CN103592407B - 一种电厂scr脱硝系统催化剂活性在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电厂选择性催化还原法进行烟气尾部脱硝技术领域，特别涉及一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法。本发明方法主要包括：一、获取实验室进行相同规格新鲜催化剂的活性检测，得到新鲜催化剂的活性a₀＝1，其能达到的最佳脱硝效率为η₀；二、在机组实际运行中，对SCR脱硝系统进行现场性能试验，获取SCR实际运行数据及性能参数；三、利用本发明提出的SCR催化剂活性修正方法，计算当前催化剂的真实活性。本发明的催化剂活性在线监测方法旨在提供一种SCR脱硝系统催化剂活性在线修正计算方法，修正因实验室取样代表性问题和反应条件过于理想化而造成计算得到的活性偏离真实值，以提高催化剂活性检测的准确性和实时性。

Description

一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法

技术领域

本发明属于电厂选择性催化还原进行烟气尾部脱硝技术领域，特别涉及一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法。

背景技术

选择性催化还原方法（SelectiveCatalyticReduction简称SCR），是目前电厂应用较广泛的脱硝技术。SCR脱硝装置中，脱硝催化剂是SCR烟气脱硝系统中最关键最重要的部件，催化剂一般占脱硝装置总成本的30%～50%。其活性及使用寿命直接影响着整个脱硝系统脱硝的运行成本及脱硝系统的性能发挥，因此SCR催化剂的寿命受到电厂管理者的重视。有效地对催化剂的性能进行监测，及早调整运行，优化SCR脱硝系统以延长SCR催化剂使用年限；同时对SCR催化剂寿命进行跟踪，及时对SCR催化剂进行吹灰，必要时进行催化剂层的替换或再生，以保证烟囱出口NO_x浓度达到新的环保标准要求。

SCR催化剂性能的主要指标有脱硝效率、出口NO_x浓度、催化剂活性等。催化剂活性是实际运行中的催化剂性能与新鲜催化剂性能的相对值，反映了实际运行中催化剂寿命的下降程度。目前催化剂活性的检测主要通过机组停机检修时从反应器内进行催化剂样块取样，然后在实验室内进行催化剂活性实验。电厂一般将催化剂送检时间间隔为一年，时间间隔较长，不利于运行人员及时了解催化剂活性的变化，不利于脱硝系统的高效运行。

专利《一种电厂SCR脱硝系统中催化剂活性的修正方法》中提出了一种催化剂活性的修正方法，对催化剂表观活性（单位Nm/h）进行修正，即对催化剂的活性系数的修正，催化剂活性系数是有单位的量，不便于运行人员的直观判断催化剂性能的优劣。而且催化剂活性系数的大小并不能直接反映催化剂性能。在实验室进行催化剂性能检测时，通常会计算活性相对量（简称“活性”），而活性是实际催化剂活性系数与新鲜催化剂活性系数的比值，是相对量，便于运行人员对催化剂活性的直观判断。当活性低于某限值时，则认为催化剂不能满足尾部烟气脱硝，需要进行催化剂层的替换、或增加催化剂层、或进行催化剂再生。因此本发明旨在对催化剂活性这一直观相对量进行在线监测，为催化剂活性的在线监测与修正提供一种方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种成本低、精度高、实时性的电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法。

一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法，其具体步骤如下：

（1）分析确定SCR脱硝系统催化剂结构参数和SCR脱硝系统运行参数；

（2）根据所选择的催化剂，作出实验室催化剂活性检测试验报告，新鲜催化剂的活性即相对活性a₀＝1，对应的新鲜催化剂可达到的最高脱硝效率为η₀，脱硝效率：催化剂面速度：AV＝Q/(V*Ap)，催化剂活性系数：K＝-AV*ln(1-η)，催化剂活性：a＝K/K₀；

其中：η为脱硝效率；为SCR入口NO_x浓度，单位为mg/Nm³；为SCR出口NO_x浓度，单位为mg/Nm³；AV为催化剂的面速度，单位为Nm/h；Q为烟气流量，单位为Nm³/h，V为催化剂的总体积，单位为m³；Ap为催化剂的比表面积，单位为m²/m³；K为实际催化剂活性系数，单位为Nm/h；K₀为新鲜催化剂的活性系数，单位为Nm/h；a为催化剂活性；

（3）实验室进行催化剂性能检测试验时反应条件趋于理想化，烟气流量分布较实际运行分布更为均匀，烟气温度及压力也偏于理想化。考虑到烟气进入实际运行的SCR反应器时和新鲜催化剂性能检测试验时流量分布可能不同，会产生流量偏差，对催化剂活性的发挥有影响；同时随着SCR脱硝系统的投运时间的延长，SCR催化剂长期处于高温高粉尘的环境中，SCR催化剂会受到不同程度的腐蚀和磨损，SCR催化剂比表面积发生变化；其次，实验室进行催化剂活性试验时是在催化剂的最佳反应温度，而实际运行时SCR所处的反应温度往往偏离最佳温度。综上多种因素的考虑，在实际运行中引入活性修正因子k对催化剂活性进行修正，以得到催化剂活性的真实值，其中k≥0；

（4）首次应用该方法时，对电厂SCR脱硝系统催化剂活性起始值的确定方法如下：

根据电厂SCR脱硝系统投运时间及催化剂活性取值范围，选用如下方式之一进行催化剂活性起始值取值：

①SCR脱硝系统投运时间较短，催化剂性能较好的情况下，催化剂活性起始值取1；

②SCR脱硝系统投运时间较长，催化剂性能明显下降的情况下，催化剂活性起始值取[0,1）之间的值，如0.5或0.6；

③参考最近一次催化剂活性检测报告，以检测报告中的催化剂活性作为该方法中催化剂活性的起始值；

首次应用该方法时，进行电厂SCR脱硝系统催化剂活性起始值确定的目的是减少初次迭代的次数及运行时间；

（5）获取t时刻的理论催化剂活性a_t：

通常在SCR脱硝系统运行时，催化剂比表面积是由于磨损和腐蚀以及积灰原因是变化的，而且不易测量，难以直接计算面速度AV，从而不能直接得到准确的催化剂活性系数K；本发明采用催化剂活性的相对量a来进行催化剂活性的表征。脱硝系统运行t时刻，催化剂活性系数为K＝-AV*ln(1-η)，对应的催化剂理论活性计算：在此先忽略实际运行的SCR脱硝系统催化剂比表面积与新鲜催化剂比表面积的变化引起的影响，上式整理得ln(1-η_t)＝a_t*ln(1-η₀)；k₀＝ln(1-η₀)为常数，且为负值；由此得到ln(1-η_t)＝a_t*k₀；

考虑在步骤（3）中提到的影响因素对活性的影响，综合各因素的影响，则引入活性修正因子k对a进行修正，a_t,best为t时刻催化剂的最佳活性，则a_t＝k[j]*a_t,best；设置k的初始值k[0]=1.0；a_t,best＝a_t-1，即将上一时刻，即t-1时刻计算得到的催化剂活性真实值作为当前时刻催化剂的最佳活性；

ln(1-η)＝a_t,best*k[j]*k₀＝a_t*k₀；

理论催化剂脱硝效率：η_t＝1-exp(a_t*k₀)；理论SCR出口NO_x浓度：

$C_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{cal}}=C_{{\mathrm{NO}}_X,\mathrm{in}}(1-{\mathrm{\η}}_t)=C_{{\mathrm{NO}}_x,\mathrm{in}}*\exp (a_t*k_0);$

其中，K_t为t时刻实际催化剂活性系数，单位为Nm/h；K₀为新鲜催化剂的活性系数，单位为Nm/h；AV_t为t时刻的催化剂面速度单位为Nm/h；AV₀为新鲜催化剂面速度单位为Nm/h；η_t为t时刻的理论催化剂脱硝效率；a_t为t时刻的理论催化剂活性；a_t,best为t时刻催化剂的最佳活性；j为活性修正因子迭代次数；a_t-1为t-1时刻的催化剂真实活性；理论SCR出口NO_x浓度，单位为mg/Nm³；

（6）计算SCR反应器实际出口NO_x浓度与根据催化剂活性计算得到的理论SCR出口NO_x浓度偏差的绝对误差相对值若ε小于设定的误差因子ε₀，则保存并输出当前的活性修正因子k[n]以及催化剂真实活性迭代计算结束；若ε大于设定的误差因子ε₀，则继续进行步骤（7）；

其中，的单位为mg/Nm³，n为终止迭代次数；

（7）调整活性修正因子：在第j次迭代结束后，ε大于设定的误差因子ε₀，根据SCR反应器实际出口NO_x浓度与SCR出口NO_x浓度理论值的偏差大小，调整活性修正因子；若实际值大于理论值，则减小活性修正因子；若实际值小于理论值，则增大活性修正因子；

（8）重复（5）（6）（7）进行迭代计算，直至SCR反应器实际出口NO_x浓度与根据催化剂活性计算得到的理论SCR出口NO_x浓度偏差的绝对误差相对值ε小于设定的误差因子ε₀。

步骤（1）中所述SCR脱硝系统催化剂结构参数为SCR布置位置、催化剂结构型式、催化剂层数、催化剂的体积和催化剂的比表面积；所述SCR脱硝系统运行参数为SCR反应器入口烟气流量、SCR反应器入口烟气温度、SCR反应器入口烟气压力、SCR反应器入口NO_x浓度、SCR反应器出口NO_x浓度和SCR反应器入口氨氮摩尔比。

所述步骤（2）中研究单个反应器的整体活性，不考虑催化剂分层，层内、层间的催化剂活性分布不均匀性。

所述步骤（7）中j的取值为1≤j≤100，且j为整数，最大迭代次数为100。

所述t时刻的上一时刻，即t-1时刻的确定需根据实际情况及需求设定时间步长值。

该方法催化剂活性在线修正准确与否依赖于入口NO_x浓度，出口NO_x浓度测量的准确性，所以要求现场脱硝系统测量仪表测量准确。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明试图利用实际运行数据反映SCR催化剂活性，实现SCR催化剂活性的在线，提高SCR催化剂监测的实时性；本发明通过SCR脱硝系统实际运行数据进行催化剂在线修正，为催化剂活性的预测，催化剂寿命预测，以及催化剂更新计划提供了依据，有利于提高催化剂活性预测准确性及SCR脱硝系统的优化管理水平，为火电厂SCR脱硝系统乃至整个锅炉系统的安全经济优化运行提供了有力支撑。

附图说明

图1是本发明催化剂活性在线监测方法的流程图；

图2是本发明催化剂活性在线监测方法的逻辑图。

具体实施方式

本发明提供了一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

以某电厂600MW机组为研究对象，详细叙述本发明的具体实施方式。

（1）该机组的SCR脱硝系统布置在省煤器后空预器之前，属于板式催化剂结构型式。该SCR脱硝系统有A，B两个反应器，对称布置。SCR脱硝系统催化剂结构参数如表1所示。

表1SCR脱硝系统催化剂结构参数

（2）SCR脱硝系统设计参数：

(A)锅炉燃用设计煤种并能满足校核煤种；

(B)锅炉正常负荷范围（40%BMCR（锅炉最大连续蒸发量）～100%BMCR负荷），SCR反应器入口烟气温度：300～420℃；

(C)SCR反应器入口NO_x浓度：800mg/Nm³（氧含量6%，干基）。

（3）被本发明方法以SCR脱硝系统A反应器为实施例对象，根据其新鲜催化剂活性检测试验报告得到，新鲜催化剂的活性（即相对活性）a₀＝1，对应的新鲜催化剂可达到的最佳脱硝效率为η₀=0.90。

（4）实验室进行催化剂性能检测试验时反应条件趋于理想化，烟气流量分布较实际运行分布更为均匀，烟气温度及压力也偏于理想化。考虑到烟气进入实际运行的SCR反应器时和新鲜催化剂性能检测试验时流量分布可能不同，会产生流量偏差，对催化剂活性的发挥有影响；同时随着SCR脱硝系统的投运时间的延长，SCR催化剂长期处于高温高粉尘的环境中，SCR催化剂会受到不同程度的腐蚀和磨损，SCR催化剂比表面积发生变化；其次，实验室进行催化剂活性试验时是在催化剂的最佳反应温度，而实际运行时SCR所处的反应温度往往偏离最佳温度。综上多种因素的考虑，在实际运行中引入活性修正因子k对活性进行修正，活性修正因子初始值为k[0]=1。

（5）为减少初次迭代的次数及运行时间，考虑到实施例机组最近一次在2013年年初进行了催化剂活性试验，在此可以以试验检测结果中的催化剂活性作为本发明催化剂活性起始值，a_best＝0.65。即采用方法：参考最近一次催化剂活性检测报告，以检测报告中的催化剂活性作为催化剂活性的起始值。

（6）计算SCR反应器实际出口NO_x浓度与根据催化剂活性计算得到的理论SCR出口NO_x浓度偏差的绝对误差相对值设定误差因子ε₀=0.01，程序迭代终止条件：ε＜ε₀。

（7）调整活性修正因子，经多次迭代计算，结果见表2。在表2中对催化剂活性起始值取a_best＝1和a_best＝0.65两种起始值设定方法进行了对比，结果表明采用a_best＝0.65作为催化剂活性起始值，迭代次数较少，运行时间短。同样，当前时刻（t时刻）催化剂活性起始值取上一时刻（t-1时刻）（根据实际情况及需求设定时间步长值）催化剂活性真实值作为设定起始值a_t,initial＝a_t-1，较设定起始值为a_best＝1迭代次数少，运行时间短，适合活性在线监测。

（8）表2中同一段时间内取得的样本得到的活性真实值a存在差异，原因是出口NO_x浓度分布不均匀以及仪表测量精度漂移导致NO_x浓度存在偏差，从而导致活性真实值的差异。因此方法准确的关键在于实际仪表测量的基础数据的准确性。

表2催化剂活性计算结果对比表

Claims (6)

1.一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法，其特征在于：具体步骤如下：

(1)分析确定SCR脱硝系统催化剂结构参数和SCR脱硝系统运行参数；

(2)根据所选择的催化剂，作出实验室催化剂活性检测试验报告，新鲜催化剂的活性即相对活性a₀＝1，对应的新鲜催化剂可达到的最高脱硝效率为η₀，脱硝效率：催化剂面速度：AV＝Q/(V*Ap)，催化剂活性系数：K＝-AV*ln(1-η)，催化剂活性：a＝K/K₀；

其中，η为脱硝效率；为SCR入口NO_x浓度，单位为mg/Nm³；为SCR出口NOx浓度，单位为mg/Nm³；AV为催化剂的面速度，单位为Nm/h；Q为烟气流量，单位为Nm³/h，V为催化剂的总体积，单位为m³；Ap为催化剂的比表面积，单位为m²/m³；K为实际催化剂活性系数，单位为Nm/h；K₀为新鲜催化剂的活性系数，单位为Nm/h；a为催化剂活性；

(3)引入活性修正因子k对催化剂活性进行修正，以得到催化剂活性的真实值，其中k≥0；

(4)首次应用该方法时，对电厂SCR脱硝系统催化剂活性起始值的确定方法如下：

根据电厂SCR脱硝系统投运时间及催化剂活性取值范围，选用如下方式之一进行催化剂活性起始值取值：

①催化剂活性起始值取1；

②催化剂活性起始值取[0,1)之间的值；

③参考最近一次催化剂活性检测报告，以检测报告中的催化剂活性作为该方法中催化剂活性的起始值；

(5)获取t时刻的理论催化剂活性a_t：

t时刻的理论催化剂活性计算：在此忽略催化剂比表面积的变化引起的影响，整理得ln(1-η_t)＝a_t*ln(1-η₀)；k₀＝ln(1-η₀)为常数，且为负值，则有ln(1-η_t)＝a_t*k₀；引入活性修正因子k对a_t进行修正，a_t,best为t时刻催化剂的最佳活性，则t时刻的理论催化剂活性为a_t＝k[j]*a_t,best；设置k的初始值k[0]＝1.0；假设t-1时刻的催化剂真实活性为a_t-1，则a_t,best＝a_t-1，即将上一时刻计算得到的催化剂活性真实值作为当前时刻催化剂的最佳活性；整理得ln(1-η_t)＝a_t,best*k[j]*k₀＝a_t*k₀；

t时刻的理论催化剂脱硝效率为η_t＝1-exp(a_t*k₀)；理论SCR出口NO_x浓度：

$C_{{\mathrm{NO}}_x,cal}=C_{{\mathrm{NO}}_x,in}\left(1-{\mathrm{\η}}_t\right)=C_{{\mathrm{NO}}_x,in}*\exp \left(a_t*k_0\right);$

其中，K_t为t时刻实际催化剂活性系数，单位为Nm/h；K₀为新鲜催化剂的活性系数，单位为Nm/h；AV_t为t时刻的催化剂面速度单位为Nm/h；AV₀为新鲜催化剂面速度单位为Nm/h；η_t为t时刻的理论催化剂脱硝效率；a_t为t时刻的理论催化剂活性；a_t,best为t时刻催化剂的最佳活性；j为活性修正因子迭代次数；a_t-1为t-1时刻的催化剂真实活性；理论SCR出口NO_x浓度，单位为mg/Nm³；

(6)计算SCR反应器实际出口NO_x浓度与根据催化剂活性计算得到的理论SCR出口NO_x浓度偏差的绝对误差相对值若ε小于设定的误差因子ε₀，则保存并输出当前的活性修正因子k[n]以及催化剂真实活性a_t ^*，迭代计算结束；若ε大于设定的误差因子ε₀，则继续进行步骤(7)；

其中，的单位为mg/Nm³，n为终止迭代次数；

(7)调整活性修正因子：在第j次迭代结束后，ε大于设定的误差因子ε₀，根据SCR反应器实际出口NO_x浓度与SCR出口NO_x浓度理论值的偏差大小，调整活性修正因子；若实际值大于理论值，则减小活性修正因子；若实际值小于理论值，则增大活性修正因子；

(8)重复(5)(6)(7)进行迭代计算，直至SCR反应器实际出口NO_x浓度与根据催化剂活性计算得到的理论SCR出口NO_x浓度偏差的绝对误差相对值ε小于设定的误差因子ε₀。

2.根据权利要求1所述的一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法，其特征在于：步骤(1)中所述SCR脱硝系统催化剂结构参数为SCR布置位置、催化剂结构型式、催化剂层数、催化剂的体积和催化剂的比表面积；所述SCR脱硝系统运行参数为SCR反应器入口烟气流量、SCR反应器入口烟气温度、SCR反应器入口烟气压力、SCR反应器入口NO_x浓度、SCR反应器出口NO_x浓度和SCR反应器入口氨氮摩尔比。

3.根据权利要求1所述的一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法，其特征在于：研究单个反应器的整体活性，不考虑催化剂分层，层内、层间的催化剂活性分布不均匀性。

4.根据权利要求1所述的一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法，其特征在于：所述步骤(7)中j的取值为1≤j≤100，且j为整数。

5.根据权利要求1所述的一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法，其特征在于：所述t-1时刻，即t时刻的上一时刻的确定需根据实际情况及需求设定时间步长值。

6.根据权利要求1所述的一种电厂SCR脱硝系统催化剂活性在线监测方法，其特征在于：该方法催化剂活性在线修正准确与否依赖于入口NO_x浓度，出口NO_x浓度测量的准确性，所以要求现场脱硝系统测量仪表测量准确。