CN111111435A - 一种防止低温scr催化剂失活的工艺系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种防止低温SCR催化剂失活的工艺系统及其控制方法。本发明通过测定SCR处理后的烟气的SO3含量以及氨含量，计算硫酸氢铵的理论凝结温度，并将该凝结温度与SCR处理后的烟气的温度进行对比，发出加热器加热量的调整信号，调整SCR入口烟气的温度处于安全与经济的最佳平衡区，以延长催化剂使用寿命，控制运行加热量；再在催化剂寿命初期降低运行温度，在寿命末期提高运行温度，以使初期减少的能耗抵消末期增加的能耗，从而使催化剂全寿命运行能耗没有显著增加。

Description

一种防止低温SCR催化剂失活的工艺系统及其控制方法
技术领域
本发明属于SCR技术领域，涉及一种防止低温SCR催化剂失活的工艺系统及其控制方法。
背景技术
SCR(选择性催化还原)脱硝是目前烟气脱硝的主要工艺手段，采用氨作为还原剂，通过催化剂的作用，氨与烟气中的氮氧化物反应生成无害的氮气和水，实现烟气的净化。其中，催化剂按工作温度划分，320～420℃的归为中温催化剂；120～260℃的归为低温催化剂。垃圾焚烧电厂和固废焚烧炉窑因烟气中成分复杂容易使催化剂中毒失活，一般把SCR布置在烟气净化设备的下游，如图1所示(其中，SDA为喷雾干燥吸收，PAC为干粉喷射吸附，PTFE-FF为布袋除尘器，GGHd为脱酸烟气换热器，W-FGD为湿法脱酸塔，GGHc为脱硝烟气换热器，SGH为蒸汽加热器，IDF为引风机)，此时烟气只能达到120～160℃，只能采用低温催化剂，因此称为低温SCR工艺。
催化剂在使用过程中，会受到烟气的侵蚀、堵塞、磨损等不同作用，也会因操作温度过高而局部烧结，导致催化剂的活性下降(催化效率降低)，甚至失去使用功能的过程，称为失活，失活是催化剂消耗的主要因素。
在催化剂作用下，还原剂理论上可以与氮氧化物完全反应，但是实际还原剂与烟气混合过程中总存在一些不均匀，或者催化剂失活使催化反应条件不足，因此会有少量氨不参与反应。未参加反应的氨占烟气中的比例，称为氨逃逸率。
垃圾焚烧炉和固废焚烧炉窑一般采用低温SCR进行脱硝，虽然经过烟气净化处理，但是烟气中总会存在少量SO2和SO3，这些成分与脱硝的还原剂氨也会发生化学反应，生成硫酸氢铵(ABS)或硫酸铵(AS)。其中ABS在温度较低时会凝结成粘度很大的液体，造成催化剂微孔堵塞，继而引发催化剂临时甚至永久失活。运行温度高于ABS凝结温度可避免ABS堵塞催化剂微孔，但是运行温度越高，需要对烟气加热的能耗越高，造成运行成本增加。
目前主要技术是依靠设计阶段计算合适的运行温度，在运行中按相对固定的设计温度运行。在运行初期催化剂活性较高时一般运行是安全的，但是在催化剂寿命后期活性逐步降低，氨逃逸率就会提高，会从0.5ppm升高到8ppm以上，造成ABS生成量增加，在烟气中的含量增加以后，ABS的分压随之提高，其它条件一致时，ABS凝结温度随分压提高而降低，因此更易在催化剂上凝结，加速了催化剂的失活速度，导致催化剂中后期的失活速度高于平均速度，最终造成催化剂需要补充或者更换。一般氨逃逸率3ppm时就要增加催化剂，5ppm时就要更换大部分催化剂，令运行成本增加。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种防止低温SCR催化剂失活的工艺系统及其控制方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明一种防止低温SCR催化剂失活的工艺系统，包括依次连接的设备连接烟道、加热器和SCR脱硝反应器，所述工艺系统还包括控制单元，在所述SCR脱硝反应器的出气口设有分别与所述控制单元连接的SO3含量检测器、氨含量检测器以及温度检测器，所述控制单元包含运算器，所述运算器能根据SO3含量以及氨含量判断是否有硫酸氢铵或硫酸铵生成，如果只有硫酸氢铵生成，还会计算硫酸氢铵的理论凝结温度tc，或者如果既有硫酸氢铵也有硫酸铵生成，还会计算过渡区的理论凝结温度tc’。
ABS/AS的相位图如图2所示，定义硫酸氢铵生成区域为ABS区，硫酸铵生成区域为AS区，硫酸氢铵与硫酸铵共生区域为过渡区。从该图可知，当硫酸氢铵和/或硫酸铵的凝结温度不变时，烟气中氨含量与SO3含量关系近似直线，且同一凝结温度下，氨含量与SO3含量的线性关系式的斜率在ABS区、过渡区以及AS区均不同，另外，烟气中氨含量与SO3含量处于ABS区与过渡区之间的边界或AS区与过渡区之间的边界时也均呈线性关系，因此，根据氨含量与SO3含量，不仅可以通过设置边界条件来判断是否有硫酸氢铵或硫酸铵生成，还可以当落入ABS区，即只有硫酸氢铵生成时，通过一元一次方程计算得到硫酸氢铵的理论凝结温度tc，或者当既有硫酸氢铵也有硫酸铵生成时，通过一元一次方程计算得到过渡区的理论凝结温度tc’，通过设置相应的程序在所述运算器内，即能实现前述判断和计算。当落入ABS区，即只有硫酸氢铵生成时，所述运算器还会计算硫酸氢铵的理论凝结温度tc与所述温度传感器检测的温度t的差值，并根据该差值判断是否发出加热器加热量的调整信号，以调整SCR入口烟气的温度处于安全与经济的最佳平衡区，从而延长催化剂使用寿命，控制运行加热量。当落入AS区，即无硫酸氢铵生成时，发出SCR运行温度不受限制的信号，此时只需确保温度t不低于工艺要求的最低温度(例如最低催化剂活性温度)即可。当落入过渡区时，可按照AS区的运行策略运行；或者从保守角度考虑，可按照ABS区的运行策略运行，即所述运算器计算过渡区的理论凝结温度tc’与温度t的差值，并根据该差值判断是否发出加热器加热量的调整信号。
作为本发明工艺系统的优选实施方式，所述加热器为蒸汽加热器，所述蒸汽加热器的出汽管道上设有疏水调节阀，所述控制单元通过与所述疏水调节阀连接而与所述蒸汽加热器连接。
作为本发明工艺系统的优选实施方式，所述加热器为蒸汽加热器，所述蒸汽加热器的进汽管道上设有蒸汽调节阀，所述控制单元通过与所述蒸汽调节阀连接而与所述蒸汽加热器连接。
作为本发明工艺系统的优选实施方式，所述设备连接烟道和所述加热器之间还设有换热器，所述换热器还与所述SCR脱硝反应器的出气口连接。
第二方面，本发明还提供了所述工艺系统的控制方法，具体为：所述控制单元分别将所述SO3含量检测器、所述氨含量检测器以及所述温度检测器测得的SO3含量、氨含量以及温度t转化为信号并传送给所述控制单元，所述控制单元判断是否有硫酸氢铵或硫酸铵生成，如果只有硫酸氢铵生成，还会计算硫酸氢铵的理论凝结温度tc，并将t和tc进行对比，当t≤tc时，控制所述加热器提高供热量，或者如果既有硫酸氢铵也有硫酸铵生成，还会计算过渡区的理论凝结温度tc’，并将t和tc’进行对比，当t≤tc’时，控制所述加热器提高供热量。
作为本发明控制方法的优选实施方式，如果计算所述硫酸氢铵的理论凝结温度tc，当t-tc≥x℃时，则所述控制单元控制所述加热器降低供热量；如果计算所述过渡区的理论凝结温度tc’，当t-tc’≥x℃时，则所述控制单元控制所述加热器降低供热量，其中x可选为1～2内的任意一个数值。作为本发明控制方法的优选实施方式，所述蒸汽加热器的出汽管道上设有疏水调节阀，所述蒸汽加热器的进汽管道上设有蒸汽调节阀，所述控制单元通过控制所述疏水调节阀、所述蒸汽调节阀中的至少一种来调节供热。
作为本发明控制方法的优选实施方式，当所述氨含量＜1ppm时，所述控制单元控制所述加热器供热以使所述温度t低于设计温度ts，ts-t≥y℃，其中y可选为3～5内的任意一个数值。催化剂较新、活性较高，氨逃逸率低于1ppm时，控制烟气温度比设计温度低3～5℃左右，可以降低能耗。
作为本发明控制方法的优选实施方式，当所述氨含量为1～3ppm时，所述控制单元控制所述加热器供热以使所述温度t等于设计温度ts，t＝ts。
作为本发明控制方法的优选实施方式，当所述氨含量为3～5ppm时，所述控制单元控制所述加热器供热以使所述温度t高于设计温度ts，t-ts≥z℃，其中z可选为3～5内的任意一个数值。这样自动提高运行温度以适应催化剂活性变化，可避免硫酸氢铵在催化剂微孔凝结，延缓催化剂在其寿命中后期时的失活速率，有效延长催化剂的寿命周期，从而降低投资成本。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过测定SCR处理后的烟气的SO3含量以及氨含量，计算硫酸氢铵的理论凝结温度，并将该凝结温度与SCR处理后的烟气的温度进行对比，发出加热器加热量的调整信号，调整SCR入口烟气的温度处于安全与经济的最佳平衡区，以延长催化剂使用寿命，控制运行加热量。
(2)本发明采用变温度运行方式，在催化剂寿命初期减少的加热能耗，可以抵消寿命末期提高温度所增加的能耗，使催化剂全寿命运行能耗没有显著增加。
附图说明
图1为整体SCR系统的示意图；
图2为ABS/AS的相位图；
图3为第一实施例中防止低温SCR催化剂失活的工艺系统的示意图；
图4为第二实施例中防止低温SCR催化剂失活的工艺系统的示意图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
图3示出了本发明的第一实施例。如图所示，该防止低温SCR催化剂失活的工艺系统包括依次连接的设备连接烟道104、换热器103、蒸汽加热器102和SCR脱硝反应器101，其中换热器103还与SCR脱硝反应器101的出气口连接；该防止低温SCR催化剂失活的工艺系统还包括控制单元105，在SCR脱硝反应器101的出气口设有分别与控制单元105连接的SO3含量检测器、氨含量检测器以及温度检测器，蒸汽加热器102的进汽管道上设有蒸汽调节阀106，出汽管道上设有疏水调节阀107，其中，疏水调节阀107与控制单元105连接；控制单元105包含SO3含量分析仪表(SO)、氨含量分析仪表(A)、温度仪表(t)以及运算器。其中，SO3含量分析仪表(SO)、氨含量分析仪表(A)、温度仪表(t)分别将SCR处理后的烟气的SO3含量、氨含量、温度t转化为信号并传送给运算器，运算器判断是否有硫酸氢铵生成，只要有硫酸氢铵生成，还会计算在所述SO3含量以及所述氨含量下硫酸氢铵的理论凝结温度tc，或者过渡区的理论凝结温度tc’，并将t和tc(或者tc’)进行对比，当t≤tc(tc’)时，运行温度偏低，控制单元105会发送增大开度的信号至疏水调节阀107，以提高运行温度，当t＞tc(tc’)时，运行安全，没有硫酸氢铵凝结的风险，但是运行温度偏高并不经济，可当t-tc(tc’)＞x℃，x＞0时，控制单元105发送减小开度的信号至疏水调节阀107，以减少蒸汽加热器102输入的蒸汽量，降低运行温度，按照系统调节的灵活性和安全裕量的要求，可选择x为1～2内的任意一个数值。当催化剂较新、活性较高，氨逃逸率＜1ppm时，控制单元105控制蒸汽加热器102供热以使所述温度t与设计温度ts之间的关系为：ts–t≥y℃，其中y可选为3～5内的任意一个数值；当氨逃逸率为1～3ppm(不包含3ppm)时，控制单元105控制蒸汽加热器102供热以使所述温度等于设计温度；当氨逃逸率为3～5ppm时，控制单元105控制蒸汽加热器102供热以使所述温度t与设计温度ts之间的关系为：t–ts≥z℃，其中z可选为3～5内的任意一个数值，这样变温的运行方式，使催化剂寿命初期减少的能耗能抵催化剂寿命消末期增加的能耗，从而使催化剂全寿命运行能耗没有显著增加。
图4示出了本发明的第二实施例。如图所示，其与第一实施例不同之处在于，蒸汽加热器102的进汽管道上设有蒸汽调节阀106，出汽管道上设有疏水阀107，其中疏水阀107未与控制单元105连接，而是蒸汽调节阀106与控制单元105连接。控制单元105通过控制蒸汽调节阀106的开度来调节蒸汽量。
本发明最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种防止低温SCR催化剂失活的工艺系统，包括依次连接的设备连接烟道、加热器和SCR脱硝反应器，其特征在于，所述工艺系统还包括控制单元，在所述SCR脱硝反应器的出气口设有分别与所述控制单元连接的SO3含量检测器、氨含量检测器以及温度检测器，所述控制单元包含运算器；所述运算器能根据SO3含量以及氨含量判断是否有硫酸氢铵或硫酸铵生成，如果只有硫酸氢铵生成，还会计算硫酸氢铵的理论凝结温度tc，或者如果既有硫酸氢铵也有硫酸铵生成，还会计算过渡区的理论凝结温度tc’。
2.根据权利要求1所述的工艺系统，其特征在于，所述加热器为蒸汽加热器，所述蒸汽加热器的出汽管道上设有疏水调节阀，所述控制单元通过与所述疏水调节阀连接而与所述蒸汽加热器连接。
3.根据权利要求1所述的工艺系统，其特征在于，所述加热器为蒸汽加热器，所述蒸汽加热器的进汽管道上设有蒸汽调节阀，所述控制单元通过与所述蒸汽调节阀连接而与所述蒸汽加热器连接。
4.根据权利要求1所述的工艺系统，其特征在于，所述设备连接烟道和所述加热器之间还设有换热器，所述换热器还与所述SCR脱硝反应器的出气口连接。
5.如权利要求1-4中任一项所述的工艺系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法为：所述控制单元分别将所述SO3含量检测器、所述氨含量检测器以及所述温度检测器测得的SO3含量、氨含量以及温度t转化为信号并传送给所述控制单元，所述控制单元判断是否有硫酸氢铵或硫酸铵生成，如果只有硫酸氢铵生成，还会计算在所述SO3含量以及所述氨含量下硫酸氢铵的理论凝结温度tc，并将t和tc进行对比，当t≤tc时，控制所述加热器提高供热量，或者如果既有硫酸氢铵也有硫酸铵生成，还会计算在所述SO3含量以及所述氨含量下过渡区的理论凝结温度tc’，并将t和tc’进行对比，当t≤tc’时，控制所述加热器提高供热量。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，如果计算所述硫酸氢铵的理论凝结温度tc，当t-tc≥x℃时，则所述控制单元控制所述加热器降低供热量；如果计算所述过渡区的理论凝结温度tc’，当t-tc’≥x℃时，则所述控制单元控制所述加热器降低供热量，其中x可选为1～2内的任意一个数值。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述蒸汽加热器的出汽管道上设有疏水调节阀，所述蒸汽加热器的进汽管道上设有蒸汽调节阀，所述控制单元通过控制所述疏水调节阀、所述蒸汽调节阀中的至少一种来调节供热。
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当所述氨含量＜1ppm时，所述控制单元控制所述加热器供热以使所述温度t与设计温度ts之间的关系为：ts–t≥y℃，其中y可选为3～5内的任意一个数值。
9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当所述氨含量为1～3ppm时，所述控制单元控制所述加热器供热以使所述温度t与设计温度ts之间的关系为：t＝ts。
10.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当所述氨含量为3～5ppm时，所述控制单元控制所述加热器供热以使所述温度t与设计温度ts之间的关系为：t–ts≥z℃，其中z可选为3～5内的任意一个数值。
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