CN105893768B - 对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法，在活性估计过程中，该方法需要使用数据采集系统的在线运行参数数据，并结合催化剂定期化验数据和脱硝工艺与结构参数，利用脱硝过程中的化学反应模型估算脱硝效率，根据脱硝效率估计脱硝催化剂的活性。如果催化剂活性处于活性失活区域(约50％)，则考虑催化剂替换方案。对于催化剂替换方案，根据氮氧化物浓度分布测算、喷氨的累积计算，结合脱硝系统设计参数，利用类似方法得出局部催化剂活性情况，据此决定替换区域。基于本发明提出的催化剂活性估计模型的局部替换方案，有助于提高催化剂的利用效率，节约成本，延长火电厂脱硝催化剂的使用寿命。

Description

对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法

技术领域

本发明涉及一种对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法，属于锅炉热工参数测量领域。

背景技术

脱硝是降低NO_x排放的主要手段。目前我国的火电机组装置烟气脱硝的比例还不高。选择性催化还原(SCR)是燃煤电站烟气脱硝的主流工艺。SCR脱硝技术及SCR脱硝催化剂在20世纪七十年代发源于日本，并开始投入商业运用，20世纪八十年代开始先后转让到欧洲、美国等，并得到了进一步的发展和应用，现在已经成为一种成熟、可靠、解决NO_x排放的最佳技术。我国在SCR脱硝技术研究方面起步较晚，2006年才在消化吸收引进技术的基础上实现SCR催化剂的国产化。

催化剂是SCR脱硝技术的核心，许多化学反应都发生在催化剂上，其活性直接影响到NO_x的脱除效果。我国火电机组投运中的脱硝装置的设计脱硝率一般不低于85％，但实际平均脱硝率明显低于设计值，这里的原因主要是无法及时估算催化剂活性，导致失活的催化剂继续工作，从而降低了脱硝效率。

催化剂的置换费用十分高昂，其成本约占SCR系统总成本的50％。因此，SCR系统的运行成本在很大程度上取决于催化剂的寿命，其使用寿命又取决于催化剂活性的衰减速度。催化剂的失活主要有化学失活和物理失活。典型的SCR催化剂化学失活主要是由砷、碱金属、金属氧化物等引起的催化剂中毒。催化剂物理失活主要是由于高温烧结、磨损和固化微粒沉积堵塞而引起催化剂活性损坏。煤的特性对催化剂的组成、毛细孔尺寸、孔隙和体积有很大影响，并影响到催化剂的寿命(见表1)。在生产过程中，若能够对催化剂活性进行准确的估计，就能够通过合理排布等相应手段延长催化剂的使用寿命，从而大大提升经济效益。

表1催化剂基本形式及主要参数

目前，国内在催化剂性能估计方法：一是通过去除催化剂模块进行离线估计，操作复杂，并且催化剂模块的提取受锅炉运行的限制，尤其是无SCR反应器旁路时必须等锅炉停炉后提取；二是通过烟气分析仪，直接测定催化剂层上方和下方的NO_x浓度，根据NO_x浓度的变化情况来确定脱硝效率，该方法能反映催化剂层的整层工作性能情况，但在估计催化剂层各区域的失活方面具有一定局限性。

对于催化剂性能的评估技术，国外的成熟技术主要是中型反应器性能测试装置及方法。中型性能测试装置通过模拟电厂等催化剂实际运行烟气条件，无损伤测试整个脱硝催化剂单体性能，测试结果可以较好的反映脱硝催化剂的性能。但该测试装置存在用气量大、测量时间长、试验成本高等缺点。

经对现有文献检索发现，专利文献“一种SCR烟气脱硝催化剂性能测试方法及测试装置”(公告号CN102072947A)，公开了一种SCR烟气脱硝催化剂性能测试方法和测试装置，包括模拟烟气混合、加热、在烟气流量1～2Nm³/h通过催化剂的速度大于0.85m/s。通过催化剂的面速度与实际运行工况下面速度相同的条件下获得温度、压力和NO_x等相关数据，还提供了实现上述测试方法的装置。

因此，本文提出的燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计方法对国内火电脱硝方面有很好的借鉴意义，考虑到国内对环境问题的重视，该领域的研究前景广阔。

发明内容

本发明专利克服了现有技术中的缺点，提供了一种对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法，能够不停产监测脱硝催化剂活性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

烟气脱硝装置中催化剂设计寿命是指表观催化活性降至50％初始活性的运行时间，一般是为20000小时(约3年)。不同制造商的催化剂、不同功率的电站和燃烧器结构、不同的配风控制策略、不同的煤质将导致催化剂动态失活速率的不同。因此，全周期表观活性衰减估计对脱硝系统高效运行非常重要。

本发明将基于NOx浓度、喷氨质量、压差和氨逃逸率的数据，提供催化剂表观活性的估计方法，以此作为确定脱硝反应器最佳操作区域的重要依据，在完成对催化剂整体寿命估计的前提下，完成对催化剂各个分区的活性估计。

一种对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法，其包括如下步骤：

S1：仿真脱硝催化剂装置内部的流场速度和浓度分布特性，然后建立模型对所述仿真的结果进行验证；

S2：采集进出脱硝装置的NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率的原始数据，并对所述原始数据进行去除异常数据的处理；

S3：依据处理过的NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率原始数据，估算催化剂局部活性；

S4：在步骤S3进行的同时，根据NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率数据，结合工艺参数、结构参数，得到催化剂床层总体的脱硝效率，估算催化剂的整体活性；

S5：将步骤S4中得到的催化剂活性特性与催化剂寿命参考曲线进行对比，若脱硝效率低于50％，则说明催化剂失活严重；

所述喷氨量以质量计算；步骤S4中，所述的工艺参数包括脱硝系统中的阻力和温度、所述结构参数包括催化剂的几何尺寸。

作为优选方案，本发明还包括如下步骤：

S6：基于步骤S5获得的脱硝催化剂活性监测结果，通过网络线路传输到现场控制室的监控器中，以供运行人员对当前的操作提供有效的参考；

S7：对催化剂活性结果进行分析后，若局部失活严重，则对催化剂进行局部替换。

作为优选方案，步骤S1具体包括如下操作：利用Computational fluid Dynamics软件仿真脱硝催化剂装置内部的流场速度和浓度分布特性，然后用烟气脱硝冷态模型实验对所述仿真的结果进行验证。

作为优选方案，步骤S2具体包括如下操作：

采集进出脱硝装置的NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率的原始数据，并利用小波滤波算法对NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率的原始数据进行处理，去除异常数据。

作为优选方案，步骤S3具体包括如下操作：

依据处理过的NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率原始数据，结合工艺参数：脱硝系统阻力、温度，结构参数：催化剂几何尺寸和催化剂定期化验数据：比表面积、孔径/孔容、活性成分及含量、微观结构，估算催化剂局部活性。

作为优选方案，所述燃煤锅炉脱硝装置包括脱硝器、混合器、液氨储罐、氨气缓冲罐、液氨蒸发槽，所述脱硝器与混合器相连通，所述混合器与氨气缓冲罐相连通，所述氨气缓冲罐与液氨蒸发槽相连通，所述液氨蒸发槽与液氨储罐相连通。

作为优选方案，所述脱硝器的两端各设有一个喷氨栅格，所述喷氨栅格的底部设有传感器测量孔。

作为优选方案，所述脱硝器内填充有两层催化剂层和一层预留催化剂层，所述预留催化剂层设置于两层催化剂层之间。

作为优选方案，所述脱硝器还与一个省煤器和一个空气预热器相连通，所述省煤器和空气预热器分别设置于脱硝器的两侧。

作为优选方案，所述混合器还设置有稀释风机。

作为优选方案，还包括数据分析设备，所述数据分析设备与传感器测量孔电连。

简言之：本发明包括以下步骤：A.利用Computational fluid Dynamics(CFD)软件仿真脱硝催化剂装置内部流场速度和浓度分布特性，然后用烟气脱硝冷态模型实验对所述仿真的结果进行验证；；B.采集进出脱硝装置的NO_x浓度、喷氨质量、压差和氨逃逸率数据，并利用小波滤波算法对NO_x浓度、喷氨质量、压差和氨逃逸率的原始数据进行处理，去除异常数据；C.依据NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率的处理数据，结合工艺参数(脱硝系统阻力、温度)、结构参数(催化剂几何尺寸)和催化剂定期化验数据(比表面积、孔径/孔容、活性成分及含量、微观结构)，得到催化剂局部活性；D.根据NOx浓度、喷氨质量、压差和氨逃逸率数据，结合工艺参数(脱硝系统阻力、温度)、结构参数(催化剂几何尺寸)，得到催化剂床层总体的脱硝效率，估算催化剂的整体活性；E.将得到的催化剂活性特性与催化剂寿命参考曲线对比。如果脱硝效率低于设计值(50％)，说明催化剂失活比较严重。F.基于步骤E获得的脱硝催化剂活性监测结果，通过网络线路传输到现场控制室的监控器中，以供运行人员对当前的操作提供有效的参考；G.后期对催化剂活性结果分析中，如果局部失活严重，可以适用于催化剂局部替换方案。(催化剂寿命参考曲线由厂家给出，厂家模拟实际工况,根据催化剂实际性能得到各个工况点，最后经过调整得到一条参考曲线)。

本发明的优点在于：

1、在催化剂局部替换方案方面，考虑到现有技术的脱硝催化剂各区域失活不均匀，而且这些催化剂本身也具有毒性，为了提高资源的利用率，本发明采用局部替换催化剂层的方案，尤其对于失活较严重区域，可以利用再生的催化剂或新的催化剂进行区域替换，采用这种替换方式，操作简单，降低生产成本，延长了催化剂的使用寿命。

2、本发明提出的基于催化剂活性估计模型的局部替换方案，有助于延长火电厂脱硝催化剂的使用寿命。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为催化剂布置示意图；

图2为脱硝流程示意图；

图3为催化剂表观催化活性失活过程示意图；

图4为脱硝催化剂加装与更换管理示意图；

图5为SCR系统催化剂活性估计工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明进行催化剂活性估计所使用的改进的脱硝装置包括：脱硝器10、混合器6、液氨储罐9、氨气缓冲罐7、液氨蒸发槽8，脱硝器10与混合器6相连通，混合器6与氨气缓冲罐7相连通，氨气缓冲罐7与液氨蒸发槽8相连通，液氨蒸发槽8与液氨储罐9相连通。

脱硝器10的两端各设有一个喷氨栅格1，喷氨栅格1的底部设有传感器测量孔2。

脱硝器10内填充有两层催化剂层3和一层预留催化剂层4，预留催化剂层4设置于两层催化剂层3之间。

脱硝器10还与一个省煤器5和一个空气预热器相11连通，所述省煤器5和空气预热器11分别设置于脱硝器10的两侧。

混合器6还设置有稀释风机12。

本发明中，催化剂活性主要分为催化剂整体活性估计及局部活性估计两部分。一方面，在催化剂寿命参考曲线的基础上，利用现场采集数据、工艺参数和结构参数，对催化剂整体活性进行估计，用以进行整体寿命管理；另一方面，由于运行状况不同，各区域催化剂在实际过程中的损耗程度各异，有必要进行局部活性估计，即根据当前的氮氧化物浓度分布测算、历史喷氨的非均匀程度累积计算，结合脱硝系统自身设计参数和催化剂历史化验数据，实现催化剂局部活性估计，并给出局部替换方案。具体步骤如下：

步骤1：利用Computational fluid Dynamics(CFD)软件仿真脱硝催化剂装置内部流场速度和浓度分布特性，然后用烟气脱硝冷态模型实验对所述仿真的结果进行验证；

步骤2：在催化剂层中，催化剂层每隔一段距离都布置有相应的烟气测孔，即常规网络布点法，通过对烟气测孔的定时采样，得到NO_x浓度、喷氨质量、压差和氨逃逸率，利用小波滤波算法对NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率的原始数据进行处理，去除异常数据。

步骤3：依据以上参数数据，结合催化剂定期化验数据和工艺、结构参数(催化剂几何尺寸)和工艺参数(脱硝系统阻力、温度)和催化剂定期化验数据(比表面积、孔径/孔容、活性成分及含量、微观结构)，估算催化剂的局部活性；

步骤4：根据现场采集数据、结构参数和工艺参数，得到催化剂床层总体的脱硝效率，继而估算催化剂的整体活性。

步骤5：将得到的催化剂活性特性与催化剂寿命参考曲线对比，参考曲线如图3所示。催化剂寿命参考曲线由厂家给出，厂家模拟实际工况,根据催化剂实际性能得到各个工况点，最后经过调整得到一条参考曲线。SCR系统的脱硝效果与催化剂表观活性密切相关，一般认为催化剂活性降到50％左右之后即不可再继续投入使用，即催化剂“失活”，如果催化剂活性低于设计值(50％)，说明催化剂失活比较严重。当催化剂活性高于90％时，此时不需要检测活性，当催化剂活性降低在90％后，会每半年计算其活性。图3中的方框区域是如果活性进入这个区域，则催化剂将失活，值得警惕。前期催化剂活性下降的原因主要是催化剂烧结造成；后期催化剂失活原因除了中毒，还有机械损伤和表面堵塞等原因。

步骤6：基于步骤5获得的脱硝装置中的催化剂活性监测结果，通过锅炉的数据采集系统的上传接口，将结果上传到数据采集系统中进行协调控制，并通过网络线路传输到现场控制室的监控器中，以供运行人员对当前的操作提供有效的参考。

步骤7：如果催化剂活性低于设计值，利用步骤2测量数据，得出催化剂局部活性情况。从而决定局部替换催化剂区域。另外，催化剂运行过程中，根据脱硝催化剂的活性测试及运行工况分析制定催化剂的寿命管理计划(如图4)。图4描述了四次催化剂局部替换后的脱硝效率，由于每次替换后的催化剂使用寿命不确定，因此替换周期有长有短，需要根据检测结果进行催化剂的加装、更换、再生。

对于被替换的催化剂，需对催化剂性能及机械寿命进行测试，确定其是否具有再生价值。一般再生工艺主要步骤为：清扫除灰、清洗、化学清洗、浸泡、高温烘干等。催化剂再生后仍需进行性能测试，确定其是否达到要求性能。根据HJ562—2010《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法》，失活催化剂可采用再生或无害化处理。虽然催化剂属于微毒物质，但使用过程中烟气中的重金属可能在催化剂内聚集，这种情况下，使用后失活的SCR催化剂应作为危险废弃物来处理。

SCR催化剂活性估计的主要目的是为后期包括整体寿命管理及局部替换方案两方面在内的管理平台提供技术支撑。其总体架构如图5所示。在整体寿命管理方面，记录催化剂活性变化趋势；通过估算催化剂局部活性，采取相应的替换方案。

综上所述，在催化剂局部替换方案方面，考虑到现有技术的脱硝催化剂各区域失活不均匀，而且这些催化剂本身也具有毒性，为了提高资源的利用率，本发明采用局部替换催化剂层的方案，尤其对于失活较严重区域，可以利用再生的催化剂或新的催化剂进行区域替换，采用这种替换方式，操作简单，降低生产成本，延长了催化剂的使用寿命，同时，本发明提出的基于催化剂活性估计模型的局部替换方案，有助于延长火电厂脱硝催化剂的使用寿命。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：仿真脱硝催化剂装置内部的流场速度和浓度分布特性，然后建立模型对所述仿真的结果进行验证；

S2：采集进出脱硝装置的NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率的原始数据，并对所述原始数据进行去除异常数据的处理；

S3：依据处理过的NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率原始数据，估算催化剂局部活性；

S4：在步骤S3进行的同时，根据NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率数据，结合工艺参数、结构参数，得到催化剂床层总体的脱硝效率，估算催化剂的整体活性；

S5：将步骤S4中得到的催化剂活性特性与催化剂寿命参考曲线进行对比，若脱硝效率低于50％，则说明催化剂失活严重；

所述喷氨量以质量计算；步骤S4中，所述的工艺参数包括脱硝系统中的阻力和温度、所述结构参数包括催化剂的几何尺寸；

所述燃煤锅炉脱硝装置包括脱硝器、混合器、液氨储罐、氨气缓冲罐、液氨蒸发槽，所述脱硝器与混合器相连通，所述混合器与氨气缓冲罐相连通，所述氨气缓冲罐与液氨蒸发槽相连通，所述液氨蒸发槽与液氨储罐相连通；

所述脱硝器的两端各设有一个喷氨栅格，所述喷氨栅格的底部设有传感器测量孔；

所述脱硝器内填充有两层催化剂层和一层预留催化剂层，所述预留催化剂层设置于两层催化剂层之间；

所述脱硝器还与一个省煤器和一个空气预热器相连通，所述省煤器和空气预热器分别设置于脱硝器的两侧；

所述混合器还设置有稀释风机；

还包括数据分析设备，所述数据分析设备与传感器测量孔电连接。

2.如权利要求1所述的对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S6：基于步骤S5获得的脱硝催化剂活性监测结果，通过网络线路传输到现场控制室的监控器中，以供运行人员对当前的操作提供有效的参考；

S7：对催化剂活性结果进行分析后，若局部失活严重，则对催化剂进行局部替换。

3.如权利要求1所述的对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法，其特征在于，

步骤S1具体包括如下操作：利用Computational fluid Dynamics软件仿真脱硝催化剂装置内部的流场速度和浓度分布特性，然后用烟气脱硝冷态模型实验对所述仿真的结果进行验证。

4.如权利要求1所述的对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下操作：

采集进出脱硝装置的NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率的原始数据，并利用小波滤波算法对NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率的原始数据进行处理，去除异常数据。

5.如权利要求1所述的对燃煤锅炉脱硝装置中的催化剂活性估计的方法，其特征在于，

步骤S3具体包括如下操作：

依据处理过的NO_x浓度、喷氨量、压差和氨逃逸率原始数据，结合工艺参数：脱硝系统阻力、温度，结构参数：催化剂几何尺寸和催化剂定期化验数据：比表面积、孔径/孔容、活性成分及含量、微观结构，估算催化剂局部活性。