一种scr脱硝装置的性能监测及控制方法
阅读说明：本技术 一种scr脱硝装置的性能监测及控制方法 (Performance monitoring and control method of SCR (Selective catalytic reduction) denitration device ) 是由 梁俊杰 宋玉宝 徐剑风 周生 张建华 刘晓奎 李小健 孟庆党 韩宝庚 孙宝仁 李 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种SCR脱硝装置的性能监测及控制方法,包括如下步骤：实时测量包括烟气流量、喷氨量、脱硝出口和各层催化剂入口一氧化氮含量；实时计算各层催化剂脱硝效率和入口氨氮摩尔比,计算各层催化剂的活性；确定低负荷和额定负荷运行时催化剂性能判断指标；计算第一层催化剂的相对活性,根据相对活性临界阈值判断低负荷运行时催化剂的性能并采取措施,计算各层催化剂的累计相对活性,根据累计相对活性设计指标判断额定负荷运行时催化剂的性能并采取措施。本发明可防止过早开启调温旁路影响锅炉效率,提升了对各层催化剂寿命的管理,防止了催化剂活性大幅衰减后仍继续工作导致催化剂不可逆失活的情况,提高了对各层催化剂性能衰减特性的监控。(The invention relates to a performance monitoring and control method of an SCR denitration device, which comprises the following steps: measuring the content of nitric oxide at a flue gas flow, an ammonia spraying amount, a denitration outlet and each layer of catalyst inlet in real time; calculating the denitration efficiency and the inlet ammonia nitrogen molar ratio of each layer of catalyst in real time, and calculating the activity of each layer of catalyst; determining the performance judgment index of the catalyst during low-load and rated-load operation; calculating the relative activity of the first layer of catalyst, judging the performance of the catalyst during low-load operation according to a relative activity critical threshold value and taking measures, calculating the accumulated relative activity of each layer of catalyst, judging the performance of the catalyst during rated-load operation according to an accumulated relative activity design index and taking measures. The invention can prevent the boiler efficiency from being influenced by the early opening of the temperature regulating bypass, improves the management on the service life of each layer of catalyst, prevents the condition that the catalyst is irreversibly inactivated because the catalyst still continues to work after the activity of the catalyst is greatly attenuated, and improves the monitoring on the performance attenuation characteristic of each layer of catalyst.)
技术领域
本发明属于燃煤锅炉技术领域，具体涉及一种SCR脱硝装置的性能监测及控制方法。
背景技术
SCR脱硝技术是我国燃煤电站锅炉脱除烟气中氮氧化物的主要方式。SCR脱硝的原理是向烟道内喷入一定量的氨气，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发生还原反应，氮氧化物被还原成氮气，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，会导致氮氧化物脱除效果下降，严重时会导致氮氧化物排放超标，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脱硝装置中造价较高的部件之一，可占SCR脱硝投入成本的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。
当前，对于SCR脱硝装置性能的监测，仅在进出口烟道布置氮氧化物监测点，无法获得不同层催化剂性能状况，不利于对催化剂性能进行评估，也无法根据实际运行情况采取相应措施进行控制。由于各层催化剂缺少监测控制系统，无论是对深度调峰脱硝低负荷运行或者正常负荷催化剂性能监控都会产生影响。
低负荷运行是指实际烟温低于最低连续运行烟温(MOT)的状态运行，在低负荷运行时，容易造成如下问题：不能充分利用催化剂低温特性，过早开启调温旁路，影响锅炉效率，煤耗增加，如果采用三氧化硫脱除方案，则吸收剂耗量过早投入，物耗成本增加；超过催化剂低温可允许投运时间，催化剂活性大幅度衰减，造成催化剂不可逆失活。
正常负荷运行时无法掌握各层催化剂性能衰减特性，不利于开展催化剂寿命管理研究，对催化剂更换缺少依据，且无法根据运行状况，及时采取措施，如有针对性的对某层催化剂进行蒸汽吹灰操作等。
发明内容
本发明的目的是提供一种SCR脱硝装置的性能监测及控制方法，用于解决无法实施监测和控制催化剂性能的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种SCR脱硝装置的性能监测及控制方法，包括如下步骤：
S1：实时测量包括烟气流量Q、喷氨量NH3、脱硝出口的一氧化氮含量NOout、各层催化剂入口的一氧化氮含量NOi；
S2：根据S1中的测量数据，实时计算各层催化剂入口的氨氮摩尔比MRi,t、各层催化剂的脱硝效率ηi,t，根据各层催化剂入口的氨氮摩尔比MRi,t、各层催化剂的脱硝效率ηi,t，实时计算各层催化剂的活性Ki,t；
S3：确定催化剂的性能判断指标，包括：
(1)、处于低负荷运行状态时，即实际烟温低于最低连续运行烟温时，催化剂的性能判断指标为第一层催化剂相对活性的临界阈值K，
(2)、处于额定负荷运行状态时，催化剂的性能判断指标为催化剂累计相对活性设计指标ks；
S4：对催化剂性能进行判断并采取措施，包括：
(1)、处于低负荷运行状态时，即实际烟温低于最低连续运行烟温时，实时计算第一层催化剂的相对活性Ks,1，并根据第一层催化剂相对活性的临界阈值K，对催化剂性能进行判断并采取措施，
(2)、处于额定负荷运行状态时，计算各层催化剂的累计相对活性ks,i，并根据催化剂累计相对活性设计指标ks，对催化剂性能进行判断并采取措施。
优选地，在S2中，所述的各层催化剂入口的氨氮摩尔比MRi,t为：
当i＝1时，
当1<i≤m时，
其中：
α为无量纲转换系数，
β为烟气的氮氧化物中一氧化氮的比例，
NOi为在t时刻的各层催化剂入口的一氧化氮含量，单位为μL/L，
i为催化剂的层数，i＝1,2,…,m，
Q为在t时刻的烟气流量，单位为m3/h，
NH3为在t时刻的喷氨量，单位为kg/h。
优选地，在S2中，所述的各层催化剂的脱硝效率ηi,t为：
当1≤i<m时，
当i＝m时，
其中：
NOi为在t时刻的各层催化剂入口的一氧化氮含量，单位为μL/L，
i为催化剂的层数，i＝1,2,…,m，
NOout为在t时刻的脱硝出口的一氧化氮含量，单位为μL/L。
优选地，在S2中，所述的各层催化剂的活性Ki,t为：
其中：
AVi为烟气量与该层催化剂反应面积之比，单位为m/h，
i为催化剂的层数，i＝1,2,…,m。
优选地，在S3中，所述的第一层催化剂相对活性的临界阈值K根据不同温度下催化剂的活性衰减曲线获得。
优选地，在S4中，处于低负荷运行状态时，判断步骤和采取的措施为：
(1)、实时计算第一层催化剂的相对活性Ks,1，若第一层催化剂的相对活性Ks,1大于等于临界阈值K，则保持低负荷运行，当第一层催化剂的相对活性Ks,1小于临界阈值K时，开启调温旁路使温度提升第一设定温度，
(2)、在温度提升第一设定温度后的设定时间内，实时计算第一层催化剂的相对活性Ks,1，若第一层催化剂的相对活性Ks,1大于第一设定值K1，则保持在温度提升第一设定温度状态下运行，若第一层催化剂的相对活性Ks,1小于等于第一设定值K1，则加大提温幅度，使温度提升第二设定温度，其中第一设定温度低于第二设定温度，
(3)、当实时计算得到第一层催化剂的相对活性Ks,1大于等于第二设定值K2时，关闭调温旁路，保持低负荷状态继续运行。
进一步优选地，所述的第一层催化剂的相对活性Ks,1为：
其中：
K1,0为第一层催化剂在低负荷状态运行的初始时刻的活性，
K1,t为第一层催化剂在低负荷状态运行的t时刻的活性。
优选地，在S4中，处于额定负荷运行状态时，判断步骤和采取的措施为：
(1)、计算各层催化剂的累计相对活性ks,i，
(2)、当各层催化剂的累计相对活性ks,i小于催化剂累计相对活性设计指标ks时，则提高吹灰器对该层催化剂的吹灰频率，
(3)、根据计算得到的各层催化剂的累计相对活性ks,i，计算实际状态下的时间常数δ，并判断实际状态下各层催化剂的累计相对活性降至设定值kd时的允许运行时间τf，并在允许运行时间τf前更换催化剂。
优选地，所述的各层催化剂的累计相对活性ks,i、催化剂累计相对活性设计指标ks分别为：
其中：
τ为催化剂投产后的累计运行时间，单位为h，
τ＝t-t0，t为当前运行时刻，t0为初始投产时刻，
ki,τ为第i层催化剂在累计运行时间τ时的活性，
ki,0为第i层催化剂在初始投产时刻的活性，
δ0为正常设计状态下的时间常数。
优选地，所述的实际状态下的时间常数δ、实际状态下各层催化剂的累计相对活性降至设定值kd时的允许运行时间τf分别为：
τf＝-δ×In(kd)，
其中：
δ为实际状态下的时间常数，
τf为实际状态下催化剂累计相对活性降至设定值kd时的允许运行时间，单位为h。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明通过实时计算各层催化剂活性，可防止运行过程中过早开启调温旁路，影响锅炉效率，提升了对各层催化剂寿命的管理，防止了催化剂活性大幅度衰减后仍继续工作导致催化剂不可逆失活的情况，提高了各层催化剂性能衰减特性的监测，为催化剂的更换提供了依据。
附图说明
附图1为本实施例的SCR脱硝装置示意图；
附图2为本实施例的第一取样部件和第二取样部件的结构示意图；
附图3为本实施例的不同温度下催化剂的活性衰减曲线示意图；
附图4为本实施例的低负荷运行状态的控制流程图。
以上附图中：1、第一层催化剂；2、第二层催化剂；3、第三层催化剂；4、第一取样部件；5、第二取样部件；6、入口取样部件；7、出口取样部件；8、主取样部件；9、喷氨部件；10、空气预热器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
选取如图1和图2所示的SCR脱硝装置及烟气取样装置，并对SCR脱硝装置中催化剂的性能进行监测及控制，具体包括如下步骤：
S1：
实时测量包括烟气流量Q、喷氨量NH3、脱硝出口的一氧化氮含量NOout、各层催化剂入口的一氧化氮含量NOi。
在本实施例中：催化剂设置有三层，采用网格取样方式进行烟气取样。在第一层催化剂1的支撑钢梁下方设置第一取样部件4，在第二层催化剂2的支撑钢梁下方设置第二取样部件5，在脱硝入口和出口分别设置入口取样部件6、出口取样部件7。第一取样部件4、第二取样部件5、入口取样部件6、出口取样部件7均汇集至位于空气预热器10出口处的主取样部件8，并利用压差抽取烟气，烟气抽取速度为15m/s，主取样部件8连接至烟气分析仪，采用烟气分析仪对烟气成分进行测试，得到脱硝出口的一氧化氮含量NOout、第一层催化剂入口的一氧化氮含量NO1、第二层催化剂入口的一氧化氮含量NO2、第三层催化剂入口的一氧化氮含量NO3。
S2：
根据S1中的测量数据，实时计算各层催化剂入口的氨氮摩尔比MRi,t、各层催化剂的脱硝效率ηi,t，具体而言：各层催化剂入口的氨氮摩尔比MRi,t和各层催化剂的脱硝效率ηi,t分别为：
当i＝1时，
当1<i≤m时，
当1≤i<m时，
当i＝m时，
其中：
α为无量纲转换系数，α取1.32，
β为烟气的氮氧化物中一氧化氮的比例，β取0.95，
NOi为在t时刻的各层催化剂入口的一氧化氮含量，单位为μL/L，
i为催化剂的层数，i＝1,2,…,m，
Q为在t时刻的烟气流量，单位为m3/h，
NH3为在t时刻的喷氨量，单位为kg/h，
NOout为在t时刻的脱硝出口的一氧化氮含量，单位为μL/L。
在本实施例中：
各层催化剂入口的氨氮摩尔比MRi,t分别为：
各层催化剂的脱硝效率ηi,t分别为：
再根据各层催化剂入口的氨氮摩尔比MRi,t、各层催化剂的脱硝效率ηi,t，实时计算各层催化剂的活性Ki,t，具体而言：
其中：
AVi为烟气量与该层催化剂反应面积之比，单位为m/h，
i为催化剂的层数，i＝1,2,…,m。
S3：
确定催化剂的性能判断指标，包括：
(1)、处于低负荷运行状态时，即实际烟温低于最低连续运行烟温时，催化剂的性能判断指标为第一层催化剂相对活性的临界阈值K，第一层催化剂相对活性的临界阈值K根据不同温度下催化剂的衰减曲线获得，
(2)、处于额定负荷运行状态时，催化剂的性能判断指标为催化剂累计相对活性设计指标ks。
在本实施例中：根据如图3所示的不同温度下催化剂的活性衰减曲线可知，在催化剂相对活性衰减至0.8以上时采取措施，则催化剂活性可以恢复，当催化剂相对活性衰减至0.8以下时采取措施，催化剂活性仅能部分恢复，会造成催化剂不可逆失活，在实际运行中需考虑保留一定余量，因此临界阈值K设定为0.85。
S4：
对催化剂性能进行判断并采取措施，包括：
(1)、处于低负荷运行状态时，即实际烟温低于最低连续运行烟温时，实时计算第一层催化剂的相对活性Ks,1，并根据第一层催化剂相对活性的临界阈值K，对催化剂性能进行判断并采取措施，如图4所示，具体而言：
实时计算第一层催化剂的相对活性Ks,1：
其中：
K1,0为第一层催化剂在低负荷状态运行的初始时刻的活性，
K1,t为第一层催化剂在低负荷状态运行的t时刻的活性，
若第一层催化剂的相对活性Ks,1大于等于临界阈值K，则保持低负荷运行，当第一层催化剂的相对活性Ks,1小于临界阈值K时，开启调温旁路使温度提升第一设定温度，
在温度提升第一设定温度后的设定时间内，实时计算第一层催化剂的相对活性Ks,1，若第一层催化剂的相对活性Ks,1大于第一设定值K1，则保持在温度提升第一设定温度状态下运行，若第一层催化剂的相对活性Ks,1小于等于第一设定值K1，则加大提温幅度，使温度提升第二设定温度，其中第一设定温度低于第二设定温度，
当实时计算得到第一层催化剂的相对活性Ks,1大于等于第二设定值K2时，关闭调温旁路，保持低负荷状态继续运行，并重复上述步骤进行实时监测及控制。
在本实施例中：临界阈值K为0.85，设定时间为0.5h，第一设定温度为20℃，第二设定温度为30℃，第一设定值K1为0.9，第二设定值K2为0.97。
(2)、处于额定负荷运行状态时，计算各层催化剂的累计相对活性ks,i，并根据催化剂累计相对活性设计指标ks，对催化剂性能进行判断并采取措施，具体而言：
计算各层催化剂的累计相对活性ks,i：
其中：
τ为催化剂投产后的累计运行时间，单位为h，
τ＝t-t0，t为当前运行时刻，t0为初始投产时刻，
ki,τ为第i层催化剂在累计运行时间τ时的活性，
ki,0为第i层催化剂在初始投产时刻的活性，
当各层催化剂的累计相对活性ks,i小于催化剂累计相对活性设计指标ks时，则提高吹灰器对该层催化剂的吹灰频率，催化剂累计相对活性设计指标ks为：
其中：
τ为催化剂投产后的累计运行时间，单位为h，
δ0为正常设计状态下的时间常数，
根据上述计算得到的各层催化剂的累计相对活性ks,i，计算实际状态下的时间常数δ：
判断实际状态下各层催化剂的累计相对活性降至设定值kd时的允许运行时间τf：
τf＝-δ×In(kd)，
其中：
δ为实际状态下的时间常数，
τf为实际状态下催化剂累计相对活性降至设定值kd时的允许运行时间，单位为h，
根据上述计算结果，需在允许运行时间τf前更换催化剂，结合检修工期，提前制定催化剂更换计划。
在本实施例中：
δ0为120000，因此催化剂累计相对活性的设计指标ks为：
实际状态下各层催化剂的累计相对活性降至设定值kd，设定值kd为0.7。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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