CN103592194A - 一种催化剂磨蚀性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化剂磨蚀性能测试装置及测试方法。装置包括供气系统、模拟试验系统和数据检测系统，模拟试验系统包括顺序连通的磨料混合室和磨蚀试验室，磨料混合室和磨蚀试验室均竖直设置；测试方法包括催化剂样品准备、磨蚀性能测试和数据处理，并提供了磨蚀率数据处理计算式。本发明解决了在不同条件下不能对催化剂试样的抗磨蚀性能进行统一准确评价的问题；通过对给料混合仓、样品仓垂直地面的分布，解决了水平分布的磨料分布不均匀的问题，更能模拟电厂催化剂的实际布置运行情况；同时，通过改变磨料性质、磨料的浓度、空气流速等方式，可以模拟不同工况下的燃煤电厂烟气条件对催化剂的磨损量，具有广泛的适用性。

Description

一种催化剂磨蚀性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，尤其属于催化剂性能评价检测技术领域，特别涉及一种催化剂磨蚀性能测试装置及测试方法。

背景技术

目前火力发电在我国的能源结构中仍然占据着举足轻重的地位，其它形式的燃煤应用也是目前能源获取的重要途径，然而燃烧排放的氮氧化物已成为大气环境主要污染物之一，因此，去除氮氧化物的烟气选择性催化还原技术（简称SCR）采用的脱硝催化剂在国内电厂得到了广泛应用。由于国内火电厂的烟气含尘量较高，催化剂的耐磨蚀性能就成了衡量催化剂性能的重要指标。

为了更准确地检测脱硝催化剂的性能，需要一种能快速、更准确地模拟脱硝催化剂实际应用环境、有效评价脱硝催化剂磨蚀性能的测试装置及测试方法。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种催化剂磨蚀性能测试装置及测试方法。本发明的目的是提供一种能有效模拟及评价SCR脱硝催化剂在高烟尘运行条件下耐磨蚀性能的测试装置及测试方法。

本发明装置通过以下技术方案实现：

催化剂磨蚀性能测试装置，包括供气系统、模拟试验系统和数据检测系统，其特征是：所述模拟试验系统包括顺序连通的磨料混合室和磨蚀试验室，磨料混合室和磨蚀试验室均竖直设置。

所述模拟试验系统包括顺序连通的调压稳压阀、流量计、磨料混合室和磨蚀试验室；所述调压稳压阀入口端与供气系统连通，所述磨蚀试验室出口端与数据检测系统的分离器连通，所述磨料混合室还与磨料加料机连通。

所述磨蚀试验室为管道形反应器、两端通过法兰与测试装置其它设备连通、催化剂样品外侧依次包裹陶瓷纤维纸和夹具并通过夹具固定于磨蚀试验室中心。

所述数据检测系统包括上端与模拟试验系统出口端连通的分离器、分离器下端连通的收集器，数据检测系统还包括设置于磨料混合室前部检测位的入口温度和压力检测装置、磨蚀试验室前部检测位的样品端温度和压力检测装置、和磨蚀试验室两端的U型压力计。

在磨蚀试验室前端与加料机之间连通设置有压力平衡管道。

本发明磨蚀性能测试装置将磨料混合室和磨蚀试验室均竖直设置，通过调节调压稳压阀分配定量的气体流经悬空的流量计、磨料混合室及有四角的的磨蚀试验室。在磨料混合室中由螺杆分配磨料至气流中。然后在流经催化剂后在分离器中与气体分离，并在收集器中收集。催化剂试样以陶瓷纤维纸为外壳放在样品仓支架钉上，并通过夹具固定并密封。测试时，测出并记录入口段的入口温度和压力及试样前端的样品端温度和压力。此外在经过催化剂前后的压力差可以由U型的压力计读出。为了顺利分配磨料到气流中，磨蚀试验室的压力通过压力平衡管道置入螺杆的存储器中，并可以取得读数。

本发明装置入口段设有调压稳压阀，气体流经流量计测得气体流速，流量计后端设有入口段的入口温度和压力检测点。在磨蚀试验室中样品前端设有样品端温度和压力检测点。在磨蚀试验室中两端连接U型压力计的两测量点。在磨蚀试验室的出口段连接分离器，分离器上端连接压缩空气出口管道，分离器下端连接收集器。

本发明采用不同粒径的刚玉粉作为磨料模拟不同煤种的加倍恶劣的烟尘条件。通过改变加料机的螺杆转速可改变空气中的磨料含量，模拟不同含尘量的烟尘条件。通过调压稳压阀来实现压缩空气流量的初步调节，根据入口段压力、温度，样品前端的压力、温度，可计算并调整样品前端的空气流速。空气和磨料的混合装置可按设定的比例，将磨料和空气定量混合均匀，以保证磨料在空气中的均匀分布。

本发明催化剂磨蚀性能测试方法包括催化剂样品准备、磨蚀性能测试和数据处理；

包括以下具体步骤：

催化剂样品准备：

从催化剂单体上整齐切下试样，打磨平整，并测量试样的长度、边长、壁厚，记录试样催化剂孔道数量，将试样浸在硬化液中硬化，硬化长度5-10mm，硬化时间10-20秒；干燥，放入煅烧炉中按以下程序煅烧：

步骤1：25℃到100℃    升温速率50℃/h

步骤2：100℃到150℃   升温速率25℃/h

步骤3：150℃恒温      2小时

步骤4：150℃到400℃   升温速率50℃/h

步骤5：400℃到室温    降温速率30℃/h

冷却后称量、记录试样质量，将样品四周用陶瓷纤维纸包裹后用夹具固定在磨蚀试验室内，硬化端面位于入口端；

磨蚀性能测试：

启动供气系统供气，调节调压稳压阀至气体流量为设定值，启动磨料加料机按设定速度加入定量的刚玉磨料；记录温度、空气流量、压力和U型压力计数据；记录刚玉磨料颗粒粒径；

磨蚀试验时间30分钟，结束后取出样品，清理后样品称量；记录收集器中的刚玉磨料质量；

数据处理：

将检测数据用下列计算式计算得到磨蚀率；

$X=(A_1-A_2)\×\frac{\frac{110\×0.5}{B\÷C}\×\frac{{40}^{2.8957}}{D^{2.8597}}\×\frac{95}{(E-F)}\×\frac{7.02}{G}}{A_1\×\frac{[H^2\×7.02+(H+1)\×1.17-H^2\×{7.02}^2]\×100}{(I^2-H^2\×J^2)\×E}}\×100$

其中：X是磨蚀率，单位%；A1是试样测前质量，单位克；A2是试样测后质量，单位克；Ｂ是刚玉磨料重量，单位克；Ｃ是实际体积流量，单位立方米/小时；D是空气流速，单位米/秒；E是试样长度，单位毫米；F是实际硬化长度，单位毫米；G是测后孔径，单位毫米；H是孔道数，单位个；I是边长，单位毫米；J是测前孔径，单位毫米。

本发明方法是在磨蚀试验室内将催化剂试样置于含有磨料的空气中，通过调整调压稳压阀实现空气流量和压力的调节，从而计算并控制样品端空气流速。调整磨料加料机螺杆的转速将定量的磨料输送到磨料混合室中，并与空气以一定的比列混合均匀后以需要的流速通过试样，磨料由分离器分离，并通过收集器回收，通过称量测定一定时间的磨料重量及试样重量损失计算和评价磨蚀率。

本发明将添加了磨料的空气按一定流速通过磨蚀试验室内的催化剂，通过测量磨料重量、催化剂的磨损量、催化剂的相关尺寸，将这些加速恶化的实验条件校正到到磨料浓度为110g/m³，空气流速为40m/s，试样非硬化端长度为95mm，硬化端长度为5mm，孔径为该节距单体设计孔径的标准测试平台，上述各条件的来源于德国KWH磨蚀率设计方法，便于不同催化剂产品之间的磨蚀效果比较，评价催化剂非硬化部分的耐磨蚀性能，确保催化剂产品的正常使用寿命。

本发明该装置及测试方法的优点：

解决了在不同空气湿度、不同海拔高度的不同海拔大气压下、不同样品尺寸、不同空气流速、不同配方催化剂、不同催化剂厂家生产的催化剂等条件下不能对试样的抗磨蚀性能进行统一准确评价的问题。

通过对给料混合仓、样品仓垂直地面的分布，解决了水平分布的磨料分布不均匀的问题，更能模拟电厂催化剂的实际布置运行情况；同时，通过改变磨料性质、磨料的浓度、空气流速等方式，可以模拟不同工况下的燃煤电厂烟气条件对催化剂的磨损量，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明装置示意图；

图2是本发明装置磨蚀试验室结构示意图；

图3是本发明装置磨蚀试验室横截面结构示意图。

图中，1是调压稳压阀，2是流量计，3是加料机，4是磨蚀试验室，5是分离器，6是收集器，8是磨料混合室，9是压力平衡管道，10是入口温度和压力测点，11是压力表，12是样品端温度和压力测点，13是U型压力计，14是料仓，15是陶瓷纤维纸，16是样品，17是夹具，18是法兰，F是气体进出方向。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。

结合图1至图3。

如图所示，本发明装置包括供气系统、模拟试验系统和数据检测系统。模拟试验系统包括顺序连通的磨料混合室8和磨蚀试验室4，磨料混合室8和磨蚀试验室4均竖直设置。

模拟试验系统包括顺序连通的调压稳压阀1、流量计2、磨料混合室8和磨蚀试验室4；调压稳压阀1入口端与供气系统连通，所述磨蚀试验室4出口端与数据检测系统的分离器5连通，所述磨料混合室8还与磨料加料机（3）连通。

磨蚀试验室4为管道形反应器、两端通过法兰18与测试装置其它设备连通、催化剂样品16外侧依次包裹陶瓷纤维纸15和夹具17并通过夹具17固定于磨蚀试验室4中心。

数据检测系统包括上端与模拟试验系统出口端连通的分离器5、分离器5下端连通的收集器6，数据检测系统还包括设置于磨料混合室8前部检测位的入口温度和压力检测装置10、磨蚀试验室4前部检测位的样品端温度和压力检测装置12、和磨蚀试验室4两端的U型压力计。

本发明装置还在磨蚀试验室4前端与加料机3之间设置有压力平衡管道9，以保证加料机3与整体系统的压力平衡，实现更准确磨料加入。

本发明装置的供气系统采用高压气泵或高压气瓶提供。

本发明催化剂磨蚀性能测试方法包括催化剂样品准备、磨蚀性能测试和数据处理；

包括以下具体步骤：

从催化剂单体上整齐切下试样，打磨平整，并测量试样的长度、边长、壁厚，记录试样催化剂孔道数量，将试样浸在硬化液中硬化，硬化长度5-10mm，硬化时间10-20秒；干燥，放入煅烧炉中按以下程序煅烧：

步骤1：25℃到100℃    升温速率50℃/h

步骤2：100℃到150℃   升温速率25℃/h

步骤3：150℃恒温      2小时

步骤4：150℃到400℃   升温速率50℃/h

步骤5：400℃到室温    降温速率30℃/h

冷却后称量、记录试样质量，将样品四周用陶瓷纤维纸包裹后用夹具固定在磨蚀试验室内，硬化端面位于入口端；

磨蚀性能测试：

启动供气系统供气，调节调压稳压阀至气体流量为设定值，启动磨料加料机按设定速度加入定量的刚玉磨料；记录温度、空气流量、压力和U型压力计数据；记录刚玉磨料颗粒粒径；

磨蚀试验时间30分钟，结束后取出样品，清理后样品称量；记录收集器中的刚玉磨料质量；

数据处理：

将检测数据用下列计算式计算得到磨蚀率；

$X=(A_1-A_2)\×\frac{\frac{110\×0.5}{B\÷C}\×\frac{{40}^{2.8957}}{D^{2.8597}}\×\frac{95}{(E-F)}\×\frac{7.02}{G}}{A_1\×\frac{[H^2\×7.02+(H+1)\×1.17-H^2\×{7.02}^2]\×100}{(I^2-H^2\×J^2)\×E}}\×100$

其中：X是磨蚀率，单位%；A1是试样测前质量，单位克；A2是试样测后质量，单位克；Ｂ是刚玉磨料重量，单位克；Ｃ是实际体积流量，单位立方米/小时；D是空气流速，单位米/秒；E是试样长度，单位毫米；F是实际硬化长度，单位毫米；G是测后孔径，单位毫米；H是孔道数，单位个；I是边长，单位毫米；J是测前孔径，单位毫米。

实施例1

实验1：调节装置的调压稳压阀1，使流经催化剂样品的流速达到18m/s，用刚玉粉作为磨料，添加量为20kg/h进行磨蚀实验，磨蚀时间为30分钟，试样节距为8.2mm，5*5孔，长度100mm。磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验2：调节磨蚀装置的调压稳压阀1，使流经催化剂样品的流速达到23m/s，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验3：调节磨蚀装置的调压稳压阀1，使流经催化剂样品的流速达到26m/s，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验4：调节磨蚀装置的调压稳压阀1，使流经催化剂样品的流速达到29m/s，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验5：调节磨蚀装置的调压稳压阀1，使流经催化剂样品的流速达到33m/s，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验6：调节磨蚀装置的调压稳压阀1，使流经催化剂样品的流速达到36m/s，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验7：调节磨蚀装置的调压稳压阀1，使流经催化剂样品的流速达到39m/s，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

试验结果

将上述各种磨蚀测试结果列于下面表1：

实施例2

实验8：调节磨蚀装置的调压稳压阀1，使流经催化剂样品的流速达到30m/s，用刚玉粉作为磨料，添加量为5kg/h进行磨蚀实验，磨蚀时间为30分钟，试样节距为8.2mm，5*5孔，长度100mm。磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验9：添加磨料的量为10kg/h进行磨蚀实验，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验10：添加磨料的量为15kg/h进行磨蚀实验，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验11：添加磨料的量为20kg/h进行磨蚀实验，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验12：添加磨料的量为25kg/h进行磨蚀实验，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

试验结果

将上述各种磨蚀测试结果列于下面表2：

实施例3

实验13：调节磨蚀装置的调压稳压阀1，使流经催化剂样品的流速达到30m/s，用刚玉粉作为磨料，添加量为20kg/h进行磨蚀实验，磨蚀时间为30分钟，试样节距为8.2mm，5*5孔，长度50.07mm。磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验14：试样长度处理为71.21mm，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验15：试样长度处理为87.16mm，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验16：试样长度处理为100.79mm，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

实验17：试样长度处理为111.15mm，其他条件不变，磨蚀过程中记录相关的温度、压力、压差、磨料质量等参数，用公式进行计算得到磨蚀结果。

试验结果

将上述各种磨蚀测试结果列于下面表3：

综上，如表1、2、3所示，其他条件不变的情况下，分别改变空气流速，磨料加入量，试样长度，利用公式及参数平台进行计算，得出在一定范围内，系统实验结果不受空气流速改变，磨料加入量改变，试样长度改变，空气湿度改变，单体硬化长度改变等影响因素条件改变的影响。说明本发明可以有效评估不同SCR催化剂单体的抗磨蚀性。

本发明测试方法在公式及参数平台内规定了磨料浓度为110g/m3，空气流速为40m/s，试样非硬化端长度为95mm，硬化端长度为5mm，孔径为该节距单体设计孔径，所有实测数据都在公式内进行了校正。通过校正实现了本发明装置及测试方法能有效评估不同SCR催化剂单体的抗磨蚀性。

Claims (6)

1.一种催化剂磨蚀性能测试装置，包括供气系统、模拟试验系统和数据检测系统，其特征是：所述模拟试验系统包括顺序连通的磨料混合室（8）和磨蚀试验室（4），磨料混合室（8）和磨蚀试验室（4）均竖直设置。

2.根据权利要求1所述的催化剂磨蚀性能测试装置，其特征是：所述模拟试验系统包括顺序连通的调压稳压阀（1）、流量计（2）、磨料混合室（8）和磨蚀试验室（4）；所述调压稳压阀（1）入口端与供气系统连通，所述磨蚀试验室（4）出口端与数据检测系统的分离器（5）连通，所述磨料混合室（8）还与磨料加料机（3）连通。

3.根据权利要求1或2所述的催化剂磨蚀性能测试装置，其特征是：所述磨蚀试验室（4）为管道形反应器、两端通过法兰（18）与测试装置其它设备连通、催化剂样品（16）外侧依次包裹陶瓷纤维纸（15）和夹具（17）并通过夹具（17）固定于磨蚀试验室（4）中心。

4.根据权利要求3所述的催化剂磨蚀性能测试装置，其特征是：所述数据检测系统包括上端与模拟试验系统出口端连通的分离器（5）、分离器（5）下端连通的收集器（6），数据检测系统还包括设置于磨料混合室（8）前部检测位的入口温度和压力检测装置（10）、磨蚀试验室（4）前部检测位的样品端温度和压力检测装置（12）、和磨蚀试验室（4）两端的U型压力计。

5.根据权利要求4所述的催化剂磨蚀性能测试装置，其特征是：在磨蚀试验室（4）前端与加料机（3）之间连通设置有压力平衡管道（9）。

6.一种催化剂磨蚀性能测试方法，包括催化剂样品准备、磨蚀性能测试和数据处理，其特征是包括以下具体步骤：

催化剂样品准备：

从催化剂单体上整齐切下试样，打磨平整，并测量试样的长度、边长、壁厚，记录试样催化剂孔道数量，将试样浸在硬化液中硬化，硬化长度5-10mm，硬化时间10-20秒；干燥，放入煅烧炉中按以下程序煅烧：

步骤1：25℃到100℃    升温速率50℃/h

步骤2：100℃到150℃   升温速率25℃/h

步骤3：150℃恒温      2小时

步骤4：150℃到400℃   升温速率50℃/h

步骤5：400℃到室温    降温速率30℃/h

冷却后称量、记录试样质量，将样品四周用陶瓷纤维纸包裹后用夹具固定在磨蚀试验室内，硬化端面位于入口端；

磨蚀性能测试：

启动供气系统供气，调节调压稳压阀至气体流量为设定值，启动磨料加料机按设定速度加入定量的刚玉磨料；记录温度、空气流量、压力和U型压力计数据；记录刚玉磨料颗粒粒径；

磨蚀试验时间30分钟，结束后取出样品，清理后样品称量；记录收集器中的刚玉磨料质量；

数据处理：

将检测数据用下列计算式计算得到磨蚀率；

$X=(A_1-A_2)\×\frac{\frac{110\×0.5}{B\÷C}\×\frac{{40}^{2.8957}}{D^{2.8597}}\×\frac{95}{(E-F)}\×\frac{7.02}{G}}{A_1\×\frac{[H^2\×7.02+(H+1)\×1.17-H^2\×{7.02}^2]\×100}{(I^2-H^2\×J^2)\×E}}\×100$

其中：X是磨蚀率，单位%；A1是试样测前质量，单位克；A2是试样测后质量，单位克；Ｂ是刚玉磨料重量，单位克；Ｃ是实际体积流量，单位立方米/小时；D是空气流速，单位米/秒；E是试样长度，单位毫米；F是实际硬化长度，单位毫米；G是测后孔径，单位毫米；H是孔道数，单位个；I是边长，单位毫米；J是测前孔径，单位毫米。

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