CN112379035A - 一种在线评估scr脱硝装置催化剂性能的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的系统及方法，其技术方案为：包括烟道，烟道内分布有若干催化剂层，每层催化剂层的前、后两侧分别设置烟气成分分析装置，且首层催化剂层的前侧布置烟气流速测量装置。本发明能够实现对每层催化剂的整体性能和局部区域的催化剂性能进行评价。

Description

一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的系统及方法

技术领域

本发明涉及火力发电厂燃煤锅炉技术领域，尤其涉及一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的系统及方法。

背景技术

现阶段，SCR脱硝技术是我国燃煤电站锅炉脱除烟气中NOx的主要方式。SCR脱硝的原理是向烟道内喷入一定量的氨气(NH₃)，在一定温度(300～400℃)及催化剂的作用下，氨气与烟气中的氮氧化物(NOx)发生还原反应，NOx被还原成N₂，从而实现氮氧化物的脱除。催化剂是SCR脱硝系统的核心，一旦催化剂出现堵塞、中毒、玷污等情况，会导致NOx脱除效果下降，严重时会导致NOx排放超标，氨逃逸量过大，引起环保危害及机组运行安全隐患。此外，催化剂也是SCR脱硝装置中造价占比较高的部件之一，可占SCR脱硝初投入成本的40％以上，如何延长催化剂使用寿命，或再生催化剂成为电厂关注的焦点。

催化剂再生技术，指的是使催化作用效率已经衰退的催化剂重新恢复其效率的过程。再生过程不涉及催化剂整体结构的解体，仅仅是用适当的方法消除那些导致催化效能衰退的因素。对于燃煤机组采用的SCR脱硝系统而言，催化剂失效原因较多，包括积灰、堵塞、中毒等因素，SCR脱硝系统一般在烟道内布置2～3层脱硝催化剂，烟道截面积因机组容量有所变化，如某1000MW燃煤机组布置催化剂的烟道截面积为128m²(16m×,8m)，对于截面积较大的催化剂，其再生的重要关键在于准确判断出催化剂失活或活性降低的区域，以减少再生成本，提高催化剂再生的性价比。

目前，对燃煤电站锅炉SCR脱硝装置中催化剂进行性能判断的技术主要有：

申请号201620220250.0的专利提出一种SCR脱硝催化剂分布式在线检测和喷氨优化自动调节系统，该专利涉及到的催化剂分布式在线检测，指的是根据SCR脱硝系统的进出口流速来判断是否有催化剂区域发生堵塞现象。申请号201710131479.6的发明专利提出一种基于多源信息融合技术的燃煤锅炉SCR催化剂寿命评价方法，该专利提出利用实验室检测与电厂运行数据相结合的方式，采用模糊数学法对催化剂寿命进行综合评估。

申请号202010372840.6的发明专利提出一种基于现场烟气脱硝装置的催化剂性能检测系统及检测方法，该专利提出将现场的烟气通过旁路引出到外部的设有催化剂的烟道内，达到利用实际烟气测试催化剂性能的目的。申请号202010348623.3的发明专利提出一种SCR脱硝催化剂硫酸氢铵中毒的诊断方法，该专利提出基于机组实际运行数据，当脱硝系统出现还原剂消耗量增大、脱硝效率降低、氨逃逸浓度升高，且数据随脱硝系统持续运行而恶化时，进行催化剂样品取样检测分析，催化剂样品取样检测分析包括当微观比表面积数值、三氧化硫质量含量、水溶液中铵根离子浓度、活性中至少两项的基准值与检测值的变化幅度超过设定标准时，判定为催化剂硫酸氢铵中毒。

申请号201911260119.1的发明专利提出一种脱硝系统催化剂活性的评价方法及脱硝效率的修正方法，该专利提出根据SCR脱硝系统修正后脱硝效率来判断整个系统的催化剂活性，当修正后的脱硝效率小于预警值时，则提示催化剂活性降低。申请号201811344030.9的发明专利提出一种火电厂SCR脱硝催化剂寿命预测及更换策略优化方法，该专利基于催化剂及SCR脱硝反应器初始性能参数，综合考虑SCR系统实际运行特点，建立数学模型，以迭代方程的方式求解催化剂的寿命。

由以上介绍可知，目前针对SCR脱硝装置催化剂性能检测、寿命评估、活性评价等技术主要集中于数学建模、实验室检测或单一的依靠SCR脱硝系统的整体脱硝效率来做出判断，不能够实现对单层催化剂整体或局部区域的性能进行评价。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的系统及方法，能够实现对每层催化剂的整体性能和局部区域的催化剂性能进行评价。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明实施例提供了一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的系统，包括烟道，烟道内分布有若干催化剂层，每层催化剂层的前、后两侧分别设置烟气成分分析装置，且首层催化剂层的前侧布置烟气流速测量装置。

作为进一步的实现方式，每层催化剂层按照喷氨支管的分布情况划分为多个区域。

作为进一步的实现方式，所述喷氨支管上安装阀门，阀门连接智能控制系统，通过智能控制系统动态调整不同区域催化剂层的喷氨量。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的方法，采用所述的系统，包括：

将每层催化剂按照上游喷氨支管的分布情况划分为多个区域，并编号；

通过布置在首层催化剂层前的烟气成分分析装置和烟气流速测量装置，得到首层催化剂层前各区域的NOx浓度和烟气量，以获得每个区域的理论喷氨量；

依次调整首层各区域对应喷氨支管的喷氨量为理论喷氨量的设定倍数，计算首层不同区域催化剂的脱硝效率及首层催化剂的平均脱硝效率；

依次调整其余任意层各区域对应喷氨支管的喷氨量为理论喷氨量的设定倍数，计算其余任意层不同区域催化剂的脱硝效率及相应层催化剂的平均脱硝效率。

作为进一步的实现方式，在机组运行时，通过动态调整不同区域催化剂层的喷氨量，根据催化剂层前后的烟气参数变化情况，评估同层不同区域催化剂的性能。

作为进一步的实现方式，将首层催化剂层前的烟道和每层催化剂层划分为M×N个区域，其中，M表示喷氨支管沿烟道宽度方向的数量，N表示喷氨支管沿烟道深度方向的数量。

作为进一步的实现方式，在得到首层催化剂层前各区域理论喷氨量之后，在保持机组运行工况不变的条件下，依次调整各区域对应的喷氨支管的喷氨量为设定倍数理论喷氨量，记录该喷氨量下各区域下游首层催化剂前、后的烟气成分参数。

作为进一步的实现方式，将首层不同区域催化剂的脱硝效率进行得分排序得到相应区域催化剂的性能得分；并分别记录不同锅炉蒸发量下的相应区域催化剂的性能得分，之后将首层不同区域催化剂的按照该区域催化剂的性能得分从大到小排序。

作为进一步的实现方式，在保持机组运行工况不变的条件下，依次调整各区域对应的喷氨支管的喷氨量为设定倍数理论喷氨量，记录该喷氨量下各区域下游2～3层催化剂前后的烟气成分参数；以计算第2～3层不同区域催化剂的脱硝效率及该层催化剂的平均脱硝效率。

作为进一步的实现方式，分别将第2～3层不同区域催化剂的脱硝效率进行得分排序得到相应区域催化剂的性能得分；并分别记录不同锅炉蒸发量下的相应区域催化剂的性能得分，之后分别将第2～3层不同区域催化剂的按照该区域催化剂的性能得分从大到小排序。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式对首层催化剂、第2层及以上催化剂层各区域的催化剂性能采用不同的性能指标得分计算方式，第2层及以上催化剂层各区域催化剂的性能指标得分综合考虑了上层同一区域催化剂性能的影响，能够较为准确的对同层不同区域的催化剂进行性能排序，指导催化剂再生工作；

(2)本发明的一个或多个实施方式不需对SCR系统进行较大的改动，简便易行，较为经济。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的系统结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的喷氨支管编号及区域划分示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的首层催化剂前烟道截面区域划分示意图；

其中，1、一级导流板，2、二级导流板，3、三级导流板，4、烟气流速测量装置，5、烟气成分分析装置，6、催化剂层，7、喷氨母管，8、喷氨支管，9、阀门，10、烟道。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

本实施例的“前”、“后”以烟气方向为参考。

实施例一：

本实施例提供了一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的系统，如图1-图3所示，包括烟道10，烟道10具有多个弯道，在相邻弯道的交接处依次设置一级导流板1、二级导流板2三级导流板3；烟道10内分布有若干催化剂层6，每层催化剂层6的前、后两侧分别设置烟气成分分析装置5，且首层催化剂层6的前侧布置烟气流速测量装置4。

在本实施例中，烟气成分分析装置5为现有结构，其包括烟气分析仪和烟气取样枪，烟气分析仪用于测量烟气中的NO、N₂O、O₂等参数，烟气取样枪布置在每层催化剂层6所有区域出口的中心。烟气流速测量装置4可为靠背管、皮托管等动压测量装置。

喷氨支管8于催化剂层6上游，安装每层催化剂层6按照喷氨支管8的分布情况划分为多个区域，喷氨支管8连接喷氨母管7，且喷氨支管8上安装阀门9；阀门9连接智能控制系统，通过智能控制系统动态调整不同区域催化剂层的喷氨量。所述智能控制系统为现有控制模块，此处不再赘述。

进一步的，将每层催化剂层6按照上游喷氨支管8的分布情况，划分为多个区域。如上游喷氨支管沿烟道宽度方向数量为M组(M＝5～9)，每组沿深度方向为N支(N＝2～4)，则将首层催化剂层6前的烟道10和每层催化剂层6划分为M×N个区域，首层催化剂层6前烟道10的区域命名为G-mn，即沿烟道10宽度方向编号为m、沿烟道10深度方向编号为n的区域，催化剂层6单个区域命名方式为j-mn，即第j层催化剂的编号为j-mn的区域(j＝2～3)。

实施例二：

本实施例提供了一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的方法，采用实施例一所述的系统，包括以下步骤：

步骤1：烟道截面划分区域及编号：

将每层催化剂层按照上游喷氨支管的分布情况，划分为多个区域。如上游喷氨支管沿烟道宽度方向数量为M组(M＝5～9)，每组沿深度方向为N支(N＝2～4)，则将首层催化剂层前的烟道和每层催化剂划分为M×N个区域；首层催化剂层前烟道的区域命名为G-mn，即沿烟道宽度方向编号为m、沿烟道深度方向编号为n的区域，首层催化剂单个区域命名方式为1-mn,即第1层催化剂的编号为1-mn的区域；第2层及以上催化剂层单个区域命名方式为j-mn，即第j层催化剂的编号为j-mn的区域(j＝2～3)。

步骤2：烟气流速测量及成分分析：

每层催化剂层前、后均布置有烟气成分分析装置，烟气成分分析装置包括烟气分析仪和烟气取样枪，烟气分析仪可测量烟气中的NO、N₂O、O₂等参数，烟气取样枪布置在每层催化剂所有M×N个区域出口的中心，烟气分析仪与烟气取样枪连接的管路上布置有阀门，阀门由智能控制系统控制。

步骤3：计算每个区域的理论喷氨量：

通过布置在首层催化剂层前的烟气成分分析装置和烟气流速测量装置，得到首层催化剂前各区域的NOx浓度和烟气量，从而得到每个区域的理论喷氨量，理论喷氨量计算参照《火电机组脱硝装置性能验收试验规程》进行，公式如下：

式中：

—还原剂耗量，kg/h；Q—折算到标准状态、干基、6％O₂下的SCR反应器入口烟气流量，m³/h；

—折算到标准状态、干基、6％O₂下的SCR反应器入口烟气中NOx浓度，mg/m³；

—NO₂的摩尔质量，g/mol；n—氨氮摩尔比(NH₃/NOx)，计算时取1.0；

—NH₃的摩尔质量，g/mol。

步骤4：首层催化剂层各区域性能评价：

得到首层催化剂层前各区域理的论喷氨量之后，在保持机组运行工况不变的条件下，依次调整各区域对应的喷氨支管的喷氨量为1.0倍理论喷氨量，记录该喷氨量下各区域下游首层催化剂前后的烟气成分参数。计算首层不同区域催化剂的脱硝效率及首层催化剂的平均脱硝效率，首层不同区域催化剂的脱硝效率计算方法如下：

式中：

——在锅炉蒸发量为De(可为100％、75％、50％额定锅炉蒸发量)时，首层催化剂前烟道截面编号为G-mn的区域对应的喷氨支管喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，首层催化剂编号为1-mn区域催化剂的脱硝效率，％；

——在锅炉蒸发量为De(可为100％、75％、50％额定锅炉蒸发量)时，首层催化剂前烟道截面编号为G-mn的区域对应的喷氨支管喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，首层催化剂编号为1-mn区域催化剂前、后的NOx浓度(6％O₂)，mg/m³。

首层催化剂的平均脱硝效率计算方法如下：

式中：

—在锅炉蒸发量为De(可为100％、75％、50％额定锅炉蒸发量)时，喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，首层催化剂的平均脱硝效率，％；

将首层不同区域催化剂的脱硝效率

进行得分排序，得分计算方式为：

上式中：

--在锅炉蒸发量为De时，喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，首层催化剂编号为1-mn区域催化剂的性能得分；

--在锅炉蒸发量为De时，取首层各区域催化剂中脱硝效率最大的值。

将上述过程在100％、75％、50％额定锅炉蒸发量下(即De＝100％、75％、50％锅炉额定蒸发量)进行，分别记录不同蒸发量下的性能得分，该区域催化剂的性能得分按照加权的方式计算：

上式中：P_(1-mn)--首层催化剂编号为1-mn区域催化剂的最终性能得分。

通过上述计算，将首层不同区域催化剂的按照P_(1-mn)从大到小排序，即可掌握首层催化剂不同区域的性能情况，指导后续催化剂再生工作。

步骤5：评估第2-3层各区域催化剂性能：

在得到首层催化剂层前各区域理的论喷氨量之后，保持机组运行工况不变的条件下，依次调整各区域对应的喷氨支管的喷氨量为1.0倍理论喷氨量，记录该喷氨量下各区域下游2～3层催化剂前后的烟气成分参数。计算第2～3层不同区域催化剂的脱硝效率及该层催化剂的平均脱硝效率，第2～3层不同区域催化剂的脱硝效率计算方法如下：

上式中：

--在锅炉蒸发量为De(可为100％、75％、50％额定锅炉蒸发量)时，首层催化剂前烟道截面编号为G-mn的区域对应的喷氨支管喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，第j层(j＝2,3)催化剂编号为j-mn区域催化剂的脱硝效率，％；

--在锅炉蒸发量为De(可为100％、75％、50％额定锅炉蒸发量)时，首层催化剂前烟道截面编号为G-mn的区域对应的喷氨支管喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，第j层(j＝2,3)催化剂编号为j-mn区域催化剂前、后的NOx(6％O₂)实际测量浓度，mg/m³；

--在锅炉蒸发量为De(可为100％、75％、50％额定锅炉蒸发量)时，首层催化剂前烟道截面编号为G-mn的区域对应的喷氨支管喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，第j层(j＝2,3)催化剂编号为j-mn区域催化剂前的NOx(6％O₂)修正计算浓度；

当

时，

当

时，

mg/m³，(此处的修正计算方式，是考虑了(j-1)层(j-1)-mn区域催化剂的性能，当(j-1)-mn区域催化剂性能较好时，导致第j层催化剂入口NOx下降，而根据阿伦尼乌斯定律，物质的反应浓度也会对化学反应的反应速度、反应效率造成影响，此处的修正有效降低了上层催化剂对本层催化剂性能指标得分的影响)；

--在锅炉蒸发量为De(可为100％、75％、50％额定锅炉蒸发量)时，首层催化剂前烟道截面编号为G-mn的区域对应的喷氨支管喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，第j-1层(j＝2,3)催化剂的平均脱硝效率，％；

---在锅炉蒸发量为De(可为100％、75％、50％额定锅炉蒸发量)时，首层催化剂前烟道截面编号为G-mn的区域对应的喷氨支管喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，第j-1层(j＝2,3)催化剂编号为(j-1)-mn区域催化剂的脱硝效率，％；

将第j层(j＝2～3)不同区域催化剂的脱硝效率

进行得分排序，得分计算方式为：

上式中：

--在锅炉蒸发量为De时，喷氨量为1.0倍理论喷氨量时，第j层(j＝2～3)催化剂编号为j-mn区域催化剂的性能得分；

--在锅炉蒸发量为De时，取第j层(j＝2～3)各区域催化剂中脱硝效率最大的值。

将上述过程在100％、75％、50％额定锅炉蒸发量下(即De＝100％、75％、50％锅炉额定蒸发量)进行，分别记录不同蒸发量下的性能得分，该区域催化剂的性能得分按照加权的方式计算：

上式中：P_(j-mn)---第j层(j＝2～3)催化剂编号为j-mn区域催化剂的最终性能得分。

通过上述计算，将第j层(j＝2～3)不同区域催化剂的按照P_(j-mn)从大到小排序，即可掌握该层催化剂不同区域的性能情况，指导后续催化剂再生工作。

本实施例在机组运行时，可以通过动态调整不同区域催化剂的喷氨量，根据催化剂层前后的烟气参数变化情况，评估同层不同区域催化剂的性能，评估结果可用于指导SCR脱硝装置催化剂再生工作。

本实施例适用于已经运行8000h以上未更换过催化剂层的SCR脱硝系统。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的系统，包括烟道，烟道内分布有若干催化剂层，其特征在于，每层催化剂层的前、后两侧分别设置烟气成分分析装置，且首层催化剂层的前侧布置烟气流速测量装置。

2.根据权利要求1所述的一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的系统，其特征在于，每层催化剂层按照喷氨支管的分布情况划分为多个区域。

3.根据权利要求2所述的一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的系统，其特征在于，所述喷氨支管上安装阀门，阀门连接智能控制系统，通过智能控制系统动态调整不同区域催化剂层的喷氨量。

4.一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一所述的系统，包括：

将每层催化剂按照上游喷氨支管的分布情况划分为多个区域，并编号；

通过布置在首层催化剂层前的烟气成分分析装置和烟气流速测量装置，得到首层催化剂层前各区域的NOx浓度和烟气量，以获得每个区域的理论喷氨量；

依次调整首层各区域对应喷氨支管的喷氨量为理论喷氨量的设定倍数，计算首层不同区域催化剂的脱硝效率及首层催化剂的平均脱硝效率；

依次调整其余任意层各区域对应喷氨支管的喷氨量为理论喷氨量的设定倍数，计算其余任意层不同区域催化剂的脱硝效率及相应层催化剂的平均脱硝效率。

5.根据权利要求4所述的一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的方法，其特征在于，在机组运行时，通过动态调整不同区域催化剂层的喷氨量，根据催化剂层前后的烟气参数变化情况，评估同层不同区域催化剂的性能。

6.根据权利要求4所述的一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的方法，其特征在于，将首层催化剂层前的烟道和每层催化剂层划分为M×N个区域，其中，M表示喷氨支管沿烟道宽度方向的数量，N表示喷氨支管沿烟道深度方向的数量。

7.根据权利要求4所述的一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的方法，其特征在于，在得到首层催化剂层前各区域理论喷氨量之后，在保持机组运行工况不变的条件下，依次调整各区域对应的喷氨支管的喷氨量为设定倍数理论喷氨量，记录该喷氨量下各区域下游首层催化剂前、后的烟气成分参数。

8.根据权利要求7所述的一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的方法，其特征在于，将首层不同区域催化剂的脱硝效率进行得分排序得到相应区域催化剂的性能得分；并分别记录不同锅炉蒸发量下的相应区域催化剂的性能得分，之后将首层不同区域催化剂的按照该区域催化剂的性能得分从大到小排序。

9.根据权利要求4所述的一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的方法，其特征在于，在保持机组运行工况不变的条件下，依次调整各区域对应的喷氨支管的喷氨量为设定倍数理论喷氨量，记录该喷氨量下各区域下游2～3层催化剂前后的烟气成分参数；以计算第2～3层不同区域催化剂的脱硝效率及该层催化剂的平均脱硝效率。

10.根据权利要求9所述的一种在线评估SCR脱硝装置催化剂性能的方法，其特征在于，分别将第2～3层不同区域催化剂的脱硝效率进行得分排序得到相应区域催化剂的性能得分；并分别记录不同锅炉蒸发量下相应区域催化剂的性能得分，之后分别将第2～3层不同区域催化剂的按照该区域催化剂的性能得分从大到小排序。

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