况,缺少与排气温度的关联分析,从而增加了NO_(x)排放测算结果的不确定性,对排放清单的建立和减排政策的评估提出了挑战。本研究基于车辆实际运行工况和实测排放数据,建立NO_(x)排放速率库和NO_(x)排放率模型。随后,建立基于机动车比功率(VSP)和热损失系数的尾气温度模型。在此基础上,根据SCR系统中的化学反应原理,建立基于尾气温度的NO_(x)排放模型。最后,利用建立的NO_(x)模型和MOVES模型(移动源排放测算模型)分别估算NO_(x)排放量,并与实际排放情况进行比较分析。结果表明,本研究所提出的考虑实际路况下尾气温度的NO_(x)排放模型可以有效提高NO_(x)排放测算的准确性,在3辆重型柴油公交车上的NO_(x)测算相对误差分别为9.1%、3.9%和3.3%。相较于MOVES模型,相对误差分别降低了24.0、13.1和16.3个百分点。对不同运行工况下的NO_(x)排放特性分析表明,重型柴油货车的平均NO_(x)转化率比柴油公交车高39.2个百分点。

重型柴油机排气电加热NO_(x)排放控制技术研究

为解决重型柴油机在冷起动工况下的NO_(x)排放恶化问题,基于重型柴油机冷起动试验平台,自主设计了排气电加热系统,并研究了不同电加热功率对后处理后的NO_(x)排放和每度电可处理的NO_(x)排放的影响.结果表明:随着电加热功率从2 kW升高至8 kW,NO_(x)排放逐渐降低,每度电可处理的NO_(x)排放逐渐升高;电加热功率固定为8 kW时,NO_(x)排放达到最低(140.3 mg/(kW·h)),相比原机减少了51.55%;电加热功率固定为2 kW时,每度电可处理的NO_(x)排放最多为1 900.8 mg.基于此,通过仿真进行排气电加热器控制策略的开发,控制策略引入NO_(x)转化效率和燃油消耗量作为判据,每度电可处理的NO_(x)排放增加了19.27%.此时,仅消耗0.21 kW·h电能,即可将后处理后的NO_(x)排放从274.76 mg/(kW·h)降低至231.42 mg/(kW·h).

200 kW煤纯化-燃烧和宽负荷NO_(x)排放特性

为了适应当今我国的能源结构和降低煤炭发电等利用过程中产生的污染物排放问题,提出了煤炭纯化-燃烧的新型煤炭反应方式,将整个煤炭的燃烧途径分为纯化和柔和燃烧2个步骤,其中纯化包括中温活化过程(对煤进行性能活化)和高温还原过程(在高温下进行煤中杂质的去除),从而实现煤的纯化和在后续反应中的N元素的定向转化和NO_(x)排放的降低。并在搭建好的200 kW纯化-燃烧试验台上,对宽负荷下系统的纯化-燃烧特性和N元素的转化机理进行了研究。结果表明,系统能够在53%~89%的负荷内实现稳定运行,纯化单元和柔和燃烧单元温度分布均匀,系统的温度随负荷的升高而增加,纯化单元的高温区位于高温还原单元底部,最高可达1378℃,而柔和燃烧单元的高温区则出现在距顶端3700 mm处。在纯化单元出口的煤气中,CO、H_(2)和CH_(4)的体积分数在89%负荷时最高可达23.28%、4.97%、1.52%,随着负荷的增加,燃料中C、H、N元素的转化率均有上升,且高温还原单元出口的元素转化率明显大于中温活化单元出口,达到了88.63%、96.83%和93.91%。大部分的N元素均生成了N_(2),53%负荷下仅有1.27%的N转化生成了NO,NO_(x)排放最低可以达到47.38 mg/m^(3),此时燃烧效率可达99.01%。对氮的迁移路径转化的研究表明,系统在柔和燃烧单元沿程并没有检测到HCN的存在;而NH3则广泛存在于三级三次风喷口前;NO_(x)首先以N_(2)O和NO_(2)的形式分布在柔和燃烧单元沿程,在四级三次风喷入后转化为NO。

用于火电厂NO_(x)检测的Pt-In_(2)O_(3)传感器吸附及传感机理研究

火力发电产生的NO_(x)会对生态环境和公众健康造成严重危害。目前,我国对火电厂NO_(x)检测主要采用非分散红外技术和化学发光技术,需要对烟道的样气进行人工采样,步骤繁琐且无法实现对NO_(x)准确检测,半导气体传感器具有体积小、响应快速和成本低等优点,而广泛应用于气体污染物的检测。本文采用水热法制备了本征In_(2)O_(3)和Pt-In_(2)O_(3)气敏材料。基于搭建的微量气体气敏测试平台,测试了In_(2)O_(3)基传感器对NO和NO_(2)的浓度响应和响应恢复时间。研究表明,Pt-In_(2)O_(3)传感器对30ppm NO_(2)和NO的响应值分别为7.7和10.3,响应恢复时间分别为23 s/41 s和18 s/46 s,能够满足对火电厂NO_(x)检测的要求。另外,基于密度泛函理论计算了各吸附模型的吸附能和态密度以揭示其气敏机理。分析结果表明,Pt-In_(2)O_(3)对NO(-1.55 eV)和NO_(2)(-0.92 eV)表现出强烈的化学吸附,与宏观实验测试结果一致。因此,Pt-In_(2)O_(3)传感器可实现火电厂NO_(x)气体检测。

基于混合建模方法循环流化床锅炉深度调峰NO_(x)排放预测

为响应碳达峰,碳中和目标,我国循环流化床锅炉大规模参与深度调峰运行,导致锅炉NO_(x)排放浓度波动范围大,控制效果不佳,难以满足污染物超低排放需求,因此对深度调峰NO_(x)排放浓度进行精准建模预测有重要意义。以即燃碳模型为基础,深度剖析炉内NO_(x)生成和还原机理,建立炉内即燃碳燃烧模型、O2动态平衡模型、CO软测量模型、NO_(x)生成与还原模型,完成SNCR入口NO_(x)浓度机理计算;选取给煤量、床温、烟气温度及含氧量、一二次风量、尿素溶液流量作为NO_(x)排放浓度的输入变量,将SNCR入口NO_(x)浓度计算值作为拓展输入变量,对所有输入变量与NO_(x)排放浓度进行相关性分析和迟延补偿,完成数据集重构;采用长短期记忆神经网络对重构数据集进行训练和预测,并将鲸鱼优化算法用于长短期记忆神经网络的参数优化,建立循环流化床锅炉深度调峰NO_(x)排放浓度机理——数据混合预测模型。仿真验证表明混合预测模型不同工况下预测性能和泛化能力好,能够实现循环流化床锅炉变负荷时NO_(x)排放浓度的实时预测,相较其他预测模型的各项误差性能指标均显著提升,平均绝对误差δMAE达2.14 mg/m^(3),平均相对百分误差δMAPE达5.68%,决定系数R^(2)达0.902 1。混合预测模型能精准预测循环流化床锅炉深度调峰下NO_(x)排放浓度,为循环流化床锅炉超低排放智能控制系统的设计提供参考。

重型柴油车实际道路NO_(x)排放分析方法研究

利用PEMS对6辆典型国六重型柴油车开展实际道路排放测试,基于功基窗口法(中国和欧盟)、NTE法(美国EPA)和3B-MAW法(美国CARB)研究了重型柴油车实际道路NO_(x)排放特性,探讨了不同分析方法的特点及适用性。结果表明:基于功基窗口法的NO_(x)排放结果符合中国和欧盟的监管要求,但基于NTE法和3B-MAW法的NO_(x)排放合规性具有不确定性。NO_(x)排放数据利用率低导致NTE法无法有效分析实际道路NO_(x)排放,3B-MAW法对NO_(x)排放分类管理值得借鉴。冷起动NO_(x)排放占PEMS试验的47.3%~80.7%,重型柴油车冷起动NO_(x)排放应被重视。然而目前中国、欧盟和美国的重型车实际道路NO_(x)排放分析方法均无法有效评估冷起动NO_(x)排放。因此,下阶段排放法规对冷起动NO_(x)排放的监管应当提出相应测试循环、分析方法和排放限值,切实降低重型柴油车NO_(x)实际排放。

大型乙烯裂解炉用低NO_(x)燃烧器的结构优选

随着大能力大型化裂解炉的不断发展,国内首台单炉膛20万吨/年产能乙烯裂解炉对燃烧器提出了更高的设计要求,在稳定燃烧的同时还要满足特定的工艺要求和严苛的环保要求。采用CFD技术和热态试验方法优选新型乙烯裂解炉用低NO_(x)燃烧器,通过数值分析方法研究不同底部与侧壁供热比(底侧比)下裂解炉内的燃烧状态(火焰形状、火焰长度、炉内温度分布及NO_(x)排放量等),结果表明:在底侧比为70:30时燃烧状态最优,炉膛内温度分布均匀且满足工艺要求和环保要求。在热态试验炉上对最终设计工况(底侧比72:28)进行热态试验,结果显示:炉内燃烧状态良好,温度分布均匀且满足热通量曲线,NO_(x)排放量也较低。

不均匀喷氨的NO_(x)通量获取方法和喷氨格栅阻力特性

不均匀喷氨的方法是根据喷氨格栅建立不同分区的NO_(x)通量,设计分区不同的喷氨量,而NO_(x)通量由两个参数即烟气流速和NO_(x)浓度决定,试验和数值模拟方法是获得这两个参数的重要手段。通过对比发现,数值模拟的边界条件在实际中难以确定,无法较好地模拟流速场,而试验是更优的一种方法。试验结果显示,不同负荷和煤种下,喷氨格栅截面的流速分布基本不变,某些区域始终高,某些区域始终低。同时得到NO_(x)浓度的不均匀系数相对于流速不均匀系数很小,且考虑喷氨截面到催化剂还有一段扩散距离,可以仅考虑主要影响因素即烟气流速对不均匀喷氨的喷氨量进行设计,该方法简单有效,在工程实际中应用效果较好。同时对喷氨支管的阻力特性进行了试验研究,利用多孔介质代替该区域可以极大简化数值模拟区域。