CN102565274A - 一种电厂scr脱硝系统中催化剂活性的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电厂SCR脱硝系统中催化剂活性的修正方法，该修正方法包括三大部分工作：首先，在机组停机检修停机时进行催化剂取样，在实验室进行活性检测，得到催化剂的表观活性；然后，在机组检修结束恢复运行后进行SCR脱硝系统现场性能试验，获取脱硝系统的脱硝效率、氨气逃逸率、SO₂氧化率、脱硝系统阻力等运行指标；最后，把实验室活性检测值作为各层催化剂活性大小的相对比例，代入反应器性能计算模型，并利用现场性能试验数据回归，得到当前催化剂的真实活性。本发明的修正方法旨在修正实验室活性检测因取样代表性问题和反应条件过于理想化所引入的误差，以提高催化剂活性检测的准确性。

Description

一种电厂SCR脱硝系统中催化剂活性的修正方法

技术领域

本发明涉及一种催化剂活性的修正方法，具体是指一种电厂SCR脱硝系统中催化剂活性的修正方法。

背景技术

Selective Catalytic Reduction简称SCR。SCR脱硝技术是指在催化剂和氧气存在的条件下，在280～420℃较低的温度范围内，还原剂，如NH₃、尿素和氨水等，“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N₂和H₂O来减少NOx排放的技术。

SCR脱硝技术能有效地减少氮氧化物，满足日益严格的环保要求，而且其技术相对成熟，可达到85％以上的脱硝率，已经在国外得到了广泛应用。在国内，为了满足愈来愈严格的NOx排放标准，SCR技术正在成为火电厂烟气脱硝的主流技术。催化剂是SCR烟气脱硝系统中最关键的核心设备，其活性及使用寿命直接影响着系统脱硝性能和运行成本。因此，SCR系统运行优化的重要工作内容之一就是催化剂的管理。只有通过有效地管理，才能保证SCR系统的性能并有效降低运行成本。在催化剂管理过程中，准确掌握催化剂活性状况是其它所有工作的基础。

目前，催化剂活性主要通过对催化剂样块活性的实验室检测值代表，由于取样代表性保证具有局限性，实验室活性检测装置内反应条件与现场实际工况存在明显差异，检测结果难以真实反应催化剂在现场条件下的活性。因此，如何通过对实验室催化剂活性检测值进行修正，以更真实的反应现场催化剂活性，从而有效提高催化剂管理效果，是保证SCR脱硝系统乃至整个锅炉系统安全经济运行中亟待解决的关键问题。

从已有的专利和文献资料看，尚无对催化剂活性修正的报道。目前，催化剂活性主要通过催化剂样块的实验室检测获取。催化剂活性检测装置示意图如图1所示。实验模拟装置包括以下四部分：模拟配气瓶组、气体混合加热器、模拟反应器以及烟气分析系统，具体的部件包括气瓶1、流量计2、混合加热器3、模拟反应炉4、混合器5、三通阀6、烟气分析仪7、温控仪8、热电偶9等部件通过管道连接。其中，模拟反应器为圆柱形的不锈钢管式电加热炉。模拟烟气中O₂、NO、SO₂的质量浓度和过量空气系数等指标采用烟气分析仪在线测量。

具体的实验步骤如下所示：

(1)将催化剂放入反应器内，连接系统管路，确保反应器密封；

(2)通入N2，调节气体流量，检查系统确保无泄漏，接入烟气分析仪器，调节旁路阀门的开度，使测试旁路的气体流量满足烟气分析仪的进气量要求；

(3)开始加热，温度到达预设值后，按配比通入SO2、NO、O2，调节烟气线速度到实验要求，待气流稳定后，开启烟气分析仪测试功能，待读数稳定后，记录数据；

(4)通入还原剂NH3，调节气量至NH3/NO＝1.0，待烟气分析仪数据稳定后，记录反应后的烟气中NO含量，SO2与SO3浓度；

(5)结束试验，数据处理，计算催化剂活性。

上述采用催化剂取样，人工配气，进行实验室活性检测的方法，由于其取样代表性及模拟气氛与现场实际条件存在差异，难以反映催化剂在现场的真实活性。具体分析如下：

(1)催化剂取样代表性问题。采用实验室活性检法，催化剂样品的活性被认为代表了该层催化剂的活性。在现场，由于烟气流速、飞灰含量、烟气组分、温度的截面分布并不均匀，致使不同位置催化剂的失活原因及失活速率并不相同。而催化剂样块是在催化剂填装时布置好的，即取样点位置是相对固定的，因此取样的代表性有一定局限性。而且，烟气流速、飞灰含量、烟气组分、温度的截面分布随着燃用煤质、锅炉负荷、燃烧方式等运行条件变化而变化，取样点的代表性会随之发生变化。

(2)现场条件的模拟问题。采用实验室活性检测法，用气瓶配制模拟烟气，一般仅包括气相组分，无法模拟飞灰的影响。而且在现场烟气流速、氨氮混合比、烟气组分、温度的截面分布不均匀，并严重影响系统性能，但在实验室小型试验台中反应器尺寸很小，无法模拟截面分布不均带来的影响。

综上分析，实验室仅能在一定程度上反应催化剂活性的相对大小，与其催化剂在现场的真实活性会有较大误差。

发明内容

本发明的目的是在深入分析实验室催化剂活性检测优缺点的基础上提供一种电厂SCR脱硝系统中催化剂活性的修正方法，旨在修正实验室活性检测因取样代表性问题和反应条件过于理想化所引入的误差，以提高催化剂活性检测的准确性。

本发明采用催化剂实验室活性检测值表示反应器中各层催化剂活性大小的相对比值，并将它们用于反应器性能计算模型，作为各层催化剂真实活性的比例系数。然后利用反应器性能计算模型对该反应器的现场性能试验数据进行回归，从而得到各层催化剂的真实活性，修正方法流程如图2所示。

本发明催化剂活性的修正方法包括三大部分工作：首先，在机组停机检修停机时进行催化剂取样，在实验室进行活性检测，得到催化剂的表观活性，具体操作如背景技术中所述；然后，在机组检修结束恢复运行后进行SCR脱硝系统现场性能试验，获取脱硝系统的脱硝效率、氨气逃逸率、SO₂氧化率、脱硝系统阻力等运行指标；最后，把实验室活性检测值作为各层催化剂活性大小的相对比例，代入反应器性能计算模型，并利用现场性能试验数据回归，得到当前催化剂的真实活性。

(1)催化剂表观活性计算：

K_test＝-AV_test·ln(1-η_NOx)                    (1a)

式中，K_test——催化剂表观活性，Nm/h

      AV_test——活性检测的面速度，Nm/h

      η_NOx——NOx脱除率

其中， 为模拟烟气流量(Nm³/h)，A_test为催化剂样块表面积(m²)，

NH_3，inlet为进口NH₃浓度(ppm)，NH_3，outlet为出口NH₃浓度(ppm)。

(2)反应器性能计算：

SCR反应器包含多层催化剂，国内通常为2～3层。在进行反应器性能计算时，采用逐层计算的方法，并认为上一次催化剂的出口烟气参数即为下一层催化剂的入口烟气参数，最后一层催化剂出口烟气参数即为反应器出口烟气参数。据公式(1)得，每层催化剂的脱硝效率为：

${\mathrm{\&eta;}}_i=\left\{\begin{array}{c}1-e^{\frac{-K_i}{{\mathrm{AV}}_i}},({\mathrm{\&gamma;}}_{i,\mathrm{in}}\&GreaterEqual;1.0)\\ {\mathrm{\&gamma;}}_{i,\mathrm{in}}\&CenterDot;(1-e^{\frac{-K_i}{{\mathrm{AV}}_i}}),({\mathrm{\&gamma;}}_{i,\mathrm{in}}<1.0)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，η_i——第i层催化剂的NOx脱除率

      γ_i，in——第i层催化剂入口氨氮比

       K_i——第i层催化剂真实活性，Nm/h

       AV_i——第i层催化剂的面速度，Nm/h

反应器出口NOx浓度为：

C_NOx，out＝C_NOx，in·(1-η₁)(1-η₂)(1-η₃)……(1-η_n)      (3a)

式中，C_NOx，out——反应器出口NOx浓度，ppm

      C_NOx，in——反应器进口NOx浓度，ppm

             n——催化剂层数；

(3)催化剂活性修正：

如前所述，实验室活性检测可以得到每层催化剂的表观活性K_test，现场性能试验可以测得现场反应器进出口的NOx浓度C_NOx，in和C_NOx，out。假设催化剂真实活性与表观活性之间存在线性比例关系，即K_i＝α_iK_i，test，并认为K_i，test代表了各层催化剂活性大小的相对比例，则可取各层催化剂活性修正系数α_i相同，即K_i＝αK_i，test。因此，可用现场性能试验和实验室活性检测数据，回归得到修正系数α，进而得到催化剂在现场的真实活性，修正计算逻辑如图3所示。

本发明电厂SCR脱硝系统中催化剂活性的修正方法的具体步骤为，该方法包括如下步骤：

(1)获取修正对象电厂SCR脱硝系统现场性能试验数据及催化剂结构参数，具体包括：催化剂层数m、每层催化剂的体积V_i(m³)、每层催化剂的比表面积Ap_i(m²/m³)、烟气流量Q(m³/h)、入口烟气温度T(℃)、入口氨氮比γ_in、入口烟气压力P(Pa)、反应器进口NOx浓度C_NOx，in(ppm)、以及反应器出口NOx浓度C_NOx，out(ppm)；

(2)计算修正工况参数，设定修正系数初值：根据烟气流量Q、温度T、压力P，计算得到标况下的烟气流量根据每层催化剂的体积V_i和比表面积计算Ap_i每层催化剂的面速度

设置第一层催化剂入口NOx浓度C_NOx，in(ppm)；设置最后一层催化剂出口NOx浓度理论值C_NOx，out(ppm)；设置活性修正系数初值α[0]＝1.0；设置误差因子ε＝0.1ppm；

(3)获取催化剂表观活性：从上述检测结果中通过公式(1b)计算得到每层催化剂的表观活性K_i，test(Nm/h)，计算过程和公式(1a)计算过程相同，

K_i，test＝-AV_i，test·ln(1-η_i，NOx)，    (1b)

其中：K_i，test为第i层催化剂表观活性，Nm/h

AV_i，test为第i层催化剂样块的活性检测面速度，Nm/h

η_i，NOx为第i层催化剂样块的NOx脱除率；

(4)假设催化剂真实活性与表观活性之间存在线性比例关系，即K_i＝α_iK_i，test，并认为K_i，test(Nm/h)代表了各层催化剂活性大小的相对比例，则可取各层催化剂活性修正系数α_i相同，根据最新的修正系数计算每层催化剂的真实活性K_i＝αK_i，test，同时计算入口氨氮比γ_i，in，第一层催化剂入口氨氮比γ_1，in为现场性能试验参数获取，即入口氨氮比γ_in，以下各层入口氨氮比

其中，γ_i-1，in为第i-1层催化剂入口氨氮比，η_i-1为第i-1层催化剂脱硝效率；

然后由公式(2)计算每层催化剂的脱硝效率，在进行反应器性能计算时，采用逐层计算的方法，并认为上一次催化剂的出口烟气参数即为下一层催化剂的入口烟气参数，最后一层催化剂出口烟气参数即为反应器出口烟气参数，

${\mathrm{\&eta;}}_i=\left\{\begin{array}{c}1-e^{\frac{-K_i}{{\mathrm{AV}}_i}},({\mathrm{\&gamma;}}_{i,\mathrm{in}}\&GreaterEqual;1.0)\\ {\mathrm{\&gamma;}}_{i,\mathrm{in}}\&CenterDot;(1-e^{\frac{-K_i}{{\mathrm{AV}}_i}}),({\mathrm{\&gamma;}}_{i,\mathrm{in}}<1.0)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，η_i——第i层催化剂的NOx脱除率，

γ_i，in——第i层催化剂入口氨氮比，

K_i——第i层催化剂真实活性，Nm/h

AV_i——第i层催化剂的面速度，Nm/h

最后根据公式(3b)计算反应器出口NOx浓度C_NOx，cal，

C_NOx，cal＝C_NOx，in·(1-η₁)(1-η₂)…(1-η_m)        (3b)

式中，C_NOx，cal——反应器出口NOx浓度计算值，ppm

      C_NOx，in——反应器进口NOx浓度，ppm

      m——催化剂层数；

(5)计算反应器出口NOx浓度计算值C_NOx，cal(ppm)与NOx浓度理论值C_NOx，out(ppm)偏差的绝对值，若小于设置的误差因子ε，则保存并输出当前的修正系数α[n]和催化剂真实活性K_i(Nm/h)，迭代计算结束，若大于设置的误差因子ε，则继续进行下述步骤(6)；

(6)调整修正系数：在第一次迭代计算后，根据反应器出口NOx浓度计算值C_NOx，cal(ppm)与NOx浓度理论值C_NOx，out(ppm)偏差的大小，调整修正系数，若计算值大于理论值，则增大修正系数，若计算值小于理论值，则减小修正系数，调整步长为0.001；

(7)重复步骤(4)、(5)、(6)进行迭代计算，直至反应器出口NOx浓度计算值C_NOx，cal(ppm)与NOx浓度理论值C_NOx，out(ppm)偏差的绝对值小于设置的误差因子ε。

与现有技术相比，本发明能够显著提高火电厂SCR催化剂活性检测的准确性，从而为催化剂活性预测，反应性潜能预测，催化剂更新计划制定提供了准确的依据，能够显著提供催化剂活性预测和管理水平，为火电厂SCR脱硝系统乃至整个锅炉系统的安全经济运行提供了有力支撑。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是现有技术中SCR催化剂活性检测装置示意图；

图2是本发明催化剂活性修正方法流程图；

图3是本发明催化剂活性修正逻辑图。

具体实施方式

实施例

某600MW燃煤机组，安装有一套SCR烟气脱硝系统，包括A、B两个反应器。每个反应器填装有两层催化剂。催化剂结构参数、现场性能试验参数及催化剂表观活性检测值分别如表1、表2、表3所示，修正结果如表4所示。

表1：催化剂结构参数

表2：现场性能试验参数

表3：催化剂表观活性(Nm/h)

表4：催化剂活性修正结果

Claims (1)

1.一种电厂SCR脱硝系统中催化剂活性的修正方法，该方法包括如下步骤：

(1)获取修正对象电厂SCR脱硝系统现场性能试验数据及催化剂结构参数，具体包括：催化剂层数m、每层催化剂的体积V_i、每层催化剂的比表面积Ap_i、烟气流量Q、入口烟气温度T、入口氨氮比γ_in、入口烟气压力P、反应器进口NOx浓度C_NOx，in、以及反应器出口NOx浓度C_NOx，out；

(2)计算修正工况参数，设定修正系数初值：根据烟气流量Q、温度T、压力P，计算得到标况下的烟气流量

根据每层催化剂的体积V_i和比表面积计算Ap_i每层催化剂的面速度设置第一层催化剂入口NOx浓度C_NOx，in；设置最后一层催化剂出口NOx浓度理论值C_NOx，out；设置活性修正系数初值α[0]＝1.0；设置误差因子ε＝0.1ppm；

(3)获取催化剂表观活性：从上述检测结果中通过公式(1b)计算得到每层催化剂的表观活性K_i，test，

K_i，test＝-AV_i，test·ln(1-η_i，NOx)，    (1b)

其中：K_i，test为第i层催化剂表观活性，

AV_i，test为第i层催化剂样块的活性检测面速度，

η_i，NOx为第i层催化剂样块的NOx脱除率；

(4)假设催化剂真实活性与表观活性之间存在线性比例关系，即K_i＝α_iK_i，test，并认为K_i，test代表了各层催化剂活性大小的相对比例，则可取各层催化剂活性修正系数α_i相同，根据最新的修正系数计算每层催化剂的真实活性K_i＝αK_i，test，同时计算入口氨氮比γ_i，in，第一层催化剂入口氨氮比γ_1，in为现场性能试验参数获取，即入口氨氮比γ_in，以下各层入口氨氮比

其中，γ_i-1，in为第i-1层催化剂入口氨氮比，η_i-1为第i-1层催化剂脱硝效率；

然后由公式(2)计算每层催化剂的脱硝效率，在进行反应器性能计算时，采用逐层计算的方法，并认为上一次催化剂的出口烟气参数即为下一层催化剂的入口烟气参数，最后一层催化剂出口烟气参数即为反应器出口烟气参数，

${\mathrm{\&eta;}}_i=\left\{\begin{array}{c}1-e^{\frac{-K_i}{{\mathrm{AV}}_i}},({\mathrm{\&gamma;}}_{i,\mathrm{in}}\&GreaterEqual;1.0)\\ {\mathrm{\&gamma;}}_{i,\mathrm{in}}\&CenterDot;(1-e^{\frac{-K_i}{{\mathrm{AV}}_i}}),({\mathrm{\&gamma;}}_{i,\mathrm{in}}<1.0)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，η_i——第i层催化剂的NOx脱除率，

      γ_i，in——第i层催化剂入口氨氮比，

      K_i——第i层催化剂真实活性，

      AV_i——第i层催化剂的面速度，

最后根据公式(3b)计算反应器出口NOx浓度C_NOx，cal，

C_NOx，cal＝C_NOx，in·(1-η₁)(1-η₂)…(1-η_m)            (3b)

式中，C_NOx，cal——反应器出口NOx浓度计算值，

      C_NOx，in——反应器进口NOx浓度，

      m——催化剂层数；

(5)计算反应器出口NOx浓度计算值C_NOx，cal与NOx浓度理论值C_NOx，out偏差的绝对值，若小于设置的误差因子ε，则保存并输出当前的修正系数α[n]和催化剂真实活性K_i，迭代计算结束，若大于设置的误差因子ε，则继续进行下述步骤(6)；

(6)调整修正系数：在第一次迭代计算后，根据反应器出口NOx浓度计算值C_NOx，cal与NOx浓度理论值C_NOx，out偏差的大小，调整修正系数，若计算值大于理论值，则增大修正系数，若计算值小于理论值，则减小修正系数，调整步长为0.001；

(7)重复步骤(4)、(5)、(6)进行迭代计算，直至反应器出口NOx浓度计算值C_NOx，cal与NOx浓度理论值C_NOx，out偏差的绝对值小于设置的误差因子ε。

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