CN109078483B - 一种基于两级潜能折算的scr催化剂提效预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法，包括以下步骤：1)计算催化剂潜能两级折算系数；2)计算临界SCR反应器潜能；3)预测催化剂提效时间；4)制订催化剂提效方案。本发明得到催化剂单体与整体在不同条件下的性能折算规律，针对传统催化剂提效预测方法的不足，在现场和实验室检测数据研究基础上，提出了催化剂潜能两级折算系数模型，可针对临界SCR反应器潜能，准确预测催化剂提效时间，以及具体催化剂层的加装、再生、更换等详细方案。
Description
技术领域
本发明属于SCR烟气脱硝设备运行过程中的催化剂层寿命管理领域，具体涉及一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法。
背景技术
目前，火电机组普遍采用SCR烟气脱硝技术控制NOx排放，脱硝催化剂按“2+1”或者“3+1”分层布置，受烟气中化学成分及飞灰的物理化学影响，催化剂性能随运行时间增加而逐渐劣化，需周期性加装、再生、更换催化剂层提效，以保持整体脱硝性能，满足NOx达标排放和控制氨逃逸要求。
SCR催化剂提效决策需提前1年制订。专利CN104297008A和专利CN107158946A基于现场测试，用反应器潜能和氨逃逸浓度，整体预测SCR何时进行催化剂提效，但无法预测哪一层催化剂以及具体提效方案；专利CN105844083A用机组DCS显示的脱硝效率、喷氨量、氨逃逸及NOx排放浓度监控SCR整体性能，同样只能预测催化剂提效时间而无法预测具体方案，还因在线CEMS氨逃逸浓度不准确甚至失真而易导致错误预测。
催化剂性能可用活性K或者潜能P表征。传统利用实验室检测的在役每层催化剂活性K，按照劣化阀值0.65预测何时更换哪一层催化剂提效。活性K是在设计烟气参数(流量、温度及NOx浓度)及NH3/NO摩尔比为1.0条件下检测的单层催化剂性能表征值，单层催化剂与实验室串联催化剂、以及现场SCR反应器催化剂之间，存在着两次性能折算问题，但至今没有见到可靠的性能折算公开报道。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提出一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法，提出催化剂潜能两级折算系数模型，建立了多层催化剂叠加潜能、串联催化剂潜能、SCR反应器潜能之间的对应折算关系；可针对实际脱硝运行要求，预测SCR催化剂提效的时间和具体方案。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法，包括以下步骤：
1)每年定期检测在役每层催化剂的活性K，并计算潜能，以建立各层催化剂活性的时间劣化函数；
2)确定SCR氨逃逸浓度上限，结合实际运行SCR入口NOx浓度和NOx排放设定值，计算临界SCR反应器潜能；
3)利用在役多层催化剂叠加潜能和两级潜能折算系数，得到实际烟气条件下的SCR反应器潜能，根据催化剂活性的时间劣化函数，针对临界SCR反应器潜能，计算SCR催化剂可继续安全运行的时间，根据临界SCR反应器潜能、时间劣化函数以及性能保证时间，计算SCR脱硝提效时间以及提效应达到的最低SCR反应器潜能；
4)根据提效应达到的最低SCR反应器潜能，利用催化剂两级潜能折算系数，计算提效后多层催化剂叠加潜能，根据预测的提效时间点的在役每层催化剂潜能，确定应提效的催化剂层和具体方案。
进一步的，所述步骤1)具体为：每年定期在实验室检测在役每层催化剂活性，根据式(1)计算潜能，并回归活性时间劣化函数；根据式(2)计算第一级潜能折算系数，建立在NH3/NO摩尔比为1.0条件下的多层催化剂叠加潜能与设计条件下的串联催化剂潜能之间的对应关系；根据式(3)计算第二级潜能折算系数，建立设计条件下的串联催化剂潜能与实际烟气条件下的SCR反应器潜能之间的对应关系，
λ2＝a2×ln(PS)+b2 (3)
式中，λ1为第一级折算系数,λ2为第二级折算系数,a1、a2为函数系数,b1、b2为函数常数,PS为理想条件下的串联催化剂潜能,Pi为第i层催化剂潜能,Ki为第i层催化剂活性,Avi为第i层催化剂的面速度,i和n分别为在役催化剂的第i层和总层数。
进一步的，所述步骤2)具体为：根据湿法脱硫入口烟气SO2浓度、烟气中SO2/SO3转化率，计算空预器入口烟气SO3浓度；结合空预器出口烟气综合温度，以硫酸氢铵沉积系数10000为基准，根据式(4)估算SCR氨逃逸浓度上限值；根据SCR入口NOx浓度、NOx排放设定值和氨逃逸浓度上限，根据式(5)和式(6)计算SCR安全运行的性能下限临界SCR反应器潜能PR,C；
式中，
为氨逃逸浓度上限，
为空预器入口烟气中SO3浓度，Dn为硫酸氢铵沉积系数8000-15000，TABS为硫酸氢铵露点温度，TF为空预器排烟温度，TA为空预器入口冷风温度，PR,C为临界SCR反应器潜能，αC为NH3/NO摩尔比，CNOx,in为SCR入口烟气NOx浓度，CNOx,ex,C为NOx排放设定值，ηC为脱硝效率。
进一步的，所述步骤3)具体为：以在役每层催化剂潜能，根据式(7)经两级折算得到实际烟气条件下的SCR反应器潜能PR；根据催化剂活性的时间劣化函数，针对临界SCR反应器潜能，计算当前SCR催化剂可继续安全运行的时间，根据临界SCR反应器潜能、时间劣化函数以及性能保证时间，计算SCR脱硝提效时间以及提效应达到的最低SCR反应器潜能PR,I，
式中，PR为SCR反应器潜能。
进一步的，所述步骤4)具体为：利用催化剂两级潜能折算系数，将提效最低SCR反应器潜能PR,I反向折算为多层催化剂叠加潜能PC,I；针对在役每层催化剂在提效时点的潜能预测值，按照运行时间、物理结构和潜能等指标排序，找出SCR提效的第L层催化剂，根据式(8)计算第L层催化剂提效应达到的最低潜能PL，确定该层催化剂的加装、再生、更换方式，以及体积和活性等具体方案，
式中，PL为第L层催化剂提效后潜能，L为提效的第几层催化剂，PC,I为提效后多层催化剂叠加潜能，PR,I为提效最低SCR反应器潜能。
本发明的突出效果为：
本发明的一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法，得到催化剂单体与整体在不同条件下的性能折算规律，针对传统催化剂提效预测方法的不足，在现场和实验室检测数据研究基础上，提出了催化剂潜能两级折算系数模型，可针对临界SCR反应器潜能，准确预测催化剂提效时间，以及具体催化剂层的加装、再生、更换等详细方案。
附图说明
图1为本发明多层催化剂叠加潜能与串联催化剂潜能之间的对应折算关系图；
图2为本发明串联催化剂潜能与实际烟气条件下的SCR反应器潜能之间的对应折算关系图。
具体实施方式
本发明的一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法，包括以下步骤：
步骤1)：每年定期在实验室检测在役每层催化剂活性，根据式(1)计算潜能，并回归活性时间劣化函数；根据式(2)计算第一级潜能折算系数，建立在NH3/NO摩尔比为1.0条件下多层催化剂叠加潜能与设计条件下的串联催化剂潜能之间的对应关系(如图1所示)；根据式(3)计算第二级潜能折算系数，建立设计条件下的串联催化剂潜能与实际烟气条件下的SCR反应器潜能之间的对应关系(如图2所示)，
λ2＝a2×ln(PS)+b2 (3)
式中，λ1为第一级折算系数,λ2为第二级折算系数,a1、a2为函数系数,b1、b2为函数常数,PS为理想条件下的串联催化剂潜能,Pi为第i层催化剂潜能,Ki为第i层催化剂活性,Avi为第i层催化剂的面速度,i和n分别为在役催化剂的第i层和总层数。
步骤2)：根据湿法脱硫入口烟气SO2浓度、烟气中SO2/SO3转化率，计算空预器入口烟气SO3浓度；结合空预器出口烟气综合温度，以硫酸氢铵沉积系数10000为基准，根据式(4)估算SCR氨逃逸浓度上限值；根据SCR入口NOx浓度、NOx排放设定值和氨逃逸浓度上限，根据式(5)和式(6)计算SCR安全运行的性能下限临界SCR反应器潜能PR,C；
式中，
为氨逃逸浓度上限，
为空预器入口烟气中SO3浓度，Dn为硫酸氢铵沉积系数8000-15000，TABS为硫酸氢铵露点温度，TF为空预器排烟温度，TA为空预器入口冷风温度，PR,C为临界SCR反应器潜能，αC为NH3/NO摩尔比，CNOx,in为SCR入口烟气NOx浓度，CNOx,ex,C为NOx排放设定值，ηC为脱硝效率。
步骤3)：以在役每层催化剂潜能，根据式(7)经两级折算得到实际烟气条件下的SCR反应器潜能PR；根据催化剂活性的时间劣化函数，针对临界SCR反应器潜能，计算当前SCR催化剂可继续安全运行的时间，根据临界SCR反应器潜能、时间劣化函数以及性能保证时间，计算SCR脱硝提效时间以及提效应达到的最低SCR反应器潜能PR,I，
式中，PR为SCR反应器潜能。
步骤4)：利用催化剂两级潜能折算系数，将提效最低SCR反应器潜能PR,I反向折算为多层催化剂叠加潜能PC,I；针对在役每层催化剂在提效时点的潜能预测值，按照运行时间、物理结构和潜能等指标排序，找出SCR提效的第L层催化剂，根据式(8)计算第L层催化剂提效应达到的最低潜能PL，确定该层催化剂的加装、再生、更换方式，以及体积和活性等具体方案，
式中，PL为第L层催化剂提效后潜能，L为提效的第几层催化剂，PC,I为提效后多层催化剂叠加潜能，PR,I为提效最低SCR反应器潜能。
实施例
本实施例的某600MW机组于2012年12月完成SCR脱硝改造，设2台SCR反应器，初装两层高881mm、节距7.4mm的蜂窝式催化剂，体积为410.5m3。设计SCR入口NOx浓度为450mg/m3，出口NOx浓度为90mg/m3，脱硝效率为80％，氨逃逸浓度上限为3μL/L，化学寿命期为24000h。为满足NOx超低排放浓度小于50mg/m3要求，计划于2016年4月(累计运行约26674h)增加备用层催化剂。为此，根据催化剂运行状况进行了SCR催化剂提效预测。
1.根据对2012年12月初装新催化剂、2015年1月和2016年1月在役两层催化剂的活性检测，分别得到第一层和第二层催化剂的活性时间劣化函数(式9和式10)，预测2016年4月计划提效时间点的第一、二层的催化剂活性分别为29.7m/h和33.3m/h，潜能为1.43和1.60。其中，新催化剂的初始活性为39.8m/h，初始潜能为1.94，
K1,τ＝39.88×e-0.11×τ÷10000 (9)
K2,τ＝40.08×e-0.07×τ÷10000 (10)
式中，K1,τ为第1层催化剂活性；K2,τ为第2层催化剂活性；τ为累计运行小时数。
2.SCR实际运行入口NOx浓度约350mg/m3，比设计值450mg/m3低。超低排放按入口350mg/m3、出口40mg/m3设计。在氨逃逸浓度控制上限为3μL/L情况下，原设计、实际运行及超低排放改造的临界SCR反应器潜能分别为2.85、2.56及3.05。预测当前在役两层催化剂在2016年4月提效时的SCR反应器潜能约为2.75，满足当前SCR运行性能要求，但无法满足超低排放要求，SCR催化剂需提效。
3.超低排放改造后的化学寿命保证时间为24000h，根据临界SCR反应器潜能为3.05的要求，预测提效改造的最低SCR反应器潜能应达到3.45。利用催化剂潜能两级折算系数，计算提效后的多层催化剂叠加潜能为5.2。
4.提效时的在役第一、二层催化剂潜能分别为1.43和1.60，需新增潜能2.17，经综合比较，采取增加备用层催化剂提效方式。其第一级折算系数和第二级折算系数分别为0.761和0.860。
5.SCR备用层催化剂的吹灰器已安装，新催化剂需采取与第一二层催化剂相同的高度、节距和体积等外观尺寸。为此，只能增加新催化剂的活性成分，提高新催化剂的初始活性到45.1m/h，高于在役催化剂的初始活性39.8m/h，新催化剂的初始潜能也高于在役催化剂的初始潜能1.94。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)每年定期检测在役每层催化剂的活性K，并计算潜能，以建立各层催化剂活性的时间劣化函数；
2)确定SCR氨逃逸浓度上限，结合实际运行SCR入口NOx浓度和NOx排放设定值，计算临界SCR反应器潜能；
3)利用在役多层催化剂叠加潜能和两级潜能折算系数，得到实际烟气条件下的SCR反应器潜能，根据催化剂活性的时间劣化函数，针对临界SCR反应器潜能，计算SCR催化剂可继续安全运行的时间，根据临界SCR反应器潜能、时间劣化函数以及性能保证时间，计算SCR脱硝提效时间以及提效应达到的最低SCR反应器潜能；
4)根据提效应达到的最低SCR反应器潜能，利用催化剂两级潜能折算系数，计算提效后多层催化剂叠加潜能，根据预测的提效时间点的在役每层催化剂潜能，确定应提效的催化剂层和具体方案；
所述步骤1)具体为：每年定期在实验室检测在役每层催化剂活性，根据式(1)计算潜能，并回归活性时间劣化函数；根据式(2)计算第一级潜能折算系数，建立在NH3/NO摩尔比为1.0条件下的多层催化剂叠加潜能与设计条件下的串联催化剂潜能之间的对应关系；根据式(3)计算第二级潜能折算系数，建立设计条件下的串联催化剂潜能与实际烟气条件下的SCR反应器潜能之间的对应关系，
λ2＝a2×ln(PS)+b2 (3)
式中，λ1为第一级折算系数,λ2为第二级折算系数,a1、a2为函数系数,b1、b2为函数常数,PS为理想条件下的串联催化剂潜能,Pi为第i层催化剂潜能,Ki为第i层催化剂活性,Avi为第i层催化剂的面速度,i和n分别为在役催化剂的第i层和总层数。
2.根据权利要求1所述的一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：根据湿法脱硫入口烟气SO2浓度、烟气中SO2/SO3转化率，计算空预器入口烟气SO3浓度；结合空预器出口烟气综合温度，以硫酸氢铵沉积系数10000为基准，根据式(4)估算SCR氨逃逸浓度上限值；根据SCR入口NOx浓度、NOx排放设定值和氨逃逸浓度上限，根据式(5)和式(6)计算SCR安全运行的性能下限临界SCR反应器潜能PR,C；
式中，
为氨逃逸浓度上限，
为空预器入口烟气中SO3浓度，Dn为硫酸氢铵沉积系数8000-15000，TABS为硫酸氢铵露点温度，TF为空预器排烟温度，TA为空预器入口冷风温度，PR,C为临界SCR反应器潜能，αC为NH3/NO摩尔比，CNOx,in为SCR入口烟气NOx浓度，ηC为脱硝效率。
3.根据权利要求1所述的一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：以在役每层催化剂潜能，根据式(7)经两级折算得到实际烟气条件下的SCR反应器潜能PR；根据催化剂活性的时间劣化函数，针对临界SCR反应器潜能，计算当前SCR催化剂可继续安全运行的时间，根据临界SCR反应器潜能、时间劣化函数以及性能保证时间，计算SCR脱硝提效时间以及提效应达到的最低SCR反应器潜能PR,I，
式中，PR为SCR反应器潜能。
4.根据权利要求1所述的一种基于两级潜能折算的SCR催化剂提效预测方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：利用催化剂两级潜能折算系数，将提效最低SCR反应器潜能PR,I反向折算为多层催化剂叠加潜能PC,I；针对在役每层催化剂在提效时点的潜能预测值，按照运行时间、物理结构和潜能等指标排序，找出SCR提效的第L层催化剂，根据式(8)计算第L层催化剂提效应达到的最低潜能PL，确定该层催化剂的加装、再生、更换方式，以及体积和活性具体方案，
式中，PL为第L层催化剂提效后潜能，L为提效的第几层催化剂，PC,I为提效后多层催化剂叠加潜能，PR,I为提效最低SCR反应器潜能。
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2018
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