Scr脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法
【专利摘要】一种SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，包括步骤：搭建SCR催化剂活性检测实验台，从现场服役的整块催化剂中切出试样块，将试样块放置在反应器中，设定各次实验的实验参数，包括：反应器内部温度、实验气体导入量以及氨氮比；模拟服役中的SCR脱硝系统催化剂化学反应过程，建立反应器中催化剂的化学反应模型，计算催化剂的动力学参数，再拟合得到动力参数变化规律曲线图，用来预测催化剂的动力学参数变化规律。通过本发明的技术，可以为电厂SCR脱硝系统运行调节方案的制定提供技术支持。
【专利说明】SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力工程【技术领域】，特别是涉及一种SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法。
【背景技术】
[0002]选择性催化还原法脱硝技术，主要是以TiO2为载体的V2O5基工业催化剂，包括V2O5AiO2, V2O5AiO2-SiO2, V205-W03/Ti02 和 V205-Mo03/Ti02，其操作温度在 280_420°C之间，脱硝效率可达到85%以上，可有效地减少氮氧化物排放，满足日益严格的环保要求，在火力发电中得到了广泛应用。近年来低温SCR脱硝催化剂的研发进展很快，形成了以活性炭为载体，以V205、Fe2O3和MnOx等为活性组分的各种催化剂，但这些催化剂均尚未经过工业验证。在国内，为了满足越来越严格的NOx排放标准，SCR脱硝技术已经成为火电厂氮氧化物控制的主流技术。
[0003]催化剂是电厂SCR烟气脱硝系统的核心，它约占其投资的1/3，催化剂结构和组成的选择对电站安全经济运行至关重要，而且在运行过程中，由于其催化剂的失效而需要的定期更换费用占运行成本的主要部分，安装SCR脱硝系统后，也会对锅炉系统的结构设计及安全经济运行带来影响。因此，需要预测现场服役过程中催化剂的脱硝性能变化规律，为电厂SCR脱硝系统运行调节方案的制定提供指导依据。
【发明内容】
[0004]基于此，有必要提供一种SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，从而可以为电厂SCR脱硝系统运行调节方案的制定提供了依据。
[0005]一种SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，包括如下步骤:
[0006]搭建SCR催化剂活性检测实验台，该实验台包括:
[0007]微量水泵、汽化器、混合器、预热器、加热电炉、NO气体标准气瓶、O2气体标准气瓶、N2气体标准气瓶、NH3气体标准气瓶、反应器和烟气分析仪；其中，微量水泵、汽化器、预热器、反应器通过导管连接；混合器通过导管连接NO气体标准气瓶、O2气体标准气瓶和N2气体标准气瓶，分别接入NO气体、O2气体和N2气体；反应器通过导管连接NH3气体标准气瓶，接入NH3气体；汽化器产生H2O气体，反应器置于加热电炉中；
[0008]实验操作过程如下:
[0009]从现场服役的整块催化剂中切出试样块，将试样块放置在反应器中，设定各次实验的实验参数，包括:反应器内部温度、实验气体导入量以及氨氮比；
[0010]实验时，先通入O2气体和N2气体，启动加热电炉以恒定升温速率将反应器内部加热至设定温度，待温度保持稳定后通入NO气体，待NO的浓度稳定后，记录烟气分析仪录得的NO气体浓度；然后通入NH3气体在反应器中进行反应，待反应后的NO气体浓度趋于稳定后，记录烟气分析仪录得的NO气体浓度；
[0011]建立反应器中催化剂的化学反应模型，根据记录的NO气体浓度参数，催化剂的结构参数以及化学反应模型计算催化剂的动力学参数，分别在各个氨氮比下拟合每个温度对应的动力学参数，得到催化剂服役前后的动力参数变化规律曲线图。
[0012]上述SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，基于实验和计算耦合的方式，通过模拟现场服役中的SCR脱硝系统的催化剂化学反应过程，然后根据相关实验数据计算催化剂的动力学参数，再拟合得到动力参数变化规律曲线图，用来预测催化剂的动力学参数变化规律，从而可以为电厂SCR脱硝系统运行调节方案的制定提供技术支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为SCR催化剂活性检测实验台的结构示意图；
[0014]图2所示为固定床积分的反应器的示意图；
[0015]图3为波纹板催化剂服役前的动力学参数的拟合图；
[0016]图4为波纹板催化剂服役后的动力学参数的拟合图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法的【具体实施方式】作详细描述。
[0018]参见图1所示，图1为SCR催化剂活性检测实验台的结构示意图，该实验台包括:
[0019]微量水泵101、汽化器102、混合器103、预热器104、加热电炉106、反应器105、NO气体标准气瓶109、O2气体标准气瓶110、N2气体标准气瓶108、NH3气体标准气瓶111和烟气分析仪107 ;混合器通过导管连接NO气体标准气瓶109、O2气体标准气瓶110和N2气体标准气瓶108，分别接入NO气体、O2气体和N2气体；反应器105通过导管连接NH3气体标准气瓶111，接入NH3气体；反应器105置于加热电炉106中。
[0020]其具体工作原理如下:
[0021]通过NO气体标准气瓶109、O2气体标准气瓶110、N2气体标准气瓶108和NH3气体标准气瓶111分别导入NO气体、N2气体、O2气体和NH3气体，并测量流过的气体质量。汽化器102导入H2O,其中反应气体为NO、O2和NH3, N2为载体，H2O由微量水泵101抽入汽化器102进行汽化，混合器103的作用是将NO气体、N2气体和O2气体进行充分混合，混合后的气体通入预热器104加热至200°C左右，NH3在加热电炉106前加入，与混合气体一起进入反应器105，实验前将整块催化剂切出50mmX 50mmX 35mm的试样块，放置于反应器105中心的样品架115上。电炉由四段加热组成，使实验气体加热至要求温度，并保持反应器105温度均匀。反应气体在催化剂a中发生反应，催化剂a的温度由伸入催化剂中心E型热电偶进行测量，并将测出催化剂a的温度实现显示，通过调节电炉温度使反应器105内催化剂a的温度达到设定值，反应后的烟气，先后通过冷凝器112对反应后的烟气进行降温，以及干燥器113对反应后的烟气进行干燥处理，再通过烟气分析仪107进行烟气分析。
[0022]实验操作过程如下:
[0023]从现场服役的整块催化剂中切出试样块，将试样块放置在反应器中，其中，实验的催化剂包括:新波纹板催化剂和服役40200h的波纹板催化剂、新蜂窝状催化剂和服役20000h的蜂窝状催化剂。
[0024]设定各次实验的实验参数，包括:反应器内部温度、实验气体导入量以及氨氮比。具体的，所述实验中反应器内部温度分别为290°C、320°C、35(rC、38(rC ;实验中气体为NO气体300ppm，O2气体为5%，H2O气体为10%，其余部分为N2气体；氨氮比分别为0.5、0.8、1.1。
[0025]实验时，先通入O2气体和N2气体，启动加热电炉以恒定升温速率将反应器内部加热至设定温度，待温度保持稳定后通入NO气体，待NO的浓度稳定后，记录烟气分析仪录得的NO气体浓度；然后通入NH3气体在反应器中进行反应，待反应后的NO气体浓度趋于稳定后，记录烟气分析仪录得的NO气体浓度。
[0026]在一个实施例中，在实验数据稳定30分钟后，记录烟气分析仪录得的NO气体浓度数据，，每种催化剂重复两次实验，记录数据为取两次实验的平均值，可以保证实验数据的可靠性和准确性。
[0027]通过上述实验过程后，建立反应器中催化剂的化学反应模型，根据记录的NO气体浓度参数，催化剂的结构参数以及化学反应模型计算催化剂的动力学参数，分别在各个氨氮比下拟合每个温度对应的动力学参数，得到催化剂服役前后的动力参数变化规律曲线图。
[0028]在一个实施例中，具体过程如下:
[0029]参考图2所示，图2所示为固定床积分的反应器的示意图，假设烟气流动为一维柱塞流，烟气中NOx只考虑NO的主反应式，建立微元体积的控制方程，如公式(I):
[0030]Rw(\-eB)-A-dl = A-u-C°NOd\ ,(I)
[0031]式中，Rito为单位体积催化剂的NO反应速率(mol/m3-cat/s)，ε B为催化剂床层的孔隙率，A为催化剂入口截面积(m2)，I为催化剂的长度，u为烟气的表观速度(m/s) C)力
NO的反应器入口摩尔浓度(mol/m3)，xN0为NO的转化率。
[0032]当氨氮比大于I时，反应速率方程采用一级反应速率方程，如公式(2)。
[0033]Rno-KnoCno(2)
[0034]式中，Knq为NO的表观反应速率常数(1/s)，Cno为NO的摩尔浓度(mol/m3)。
[0035]当氨氮比小于I时，反应速率方程公式如式(3)。
[0036]R:no = KnoCnoGm^(3)
[0037]式中，ΘΝΗ3为順3的覆盖率，即NH3吸附在催化剂表面的活性位占催化剂表面总的活性位的比例。
[0038]Kno 采用 Arrhenius 方程，即
[0039]KN0=Aexp (-E/RT) (4)
[0040]式中，A为NO反应的指前因子(1/s)，E为NO反应的活化能(J/mol), R为摩尔气体常数(J/mol/K)，其值为8.314J/mol/K, T为热力学温度。
[0041]而NH3的覆盖率表达式为:
K -C
a—八 w;
[0042]、=i + U.w3(5)[0043]式中，人H力NH3的吸附速率常数(m3/mol)，'为NH3的摩尔浓度(mol/m3)。
[0044]对足w3同样采用Arrhenius方程:
[0045]ΚΝΗι = Λ、.π' 以\~>(_11\?11 RT)(6)
[0046]式中，Anh为顯3的吸附速率常数的指前因子(1/s)，Hm3为NH3的吸附速率常数
的活化能(J/mol)。
[0047]而NO的转换率可表示成:
【权利要求】
1.一种SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，其特征在于，包括如下步骤: 搭建SCR催化剂活性检测实验台，该实验台包括: 微量水泵、汽化器、混合器、预热器、加热电炉、NO气体标准气瓶、O2气体标准气瓶、N2气体标准气瓶、NH3气体标准气瓶、反应器和烟气分析仪；其中，微量水泵、汽化器、预热器、反应器通过导管连接；混合器通过导管连接NO气体标准气瓶、O2气体标准气瓶和N2气体标准气瓶，分别接入NO气体、O2气体和N2气体；反应器通过导管连接NH3气体标准气瓶，接入NH3气体；汽化器产生H2O气体，反应器置于加热电炉中； 实验操作过程如下: 从现场服役的整块催化剂中切出试样块，将试样块放置在反应器中，设定各次实验的实验参数，包括:反应器内部温度、实验气体导入量以及氨氮比； 实验时，先通入O2气体和N2气体，启动加热电炉以恒定升温速率将反应器内部加热至设定温度，待温度保持稳定后通入NO气体，待NO的浓度稳定后，记录烟气分析仪录得的NO气体浓度；然后通入NH3气体在反应器中进行反应，待反应后的NO气体浓度趋于稳定后，记录烟气分析仪录得的NO气体浓度； 建立反应器中催化剂的化学反应模型，根据记录的NO气体浓度参数，催化剂的结构参数以及化学反应模型计算催化剂的动力学参数，分别在各个氨氮比下拟合每个温度对应的动力学参数，得到催化剂服役前后的动力参数变化规律曲线图。
2.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，其特征在于，所述实验中反应器内部温度分别为290°C、320°C、35(TC、38(rC ;实验中气体为NO气体300ppm，02气体.为5%，H2O气体为10%，其余部分为N2气体；氨氮比分别为0.5、0.8、1.I。
3.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，其特征在于，在实验数据稳定30分钟后，记录烟气分析仪录得的NO气体浓度数据。
4.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，其特征在于，实验的催化剂包括:新波纹板催化剂和服役40200h的波纹板催化剂、新蜂窝状催化剂和服役20000h的蜂窝状催化剂。
5.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，其特征在于，每种催化剂重复两次实验，记录数据为取两次实验的平均值。
6.根据权利要求1所述的SCR脱硝系统催化剂服役后动力学参数变化规律的测量方法，其特征在于，所述催化剂的化学反应模型包括: 微元体积的控制方程，如公式:
Rno(^-Sb)-A-(Il = A-U- Cl, dx w 式中，Rno为单位体积催化剂的NO反应速率(mol/m3-Cat/S)，ε Β为催化剂床层的孔隙率，A为催化剂入口截面积(m2)，I为催化剂的长度，u为烟气的表观速度(m/s) C为NO的反应器入口摩尔浓度(mol/m3)，xN0为NO的转化率。
【文档编号】G01N33/00GK103472189SQ201310405113
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】李德波 申请人:广东电网公司电力科学研究院