CN109603517A - 一种火电厂scr脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，包括：将各层催化剂失活方程、脱硝效率方程、反应器脱硝效率方程及第2、3层催化剂入口氨氮比方程建立成数学模型，根据所述数学模型对催化剂寿命进行预测。本发明采用数学建模能够更好的对催化剂寿命进行预测，并改变了传统的始终更换活性最低层催化剂的思路，延长了反应器整体催化剂寿命。

Description

一种火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法

技术领域

本发明属于火电厂大气污染控制技术领域，尤其涉及一种火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法。

背景技术

选择性催化还原脱硝技术是目前脱除烟气中氮氧化物最有效、应用最广泛的技术。催化剂是火电厂SCR脱硝系统的核心，其在运行过程中会缓慢失活，及时更换失活催化剂或者加装新催化剂是保证SCR脱硝系统高效经济运行的关键。为了简化催化剂寿命管理计算过程，大部分研究均将反应器入口氨氮摩尔比等于1作为假设条件进行模拟计算，此方法虽简单易行，但与电厂实际运行状态不符，会对催化剂的更换或加装时间设计造成较大的误差。另外，由于对反应器失效时间的评判标准不同，计算得到的催化剂更换时间也有所区别。

发明内容

本发明的目的是提供一种火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，以火电厂实际运行情况为基础，将反应器出口氨逃逸量作为更换或加装催化剂的标准，以真实工况(氨氮摩尔比小于1)为建模条件，并且考虑了反应器间氨氮摩尔比变化的情况，建立了催化剂寿命管理模型,用于得到准确的SCR脱硝催化剂加装、更换时间及策略。

本发明提供了一种火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，包括：将各层催化剂失活方程、脱硝效率方程、反应器脱硝效率方程及第2、3层催化剂入口氨氮比方程建立成数学模型，根据该数学模型对催化剂寿命进行预测。

进一步地，该方法包括如下步骤：

步骤1，利用催化剂活性中试装置并以实际电厂的烟气参数作为测试条件，对SCR反应器内各层催化剂活性进行检测；

步骤2，确定边界条件；所述边界条件包括各层催化剂的出厂活性、SCR反应器出口氨逃逸率、反应器入口氨氮比及SCR脱硝催化剂活性检测过程中所采集的各层催化剂的失活速率、面速度；

步骤3，对第1、2、3层催化剂失活方程、脱硝效率方程，反应器脱硝效率方程，第2、3层催化剂入口氨氮比方程进行数学建模，构建成存在唯一解的非线性方程组，所述建立的非线性方程组中存在第1、2、3层催化剂剩余活性、脱硝效率，催化剂的运行时间，第2、3层催化剂入口氨氮比共9个未知变量；

步骤4，基于迭代法对步骤3中非线性方程组进行求解，得到反应器出口氨逃逸达到3ppm时催化剂的运行时间、各层催化剂的剩余活性、脱硝效率；

步骤5，将步骤3所建数学模型应用于可能的催化剂层加装、更换、换位方案中，对所有可能方案进行步骤4计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案；

步骤6，根据步骤5的计算结果，绘制催化剂寿命管理曲线。

进一步地，步骤1包括：

以氨氮摩尔比小于1的真实工况为建模条件，并综合考虑反应器入口氨氮摩尔比以及反应器内部各层催化剂入口氨氮摩尔比变化。

进一步地，步骤3中数学建模过程包括：

利用中试装置并以实际电厂的烟气参数作为测试条件对催化剂进行测量，活性计算式为：

式中：k为催化剂的活性，m/h；M_R为氨氮摩尔比；η为脱硝效率；A_v为催化剂的面速度，m/h；

将上式变形后，得到每层催化剂脱硝效率和催化剂活性的关系为：

根据催化剂的整体失活特性，其失活方程具有指数型特征，方程描述为：

上式微分方程的特定解为：

k＝k₀exp(-Qt)；

式中，K₀为初始活性，m/h；Q为失活速率，m/h；t为催化剂的服役时间，h；

装有3层催化剂的SCR反应器，各层催化剂失活方程如下：

k₁＝k₀exp(-Q₁t) (4)

k₂＝k₀exp(-Q₂t) (5)

k₃＝k₀exp(-Q₃t) (6)

SCR脱硝催化剂反应器出口的NO_x浓度计算为：

式中：为反应器入口NO_x浓度，mg/m³；为反应器出口NO_x浓度，mg/m³；

将上式带入到反应器脱硝效率计算公式：

可得：

第2、3层催化剂的氨氮摩尔比M_R，2、M_R，3的值利用上一层催化剂的脱硝效率和氨氮摩尔比表示，计算公式为：

由方程(1)～(9)构成非线性方程组，基于迭代法对该模型进行求解，得到反应器出口氨逃逸达到3ppm时催化剂的运行时间、各层催化剂的剩余活性、脱硝效率。

进一步地，步骤5中催化剂层加装、更换、换位策略优化最优方案包括：

反应器内催化剂层自上向下定义为A、B、C，更换催化剂位置时字母不变而字母顺序相应改变，更换催化剂时则在字母后添加“’”表示；

反应器内初装两层催化剂，即为AB方案，当2层催化剂由于失活不能满足电厂脱硝要求时，采用进一步加装第3层催化剂的方法提高反应器脱硝效率，当不允许催化剂到层换位时仅有1种ABC方案；当允许催化剂到层换位时，则有CAB、ACB、BCA、BAC、CBA方案，对6种方案进行步骤4计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案。

进一步地，步骤5中催化剂层加装、更换、换位策略优化最优方案还包括；

当备用层催化剂投入使用后再次不满足脱硝要求时，更换其中某一层催化剂，以后继续更换不同的催化剂层以确保脱硝性能；

该过程中存在着多种可能的催化剂管理方案，包括AB→ABC→A’BC；

基于催化剂更换时，不会更换最新一层的催化剂，当不允许催化剂到层换位时仅有2种方案，即AB→ABC→A’BC、AB→ABC→AB’C；当允许催化剂到层换位时有10种方案，即AB→CAB→CA’B、AB→CAB→CAB’、AB→ACB→A’CB、AB→ACB→ACB’、AB→BCA→BCA’、AB→BCA→B’CA、AB→BAC→B’AC、AB→BAC→BA’C、AB→CBA→CB’A、AB→CBA→CBA’；

对12种方案进行步骤4计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案。

借由上述方案，通过火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，采用数学建模能够更好的对催化剂寿命进行预测，并改变了传统的始终更换活性最低层催化剂的思路，延长了反应器整体催化剂寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明脱硝结构示意图；

图2为本发明方案1、方案2催化剂寿命与脱硝效率、氨逃逸率之间关系曲线图一；

图3为本发明方案1、方案2催化剂寿命与脱硝效率、氨逃逸率之间关系曲线图二。

图中标号：

1-锅炉省煤器出口；

2-第一弯折烟道；21-第一导流板；

3-竖直烟道；31-喷氨格栅；32-圆盘型气固两相均流装置；

4-第二弯折烟道；41-导流板；

5-反应器；51-第一层催化剂；52-第二层催化剂；53-第三层催化剂；

6-第三弯折烟道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供了一种火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，包括：将各层催化剂失活方程、脱硝效率方程、反应器脱硝效率方程及第2、3层催化剂入口氨氮比方程建立成数学模型，根据所述数学模型对催化剂寿命进行预测。

该方法具体包括如下步骤：

步骤1，利用催化剂活性中试装置并以实际电厂的烟气参数作为测试条件，对SCR反应器内各层催化剂活性进行检测；

步骤2，确定边界条件；所述边界条件包括各层催化剂的出厂活性、SCR反应器出口氨逃逸率、反应器入口氨氮比及SCR脱硝催化剂活性检测过程中所采集的各层催化剂的失活速率、面速度；

步骤3，对第1、2、3层催化剂失活方程、脱硝效率方程，反应器脱硝效率方程，第2、3层催化剂入口氨氮比方程进行数学建模，构建成存在唯一解的非线性方程组，所述建立的非线性方程组中存在第1、2、3层催化剂剩余活性、脱硝效率，催化剂的运行时间，第2、3层催化剂入口氨氮比共9个未知变量；

步骤4，利用数学软件基于迭代法对步骤4中非线性方程组进行求解，可得到反应器出口氨逃逸达到3ppm时催化剂的运行时间、各层催化剂的剩余活性、脱硝效率等；

步骤5，将步骤3所建数学模型应用于可能的催化剂层加装、更换、换位方案中，对所有可能方案进行步骤4计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案；

步骤6，根据步骤5的计算结果，绘制催化剂寿命管理曲线。

该火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，利用催化剂活性中试装置并以电厂实际烟气参数作为测试条件，对SCR反应器内各层催化剂活性进行检测。将各层催化剂的出厂活性、SCR反应器出口氨逃逸率、反应器入口氨氮比及SCR脱硝催化剂活性检测过程中所采集的各层催化剂的失活速率、面速度作为边界条件。选用各层催化剂失活方程、脱硝效率方程，反应器脱硝效率方程，第2、3层催化剂入口氨氮比方程建立成数学模型。以反应器内装设三层催化剂为例，该数学模型为一9阶非线性方程组，且该非线性方程组满足存在唯一解的充要条件。利用数学软件基于迭代法对该模型进行求解，可得到反应器出口氨逃逸达到3ppm时催化剂的运行时间、各层催化剂的剩余活性、脱硝效率等。再将该数学模型应用于可能的催化剂层加装、更换、换位方案中，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案。采用的数学建模方法能够更好的对催化剂寿命进行预测，并改变了传统的始终更换活性最低层催化剂的思路，延长了反应器整体催化剂寿命。

在本实施例中，步骤1包括：

以氨氮摩尔比小于1的真实工况为建模条件，并综合考虑反应器入口氨氮摩尔比以及反应器内部各层催化剂入口氨氮摩尔比变化，使模型准确度更高。

在本实施例中，步骤3中数学建模过程包括：

利用中试装置并以实际电厂的烟气参数作为测试条件对催化剂进行测量，活性计算式为：

式中：k为催化剂的活性，m/h；M_R为氨氮摩尔比；η为脱硝效率；A_v为催化剂的面速度，m/h；

将上式变形后，可得每层催化剂脱硝效率和催化剂活性的关系为：

根据催化剂的整体失活特性，其失活方程一般具有指数型特征，方程描述为：

上式微分方程的特定解为：

k＝k₀exp(-Qt)；

式中，K₀为初始活性，m/h；Q为失活速率，m/h；t为催化剂的服役时间，h；

SCR反应器内通常装有3层催化剂，各层催化剂失活方程如下：

k₁＝k₀exp(-Q₁t) (4)

k₂＝k₀exp(-Q₂t) (5)

k₃＝k₀exp(-Q₃t) (6)

SCR脱硝催化剂反应器出口的NO_x浓度计算为：

式中：为反应器入口NO_x浓度，mg/m³；为反应器出口NO_x浓度，mg/m³；

将上式带入到反应器脱硝效率计算公式：

可得：

第2、3层催化剂的氨氮摩尔比M_R，2、M_R，3的值可以利用上一层催化剂的脱硝效率和氨氮摩尔比表示，计算公式为

由方程(1)～(9)构成非线性方程组，利用数学软件基于迭代法对该模型进行求解，可得到反应器出口氨逃逸达到3ppm时催化剂的运行时间、各层催化剂的剩余活性、脱硝效率等。

在本实施例中，步骤5中催化剂层加装、更换、换位策略优化最优方案包括：

反应器内催化剂层自上向下定义为A、B、C，更换催化剂位置时字母不变而字母顺序相应改变，更换催化剂时则在字母后添加“’”表示；

反应器内初装两层催化剂，即为AB方案，当2层催化剂由于失活不能满足电厂脱硝要求时，一般采用进一步加装第3层(备用层)催化剂的方法提高反应器脱硝效率，当不允许催化剂到层换位时仅有1种ABC方案；当允许催化剂到层换位时，则有CAB、ACB、BCA、BAC、CBA方案，对6种方案进行步骤4计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案。

在本实施例中，步骤5中催化剂层加装、更换、换位策略优化最优方案还包括；

而当备用层催化剂投入使用后再次不满足脱硝要求时，必须更换其中某一层催化剂，以后继续更换不同的催化剂层以确保脱硝性能；

该过程中存在着多种可能的催化剂管理方案，包括AB→ABC→A’BC；

由于催化剂更换时，不会更换最新一层的催化剂，所以当不允许催化剂到层换位时仅有2种方案，即AB→ABC→A’BC、AB→ABC→AB’C；当允许催化剂到层换位时有10种方案，即AB→CAB→CA’B、AB→CAB→CAB’、AB→ACB→A’CB、AB→ACB→ACB’、AB→BCA→BCA’、AB→BCA→B’CA、AB→BAC→B’AC、AB→BAC→BA’C、AB→CBA→CB’A、AB→CBA→CBA’；

对12种方案进行步骤4计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案。

参图1至图3所示，下面针对某300MW机组选择性催化还原脱硝装置，对本发明作进一步详细说明，具体步骤如下：

1)利用催化剂活性中试装置并以实际电厂的烟气参数作为测试条件，对SCR反应器内各层催化剂活性进行检测，催化剂失活速率分别为Q₁＝–0.0000224m/h、Q₂＝–0.0000141m/h、Q₃＝–0.0000072m/h，面速度A_v＝19.25m/h。

2)将各层催化剂的出厂活性K₀＝48.74m/h、SCR反应器出口氨逃逸率3ppm、反应器入口氨氮比M_R，₁＝0.8503，反应器入口NO_x质量浓度为300mg/m³及SCR脱硝催化剂活性检测过程中所采集的各层催化剂的失活速率、面速度作为边界条件；

3)以反应器内三层催化剂为例，建立的非线性方程组中存在第1、2、3层催化剂剩余活性、脱硝效率，催化剂的运行时间，第2、3层催化剂入口氨氮比共9个未知变量；

4)将第1、2、3层催化剂失活方程、脱硝效率方程，反应器脱硝效率方程，第2、3层催化剂入口氨氮比方程对上述9个方程进行数学建模，构建成存在唯一解的非线性方程组；

5)利用数学软件matlab对步骤4)中非线性方程组进行求解，可得到反应器出口氨逃逸达到3ppm时催化剂的运行时间、各层催化剂的剩余活性、脱硝效率等；

6)再将该数学模型应用于可能的催化剂层加装、更换、换位方案中，对所有可能方案进行步骤5)计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案结果如表1所示。

表1

7)根据步骤6的计算结果，利用数学软件结果绘制方案1、方案2催化剂寿命与脱硝效率、氨逃逸率之间关系曲线如图2、3所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，其特征在于，包括：将各层催化剂失活方程、脱硝效率方程、反应器脱硝效率方程及第2、3层催化剂入口氨氮比方程建立成数学模型，根据所述数学模型对催化剂寿命进行预测。

2.根据权利要求1所述的火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，利用催化剂活性中试装置并以实际电厂的烟气参数作为测试条件，对SCR反应器内各层催化剂活性进行检测；

步骤2，确定边界条件；所述边界条件包括各层催化剂的出厂活性、SCR反应器出口氨逃逸率、反应器入口氨氮比及SCR脱硝催化剂活性检测过程中所采集的各层催化剂的失活速率、面速度；

步骤3，对第1、2、3层催化剂失活方程、脱硝效率方程，反应器脱硝效率方程，第2、3层催化剂入口氨氮比方程进行数学建模，构建成存在唯一解的非线性方程组，所述建立的非线性方程组中存在第1、2、3层催化剂剩余活性、脱硝效率，催化剂的运行时间，第2、3层催化剂入口氨氮比共9个未知变量；

步骤4，基于迭代法对步骤3中非线性方程组进行求解，得到反应器出口氨逃逸达到3ppm时催化剂的运行时间、各层催化剂的剩余活性、脱硝效率；

步骤5，将步骤3所建数学模型应用于可能的催化剂层加装、更换、换位方案中，对所有可能方案进行步骤4计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案；

步骤6，根据步骤5的计算结果，绘制催化剂寿命管理曲线。

3.根据权利要求2所述的火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，其特征在于，所述步骤1包括：

以氨氮摩尔比小于1的真实工况为建模条件，并综合考虑反应器入口氨氮摩尔比以及反应器内部各层催化剂入口氨氮摩尔比变化。

4.根据权利要求2所述的火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，其特征在于，所述步骤3中数学建模过程包括：

利用中试装置并以实际电厂的烟气参数作为测试条件对催化剂进行测量，活性计算式为：

式中：k为催化剂的活性，m/h；M_R为氨氮摩尔比；η为脱硝效率；A_v为催化剂的面速度，m/h；

将上式变形后，得到每层催化剂脱硝效率和催化剂活性的关系为：

根据催化剂的整体失活特性，其失活方程具有指数型特征，方程描述为：

上式微分方程的特定解为：

k＝k₀exp(-Qt)；

式中，K₀为初始活性，m/h；Q为失活速率，m/h；t为催化剂的服役时间，h；

装有3层催化剂的SCR反应器，各层催化剂失活方程如下：

k₁＝k₀exp(-Q₁t) (4)

k₂＝k₀exp(-Q₂t) (5)

k₃＝k₀exp(-Q₃t) (6)

SCR脱硝催化剂反应器出口的NO_x浓度计算为：

式中：为反应器入口NO_x浓度，mg/m³；为反应器出口NO_x浓度，mg/m³；

将上式带入到反应器脱硝效率计算公式：

可得：

第2、3层催化剂的氨氮摩尔比M_R，2、M_R，3的值利用上一层催化剂的脱硝效率和氨氮摩尔比表示，计算公式为：

由方程(1)～(9)构成非线性方程组，基于迭代法对该模型进行求解，得到反应器出口氨逃逸达到3ppm时催化剂的运行时间、各层催化剂的剩余活性、脱硝效率。

5.根据权利要求2所述的火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，其特征在于，所述步骤5中催化剂层加装、更换、换位策略优化最优方案包括：

反应器内催化剂层自上向下定义为A、B、C，更换催化剂位置时字母不变而字母顺序相应改变，更换催化剂时则在字母后添加“’”表示；

反应器内初装两层催化剂，即为AB方案，当2层催化剂由于失活不能满足电厂脱硝要求时，采用进一步加装第3层催化剂的方法提高反应器脱硝效率，当不允许催化剂到层换位时仅有1种ABC方案；当允许催化剂到层换位时，则有CAB、ACB、BCA、BAC、CBA方案，对6种方案进行步骤4计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案。

6.根据权利要求5所述的火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，其特征在于，所述步骤5中催化剂层加装、更换、换位策略优化最优方案还包括；

当备用层催化剂投入使用后再次不满足脱硝要求时，更换其中某一层催化剂，以后继续更换不同的催化剂层以确保脱硝性能；

该过程中存在着多种可能的催化剂管理方案，包括AB→ABC→A’BC；

基于催化剂更换时，不会更换最新一层的催化剂，当不允许催化剂到层换位时仅有2种方案，即AB→ABC→A’BC、AB→ABC→AB’C；当允许催化剂到层换位时有10种方案，即AB→CAB→CA’B、AB→CAB→CAB’、AB→ACB→A’CB、AB→ACB→ACB’、AB→BCA→BCA’、AB→BCA→B’CA、AB→BAC→B’AC、AB→BAC→BA’C、AB→CBA→CB’A、AB→CBA→CBA’；

对12种方案进行步骤4计算，以反应器总的催化剂使用寿命为评价标准，从中获得最优方案。