燃煤电站SCR催化剂更换周期及策略优化数学模型

燃煤电站SCR催化剂更换周期及策略优化数学模型
李德波;廖永进;陆继东;徐齐胜;扬青山
【摘要】对燃煤电站烟气脱硝选择性催化还原(SCR)催化剂的有效管理进行了研究.得到催化剂活性预测模型、反应器脱硝性能计算数学模型和催化剂更新效益评估模型.根据这些模型,可以对催化剂更新策略进行研究,并可对其效益进行评估.SCR脱硝反应器性能计算可采用分层计算的方法,所有催化剂层脱硝潜能之和即为反应器脱硝潜能的总和.对运行数日的催化剂及新催化剂样品进行了催化活性测试,得到了催化剂失活函数,为催化剂更新及其效益评估的工程实践打下了基础.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2013(046)012
【总页数】4页(P118-121)
【关键词】燃煤电站;烟气脱硝;SCR;催化剂更换周期;数学模型
【作者】李德波;廖永进;陆继东;徐齐胜;扬青山
【作者单位】广东电网公司电力科学研究院,广东广州510060;广东电网公司电力科学研究院,广东广州510060;华南理工大学电力学院,广东广州510640;广东电网公司电力科学研究院,广东广州510060;广州宇阳电力科技有限公司,广东广州510600
【正文语种】中文
【中图分类】TK223;X511
0 引言
SCR脱硝系统的核心是催化剂，其性能直接影响SCR系统的脱硝效率和运行状况。

催化剂的初投资在脱硝项目投资中所占比例很高，其寿命决定了SCR系统的运行
成本。

催化剂管理是指根据催化剂的失活速率、性能要求和系统能力来预测何时需要加装、替换或者再生催化剂层。

有效的催化剂管理是一个长期的计划，需要全面考虑以下因素：计划停机安排，污染物排放标准，可利用的污染物控制技术和电厂的设备运行调整等。

只有制定合理的催化剂管理方案，优化设备运行状况，才能实现最低的发电成本[1]。

国外某些运营公司在20世纪末就开始进行SCR催化剂的
有效管理；中国燃煤电厂脱硝技术起步较晚，暂时没有对催化剂的有效管理进行研究[2-9]。

本文对催化剂有效管理的相关数学模型进行深入研究，为全面开发催化剂管理系统以及制定电站锅炉SCR脱硝催化剂更换策略奠定基础。

1 催化剂活性预测模型
在脱硝系统运行过程中，由于催化剂中毒、堵塞等原因，其活性会随时间推移而不断降低直至失活。

催化剂失活是一个十分复杂的物理化学过程。

要准确描述反应器的性能，就必须研究催化剂活性随时间的变化规律，建立失活数学模型。

对于某一具体的反应过程，目前还无法完全从理论上确定合适的失活方程类型及其关键参数。

一般的做法是在催化剂使用的过程中定期测量催化剂的活性，再根据实际测量的数据来确定失活方程类型及其参数。

对于SCR脱硝催化剂，通常是定期取样，在实
验室模拟烟气条件下测量试样的活性，并将其作为催化剂的真实活性。

根据国内外有关的工程测量数据,对于商业SCR烟气脱硝催化剂,失活方程一般具有指数型特征。

假设催化剂失活速率为常数,指数型失活方程描述为
式中：rk为催化剂的失活速率；k为催化剂活性；tc为催化剂与反应物的累计接
触时间；A为失活速率。

失活方程的解为
式中：k0为催化剂初始活性；t为催化剂使用时间。

单个SCR脱硝反应器一般安装有2—3层催化剂，不同层的催化剂的失活速率不同。

通常，第1层催化剂由于最接近反应器入口，烟气条件比较恶劣，其失活速
率要高于下面2层催化剂。

本文假定3层催化剂的失活速率存在线性比例关系，
并且失活速率从大到小的排序为第1层、第2层、第3层。

2 反应器脱硝性能计算数学模型
反应器是SCR脱硝系统的核心部件，是烟气中NOx与NH3在催化剂表面上反应生成N2和H2O的场所。

SCR脱硝反应器有2项最重要的性能指标：脱硝效率和氨逃逸率（出口氨浓度）。

电厂主要根据这2项性能指标来制定催化剂管理计划，决定何时加装或更换催化剂。

本节从催化剂活性角度对SCR脱硝反应器进行性能
计算，并对脱硝效率及氨逃逸率予以计算，以判断催化剂是否需要更新。

图1 SCR脱硝反应器催化剂布置示意Fig.1 Layout of the catalytic reactor
国内电厂SCR脱硝反应器催化剂大多采用“2+1”的布置形式，即脱硝装置运行
初期安装2层催化剂，预留第3层催化剂空间；待运行一段时间后催化剂性能不
能满足环保要求时再加装1层催化剂。

催化剂布置如图1所示。

烟气从反应器进口流进，从上到下依次经过各层催化剂，发生脱硝反应，最后从反应器出口流出。

进行SCR脱硝反应器性能计算时，采用逐层催化剂计算的方法，
并且作以下几点简化处理。

（1）上1层催化剂的出口烟气参数作为下1层催化剂的入口烟气参数。

（2）反应器进口烟气参数作为第1层催化剂的进口烟气参数。

（3）最后1层催化剂的出口烟气参数作为整个反应器的出口烟气参数。

获得反应器已知条件后，从第1层催化剂开始计算。

SCR脱硝反应器性能计算逻辑如图2所示。

单层催化剂的脱硝效率表示为
图2 反应器性能计算逻辑Fig.2 Computation performance
式中：ηi为第i层催化剂的脱硝效率；γi为第i层催化剂入口氨氮体积分数比；ki 为第i层催化剂活性，m/h；vAi为第i层催化剂的面速度，m/h。

其中，单层催化剂的面速度为
式中：qvi为第i层催化剂进口烟气流量，m3/h（下同）；Ai为第i层催化剂表面积，m2。

催化剂的潜能表示为
式中：PRi为第i层催化剂的潜能。

在逐层催化剂计算完成之后，所有催化剂层的潜能之和即为反应器的潜能PR。

同时，SCR脱硝反应器出口的NOx浓度和氨逃逸率由式（6）和式（7）得到。

式中： CNOx，in 为进口 NOx 体积分数， 10-6； CNOx，out 和CNH3，out 分别为出口 NOx和氨体积分数， 10-6；γ 为反应器进口氨氮体积分数之比；
3 催化剂更新效益评估模型
催化剂的性能直接影响着反应器的运行状况，在估算催化剂更换成本时，不能仅考虑催化剂消耗的成本，还应该包括脱硝系统日常运行成本及环保成本等。

脱硝系统日常运行的主要成本不仅包括液氨，还包括电耗等（对于以液氨为还原剂的SCR
脱硝系统，其系统阻力增加会使引风机电耗增加）。

在一定时间t内，催化剂更新的成本为F（t），则
式中： C（t）为催化剂相关成本； P（t）为脱硝系统日常运行成本；E（t）为环保成本。

在t时间内，催化剂更新平均每小时的成本为
通过催化剂失活函数，可预测各种更新策略的SCR脱硝系统的潜能及催化剂的寿命；使用反应器性能计算公式，可计算出各种更新策略的脱硝性能指标值，包括出口NOx含量及氨逃逸率。

在确保SCR运行安全的条件下，结合电厂停机计划制定各种更新策略的更新时间，从而可估算出催化剂更新的各项成本。

由于现场SCR运行状况非常复杂，与其相关的费用繁多，特作以下简化与假设。

（1）SCR运行工况为现场正常运行时的工况。

（2）SCR系统入口NOx浓度保持不变。

（3）再生催化剂的初始活性与新鲜催化剂活性一致，但再生后催化剂的失活速率加快20%。

（4）催化剂更新成本主要考虑催化剂相关成本、脱硝系统日常运行成本和环保成本。

其中催化剂相关成本又包括购买新催化剂的费用、再生催化剂费用、安装催化剂费用、处置废弃催化剂的费用；脱硝系统日常运行成本包括液氨费用和引风机增加的电耗；环保成本为NOx排放费用。

基于上述假设，在一定时间t内，催化剂更新的成本如式（8）所示
式中： C1（t）为购买新催化剂的费用； C2（t）为再生催化剂费用； C3（t）为安装催化剂费用； C4（t）为处置废弃催化剂的费用； P1（t）为液氨费用； P2
（t）为引风机增加的电耗；E1（t）为NOx减排成本。

4 催化剂更新策略及效益评估
4.1 催化剂更新相关成本
根据催化剂更换方式制定催化剂的更新策略，通过催化剂活性预测模型预测各种更新策略的SCR脱硝系统的潜能及催化剂的寿命，结合反应器的脱硝性能计算模型
计算出各种更新策略的脱硝性能指标，包括出口NOx含量及氨逃逸率，再通过催化剂更新效益评估模型预测各种更新策略的成本，最终比较各策略的优势。

本文以某电厂SCR脱硝系统为研究对象，对其进行催化剂更新策略的研究及效益评估。

SCR脱硝装置运行消耗品价格如表1所示。

SCR脱硝系统催化剂截面为15.49 m×8.76 m，高度为1 m，1层催化剂的体积
为135.69 m3。

更新SCR脱硝系统催化剂一般是将A、B两侧同时更换，则更换
1次催化剂的总体积是271.38 m3。

该电厂小修周期为1年半，大修周期为4年，每年SCR平均投运时间为300天。

表1 SCR脱硝装置运行费用Tab.1 The running cost of SCR device注：①NOx 质量按NO质量/0.95计。

项目数值催化剂成本新催化剂/（元·m-3）50000再
生催化剂/（元·m-3）30000每层催化剂安装费用/元 20000处理废弃催化剂/（元·m-3）5000液氨/（元·t-1）3000每层催化剂新增风机电耗/kW 144.75上
网电价/（元·（kW·h）-1）0.498环保成本① NOx排放费用/（元·kg-1）0.6运
行消耗成本
根据中国《排污费征收管理办法》，NOx在2004年7月1日起按0.63元/kg收费。

GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》规定，2003年12月31日以后获得环评批复的火电厂NOx排放限值为100 mg/m3（标准状态，下同），
将于2014年7月1日执行，该电厂适用此规定。

逃逸氨的体积分数设计值为
≤3×10-6。

4.2 催化剂失活速率
某电厂机组SCR脱硝系统实际服役25144.5 h，对所用SCR催化剂进行了测试。

该机组共有2台SCR脱硝反应器，每台装有2层催化剂（预留1层催化剂安装空间）。

分别对反应器2层催化剂进行取样，并与新催化剂一起进行了催化剂活性
测试。

将催化剂切割成50 mm×50 mm×200 mm的试块，并将试块放入活性测试装置中进行测试。

测试流程：升温并向测试装置中通入模拟烟气，当反应稳定后记录相关数据，通过多次测试算出催化剂活性的平均值。

假定3层催化剂的失活
速率存在线性比例关系，并且失活速率从大到小的排序为第1层、第2层、第3层，即可计算出第3层的催化剂活性。

催化剂的活性测试及计算结果如表2所示。

表2 催化剂的活性测试及计算结果Tab.2 Test resultsthe catalytic activity项目
新催化剂第1层催化剂第2层催化剂催化剂活性/（m·h-1）48.74 27.73 34.19 根据服役时间、催化剂初始活性和式（2），可得出每1层催化剂的失活速率A，第3层催化剂的失活速率按照假设与第1层和第2层失活速率线性减小，催化剂
各层的失活速率如表3所示。

表3 各层催化剂失活速率计算结果Tab.3 Computational resultsof deactivation 项目第1层催化剂第2层催化剂第3层催化剂失活速率/（m·h-1）2.24×10-5 1.41×10-5 0.72×10-5
试验得到的各层催化剂失活函数式如下。

式中：如果催化剂为新催化剂，那么k0为新催化剂的活性；如果催化剂为运行后的催化剂，那么k0为该催化剂的活性。

5 结语
本文通过理论分析，给出了与燃煤电站SCR催化剂有效管理相关的各类模型；通
过实际测试，得到各层催化剂失活函数式。

研究结果为燃煤电站SCR催化剂有效
管理奠定了基础。

本文为该项研究的理论部分，工程实践部分将在后续论文予以介绍。

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