CN104297008A - 基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，测量烟气脱硝装置实际运行的进出口处的入口 NO 浓度、出口 NO 浓度和出口氨逃逸浓度，然后计算脱硝效率和脱硝装置进口处的 NH₃/NO 摩尔比，根据脱硝效率和 NH₃/NO 摩尔比计算脱硝装置潜能，从而回归得到脱硝装置潜能的劣化时间函数。本发明直接将现场的脱硝反应器装置作为性能检测对象，宏观反映脱硝装置实际烟气参数分布和催化剂堵塞状态下的运行情况，评估和预测更加准确；采用现场性能试验测试脱硝装置整体的进出口烟气参数，用于脱硝装置宏观寿命评估，提升了传统现场性能试验测试数据的应用深度；现场性能试验测试不需停机，减少了对发电机组的运行影响。

Description

基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法

技术领域

本发明属于火力发电厂选择性催化还原烟气脱硝领域，具体涉及一种基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法。

背景技术

火力发电厂在燃烧煤炭、天然气等化石燃料时，产生大量氮氧化物，对大气环境造成严重危害。在利用低氮燃烧技术大幅度降低炉内氮氧化物生成量的同时，为将氮氧化物排放浓度降低到100mg/m³甚至50mg/m³以下，还普遍采用选择性催化还原烟气脱硝技术进行深度氮氧化物控制。选择性催化还原烟气脱硝技术是在电站锅炉省煤器出口与空气预热器进口之间的300-400℃烟气温度区间布置脱硝装置，脱硝装置内安装多层钒钛基催化剂，喷入烟气中的氨气与氮氧化物在催化剂V₂O₅活性颗粒上进行还原反应。2013年底国内火力发电机组容量约8.62亿千瓦，如按2015年底全部配置烟气脱硝装置和每万千瓦容量配置8.0立方米催化剂计算，催化剂总量约69万立方米。

烟气脱硝装置常规按“2+1”模式初装两层催化剂，一层备用。烟气脱硝装置在运行过程中，受到飞灰物理堵塞、冲蚀及烟气毒化的影响，催化剂性能逐渐降低，为保持脱硝装置性能使氮氧化物持续稳定达标排放，需每2－3年就周期性分层更换催化剂，全国每年约需更换11.5万立方米，费用约34亿元。为根据催化剂实际运行性能和机组检修计划，制订合理的催化剂层增加或更换方案，实现环保达标排放，并尽可能延长催化剂寿命，需定期检测催化剂活性，回归催化剂活性劣化函数，并进行性能预测。

常规采用活性表征催化剂性能，采用潜能表征脱硝装置性能。传统的催化剂活性评估基于德国VGB脱硝催化剂检测标准：德国E.ON公司利用实验室中试平台模拟烟气检测单个催化剂单元体的活性，考虑催化剂堵塞估算装置潜能，美国FERco公司利用脱硝装置局部几个催化剂单元体检测装置潜能，这两种方法均设定烟气中NH₃/NO摩尔比为1.0，只测量脱硝效率，不测量氨逃逸浓度，利用脱硝效率法计算催化剂活性。美国Cormetech公司在实验室中试平台上，在实际的NH₃/NO摩尔比小于1.0条件下，测量脱硝效率和氨逃逸浓度，采用脱硝效率－氨逃逸法计算多层串联的催化剂活性。实验室中试检测装置能模拟脱硝装置的设计烟气条件，但需停机采集催化剂样品，部分机组连续运行时间接近2年，延长了催化剂检测周期，而局部在线法仅测试有限几个催化剂样品，均无法全面反映实际烟气分布和飞灰堵塞对整个脱硝装置性能的宏观影响，检测出的催化剂活性或装置潜能往往高于实际运行性能，由此制订的催化剂更换时间可能过于滞后，影响NOx达标排放。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在机组运行过程中利用现场性能试验数据评估脱硝装置潜能的预测方法。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，包括依次进行的如下步骤：

步骤(1)、在机组满负荷下，网格法测量脱硝装置的入口NO浓度、出口NO浓度和出口处的氨逃逸浓度，然后计算脱硝效率和进口处的NH₃/NO摩尔比，计算方法如下式：

$\mathrm{\η}=\frac{C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{in}}}-C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{ex}}}}{C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{in}}}}\×100,$

$\mathrm{MR}=\frac{\mathrm{\η}}{100}+\frac{C_{{\mathrm{NH}}_3}}{C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{in}}}},$

其中：为入口NO浓度，μL/L；为出口NO浓度，μL/L；η为脱硝效率，％；MR为NH₃/NO摩尔比；为氨逃逸浓度，μL/L；

步骤(2)、根据步骤(1)得到的脱硝效率和NH₃/NO摩尔比计算脱硝装置潜能，计算方法如下式：

$P=0.5\×\ln \frac{\mathrm{MR}}{(\mathrm{MR}-\mathrm{\η})\×(1-\mathrm{\η})},$

其中：P为脱硝装置潜能；

步骤(3)、分别在多个时间点重复所述的步骤(1)和步骤(2)，得到所述的多个时间点下的脱硝装置潜能，回归宏观的脱硝装置潜能劣化时间函数，用于预测脱硝装置的潜能变化和制订后期的脱硝催化剂增加或更换方案，所述的劣化时间函数为：

$P=P0\×\exp (-\frac{\mathrm{\τ}}{A});$

其中：Ρ0为初始脱硝装置潜能；τ为运行时间，h；A为时间常数，h。

优选地，步骤(1)中，在发电机组满负荷下，测量所述的入口NO浓度、所述的出口NO浓度和所述的氨逃逸浓度。

优选地，步骤(1)中，在测量所述的入口NO浓度、所述的出口NO浓度和所述的氨逃逸浓度前，先调整氨喷射系统中的喷氨支管蝶阀的开度，至所述的脱硝装置的出口NO分布相对标准偏差小于20％。

优选地，步骤(1)中，通过烟气采样分析系统采用网格法测量所述的脱硝装置的进出口处的烟道截面的NO/O₂浓度分布，然后用算术平均法计算出所述的入口NO浓度、所述的出口NO浓度。

进一步优选地，所述的烟气采样分析系统包括连接于所述的脱硝装置的进出口处的烟道截面上的多点取样格栅钢管、与所述的多点取样格栅钢管相连接的取样切换箱、与所述的取样切换箱相连通的取样次序控制器、与所述的取样次序控制器相连通的烟气分析仪。

优选地，步骤(1)中，采用代表点法以化学溶液法采集从所述的脱硝装置的出口处逃逸出的氨逃逸样本，然后采用离子电极法分析得到所述的氨逃逸浓度。

进一步优选地，所述的脱硝装置采集10～20个所述的氨逃逸样本。

优选地，所述的多个时间点至少为3个。

进一步优选地，每个所述的时间点下，均测量多个所述的入口NO浓度、所述的出口NO浓度和所述的氨逃逸浓度。

本发明的有益效果在于:

本发明直接将脱硝装置作为性能检测对象，能够真实反映脱硝装置整体的宏观入口烟气参数分布均匀性和催化剂整体的堵塞情况；利用脱硝装置实际运行时的NH₃/NO摩尔比，创造性地将适用于催化剂活性测定的脱硝效率-氨逃逸计算方法用于脱硝装置潜能评估，预测更加准确；采用现场性能试验测试脱硝装置整体的进出口烟气参数，用于脱硝装置的宏观寿命评估，提升了传统现场性能试验测试数据的应用深度；现场性能试验测试不需停机，减少了对发电机组的运行影响。

附图说明

附图1为电站锅炉选择性催化还原烟气脱硝系统示意图；

附图2为烟气采样分析系统示意图；

其中：1、锅炉；2、脱硝装置；3、空气预热器；4、底部灰斗；5、第一处烟道截面；6、喷氨格栅系统；7、静态混合器；8、导流板；9、第一层催化剂；10、第二层催化剂；11、备用层；12、第二处烟道截面；13、多点取样格栅钢管；14、取样切换箱；15、取样次序控制器；16、烟气分析仪。

具体实施方式

下面对本发明作进一步阐述，本发明是在脱硝催化剂性能的实验室中试和局部在线检测基础上，通过理论分析和大量的现场试验测试数据验证基础上完成的。主要经历了如下几个过程：

1)现有检测方法的分析

本发明首先对已有的烟气脱硝催化剂活性(或者装置潜能)检测方法进行了分析：基于烟气中NH₃/NO摩尔比为1.0，德国E.ON公司利用实验室中试检测平台和美国FERco公司利用脱硝装置局部在线催化剂，测量单层催化剂单元体样品的脱硝效率，利用脱硝效率法计算催化剂活性；美国Cormetech公司利用实验室中试检测平台，测量多层催化剂单元体串联后的脱硝效率和氨逃逸浓度，采用脱硝效率－氨逃逸法计算催化剂性能。这几种方法均无法全面反映脱硝装置整体的实际烟气参数分布和催化剂堵塞情况，为此，考虑将实验室中试检测平台拓展到脱硝装置本体，将脱硝效率－氨逃逸法由实验室延伸应用到现场脱硝装置，利用现场脱硝性能测试的实际运行脱硝效率和NH₃/NO摩尔比计算脱硝装置潜能，反映整个脱硝装置的宏观性能。

2)两种催化剂活性计算方法的理论分析与实验室检测对比

美国Cormetech公司利用脱硝效率－氨逃逸法计算催化剂活性(式1)，当NH₃/NO摩尔比等于1.0时，式1简化成脱硝效率法式5，即用于评估催化剂活性的脱硝效率法只是脱硝效率－氨逃逸法的一个特例。

$P=0.5\×\ln \frac{\mathrm{MR}}{(\mathrm{MR}-\mathrm{\η})\×(1-\mathrm{\η})}---\left(1\right)$

P＝-ln(1-η)  (5)

烟气脱硝还原反应为NH₃与NO等摩尔反应，喷入脱硝装置的NH₃除了与NO反应外均逃逸。在入口NO浓度恒定和NH₃/NO摩尔比为1.0情况下，根据设定的脱硝效率理论计算氨逃逸浓度，完全摒弃测量误差后，用式1和式5两种方法计算的脱硝装置潜能完全相等(表1)。

表1

在实验室中试平台上检测板式和蜂窝催化剂两种样品，每种样品均为两个单元体串联，在不同的NH₃/NO摩尔比工况下，测试脱硝效率和氨逃逸浓度，分别采用脱硝效率法和脱硝效率－氨逃逸法计算装置潜能(表2)。当NH₃/NO摩尔比从0.55(蜂窝为0.64)增加到1.02时，脱硝效率法得到的两个工况的装置潜能差异显著，脱硝效率－氨逃逸法得到的装置潜能比较接近，至于脱硝效率－氨逃逸法计算的装置潜能偏差，则可能与测试准确度有关。

表2

3)脱硝装置潜能的现场试验测试数据验证

对11台机组进行了脱硝现场性能试验测试，在机组满负荷下调整喷氨流量，控制脱硝效率在57～94％范围变化，测量入口NO浓度、脱硝效率和氨逃逸浓度，采用脱硝效率－氨逃逸法计算脱硝装置潜能，11台机组34个工况的试验结果汇总于表3。每台机组的多个工况为一组，11组工况的最大绝对偏差为0.11，相对偏差为-2.0～1.8％，说明现场性能试验能够准确测量脱硝效率和氨逃逸，由此计算的装置潜能具有很好的重复性。

表3

脱硝装置进口烟道喷氨不均匀时，会造成脱硝装置出口局部区域氨逃逸浓度过大，常规用脱硝装置出口NO分布的相对标准偏差来表征NH₃/NO摩尔比的分布均匀性，并影响脱硝装置潜能。5台机组脱硝喷氨优化前后的装置潜能变化见表4，出口NO分布相对标准偏差减小，喷氨均匀性提高，装置潜能增加。

表4

与实验室中试检测平台的理想烟气条件相比，脱硝装置性能受到实际运行烟气参数分布均匀性和催化剂堵灰的严重影响，导致现场试验得到的装置潜能普遍低于实验室检测结果(表5)，但也更好地从宏观上反映了脱硝装置的实际运行情况。

表5

4)发明应用案例

本发明采用的电站锅炉选择性催化还原烟气脱硝系统如图1所示，包括锅炉1、空气预热器3、布置在锅炉1的锅炉省煤器出口和空气预热器3之间的烟道上的脱硝装置2。脱硝装置2的进口垂直烟道的底部设置有底部灰斗4，主要用于除去烟气中对催化剂影响较大的大颗粒飞灰。脱硝装置的进口水平烟道上设置有用于进行网格法测试的第一处烟道截面5，脱硝装置2的进口垂直烟道上设置有喷氨格栅系统6，可根据脱硝装置出口烟道截面的NO浓度分布，调节对应的喷氨支管的气氨流量蝶阀开度，改善脱硝装置入口NH₃/NO摩尔比分布均匀性。喷氨格栅系统6的上方设置有静态混合器7，用于加强喷入烟道的氨气与烟气的混合。脱硝装置2内还设置有导流板8，用于提高顶层催化剂上方的烟气流速分布均匀性。脱硝装置2初期已安装的第一层催化剂9、第二层催化剂10、用于安装备用催化剂的备用层11，当初装催化剂性能降低到不能满足环保要求时，在备用层11增加备用催化剂。脱硝装置2的出口烟道上设置有用于进行网格法测试和氨逃逸代表点法取样的第二处烟道截面12。

本发明采用的烟气采样分析系统如图2所示，包括连接于脱硝装置2的进出口处的第一处烟道截面5和第二处烟道截面12上的多点取样格栅钢管13、与多点取样格栅钢管13相连接的取样切换箱14、与取样切换箱相连通的取样次序控制器15、与取样次序控制器相连通的烟气分析仪16。

具体技术方案如下：

步骤(1)、测试基准负荷。每次现场性能试验时，均需在机组满负荷下进行，减小实际运行烟气流量和烟气温度与设计参数的偏差，并使每次测量处于相对稳定的平衡基准。

步骤(2)、喷氨优化调整。网格法测量脱硝装置出口截面的NO/O₂浓度分布，调整脱硝氨喷射系统对应的喷氨支管蝶阀开度，经过多轮调节，使脱硝装置的出口NO分布相对标准偏差小于20％，改善进口烟气中NH₃/NO摩尔比分布均匀性。

步骤(3)、满负荷变效率测试。在机组满负荷下和喷氨优化调整后，调整装置入口喷氨总量，改变脱硝效率和氨逃逸浓度，至少进行3个变效率试验工况，每个试验工况进行如下测试和计算：

网格法同步测量脱硝装置进出口烟道截面的NO/O₂浓度分布，计算进出口的NO浓度的算术平均值，得到脱硝效率η(式3)和出口NO分布相对标准偏差。

在测量脱硝效率的同时，在脱硝装置出口烟道以化学溶液法采集氨逃逸样品，采用离子电极法分析。根据脱硝装置出口NO分布，采用代表点法采集氨逃逸样品(常规每台脱硝装置采集6个样品，600兆瓦等级以上机组采集9个样品)，计算氨逃逸平均值。结合已测得的脱硝效率，利用式4计算装置入口的NH₃/NO摩尔比MR。

步骤(4)、满负荷下装置潜能。根据变效率试验测得的脱硝效率和NH₃/NO摩尔比，利用式1计算各工况的装置潜能，剔除偏差过大的工况数据，剩余工况的装置潜能取算术平均值，作为脱硝装置的当前脱硝装置潜能。

步骤(5)、在脱硝装置投运后，每年至少1次对脱硝装置进行上述1～4步的现场性能试验测试，获得脱硝装置运行过程中的多个时间点的装置潜能。至少进行3次现场试验测试后，根据测试结果回归脱硝装置潜能劣化时间函数(式2)，用于预测和制订后期的脱硝催化剂增加或更换方案。现场测试的装置潜能是在运行的所有催化剂层的整体性能表现。

$P=0.5\×\ln \frac{\mathrm{MR}}{(\mathrm{MR}-\mathrm{\η})\×(1-\mathrm{\η})}---\left(1\right)$

$P=P0\×\exp (-\frac{\mathrm{\τ}}{A})---\left(2\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{in}}}-C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{ex}}}}{C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{in}}}}\×100---\left(3\right)$

$\mathrm{MR}=\frac{\mathrm{\η}}{100}+\frac{C_{{\mathrm{NH}}_3}}{C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{in}}}}---\left(4\right)$

式中：

P－脱硝装置潜能

Ρ0－初始脱硝装置潜能

－入口NO平均浓度，μL/L

－出口NO平均浓度，μL/L

η－脱硝效率，％

MR－NH₃/NO摩尔比(≤1.0)

－氨逃逸浓度，μL/L

τ－运行时间，h

A－时间常数，h。

选择一台W火焰无烟煤机组，采用本发明的技术方案进行了脱硝装置潜能评估和预测。蜂窝催化剂按“2+1”模式初装491m³，设计NOx浓度1100mg/m³、烟气温度403℃、烟气流量1879371Nm³/h，化学寿命16000小时，脱硝效率52％，氨逃逸浓度不大于3μL/L。脱硝装置投运后，实际烟气参数偏离设计较大：NOx浓度降低到560～700mg/m³，烟气流量减少9.1％，烟气温度降低30℃。根据现有的3次现场性能测试数据，利用脱硝效率－氨逃逸法计算装置潜能，初步回归了装置潜能劣化函数(Ρ0＝3.94，A＝66000h)。

脱硝装置累计投运19464小时，在机组满负荷下，变效率试验工况得到装置潜能为2.91-3.0，平均为2.96，氨逃逸为3μL/L对应的最大安全脱硝效率为76.5％。按入口NOx浓度695mg/m³和环保排放200mg/m³考虑，继续运行2586h后(脱硝效率71.2％、氨逃逸浓度3μL/L、装置潜能2.82)，需停机增加备用层催化剂。

备用层催化剂如按相同体积245.5m³增加时，为满足200mg/m³排放和氨逃逸不大于3μL/L，新旧3层催化剂可再运行34900h小时。第一层更换为相同体积的新催化剂245.5m³后，可继续运行22300小时。

增加备用层催化剂时，如按50mg/m³环保排放和24000小时化学寿命考虑，需将脱硝效率提高到92.8％，备用层催化剂由245.5m³增加到302.5m³。

表6

5)结论

经过理论分析、实验室中试检测以及现场试验测试数据研究后，最终形成了本发明“基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法”的技术方案，并利用大量的现场试验测试数据进行了验证，验证结果合理。

上述实施案例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，其特征在于：包括依次进行的如下步骤：

步骤(1)、在机组满负荷下，网格法测量脱硝装置的入口NO浓度、出口NO浓度和出口处的氨逃逸浓度，然后计算脱硝效率和进口处的NH₃/NO摩尔比，计算方法如下式：

$\mathrm{\η}=\frac{C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{in}}}-C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{ex}}}}{C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{in}}}}\×100,$

$\mathrm{MR}=\frac{\mathrm{\η}}{100}+\frac{C_{{\mathrm{NH}}_3}}{C_{{\mathrm{NO}}_{\mathrm{in}}}},$

其中：为入口NO浓度，μL/L；为出口NO浓度，μL/L；η为脱硝效率，％；MR为NH₃/NO摩尔比；为氨逃逸浓度，μL/L；

步骤(2)、根据步骤(1)得到的脱硝效率和NH₃/NO摩尔比计算脱硝装置潜能，计算方法如下式：

$P=0.5\×\ln \frac{\mathrm{MR}}{(\mathrm{MR}-\mathrm{\η})\×(1-\mathrm{\η})},$

其中：P为脱硝装置潜能；

步骤(3)、分别在多个时间点重复所述的步骤(1)和步骤(2)，得到所述的多个时间点下的脱硝装置潜能，回归宏观的脱硝装置潜能劣化时间函数，用于预测脱硝装置的潜能变化和制订后期的脱硝催化剂增加或更换方案，所述的劣化时间函数为：

$P=P0\×\exp (-\frac{\mathrm{\τ}}{A});$

其中：P0为初始脱硝装置潜能；τ为运行时间，h；A为时间常数，h。

2.根据权利要求1所述的基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，其特征在于：步骤(1)中，在发电机组满负荷下，测量所述的入口NO浓度、所述的出口NO浓度和所述的氨逃逸浓度。

3.根据权利要求1所述的基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，其特征在于：步骤(1)中，在测量所述的入口NO浓度、所述的出口NO浓度和所述的氨逃逸浓度前，先调整氨喷射系统中的喷氨支管蝶阀的开度，至所述的脱硝装置的出口NO分布相对标准偏差小于20％。

4.根据权利要求1所述的基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，其特征在于：步骤(1)中，通过烟气采样分析系统采用网格法测量所述的脱硝装置的进出口处的烟道截面的NO/O₂浓度分布，然后用算术平均法计算出所述的入口NO浓度、所述的出口NO浓度。

5.根据权利要求4所述的基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，其特征在于：所述的烟气采样分析系统包括连接于所述的脱硝装置的进出口处的烟道截面上的多点取样格栅钢管、与所述的多点取样格栅钢管相连接的取样切换箱、与所述的取样切换箱相连通的取样次序控制器、与所述的取样次序控制器相连通的烟气分析仪。

6.根据权利要求1所述的基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，其特征在于：步骤(1)中，采用代表点法以化学溶液法采集从所述的脱硝装置的出口处逃逸出的氨逃逸样本，然后采用离子电极法分析得到所述的氨逃逸浓度。

7.根据权利要求6所述的基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，其特征在于：所述的脱硝装置采集10～20个所述的氨逃逸样本。

8.根据权利要求1所述的基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，其特征在于：所述的多个时间点至少为3个。

9.根据权利要求8所述的基于现场性能测试的脱硝装置潜能评估与预测方法，其特征在于：每个所述的时间点下，均测量多个所述的入口NO浓度、所述的出口NO浓度和所述的氨逃逸浓度。