CN106596832A - 一种scr脱硝催化剂的评价装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SCR脱硝催化剂的评价装置，可在真实工况下对SCR脱硝催化剂的性能进行评价。装置的基础烟气采用燃气锅炉或燃油锅炉产生；设有配气***及烟气混合装置，可向基础烟气内均匀配入NO、NH3、SO2、O2、H2O；设有两段式预热器，可将烟气预热至200~550℃；二级预热器后设有反应器，由2‑4段串联反应管组成，反应管的内截面尺寸为50*50 mm~150*150 mm，每段长度为500~1500 mm，工作温度为200~450 ℃；设有采样管线，用于烟气组分浓度的在线分析，采样管线一端通过开关阀与位于每段反应管前后部的采样端口相连，另一端与在线分析***连接；采用可编程逻辑控制器，通过控制电脑上的人机交互界面控制功能性元件，使用数据库软件实时记录所有运行参数和分析结果。

Description

一种SCR脱硝催化剂的评价装置
技术领域
本发明涉及一种SCR脱硝催化剂的评价装置，具体而言，涉及一种可以在真实工况下对SCR烟气脱硝催化剂的反应性能进行评价的装置。
背景技术
氮氧化物（NOX）是最主要的大气污染物之一，它可以与大气中的其它污染物发生复杂的次级化学反应，形成酸雨、光化学烟雾和可入肺细颗粒物（即PM2.5），严重影响环境质量，危害人体健康。空气中的NOX大都由化石燃料高温燃烧过程产生，主要来源包括火力发电、机动车排放和锅炉废气。2013年中国NOX排放量达到2227.4万吨，其中火力发电排放量达834万吨，占比37.4%（燃煤电厂烟气排放连续监测***现状分析：中国电力减排研究2014，王志轩等著，北京：中国电力出版社，2015，p18），是NOX排放的最主要来源。控制火电NOX排放，是治理大气污染、减少灰霾天气的重点。
选择催化氧化还原（Selective catalytic oxidation, SCR）具有装置简单、脱除效率高等优点、是目前火电厂烟气脱除NOX的主流方法。SCR方法以氨（NH3）为还原剂，通过催化过程将NOX转化成无害的氮气和水。SCR催化剂通常以二氧化钛（TiO2）为载体，以氧化钒（V2O5）为主活性组分，并加入WO3或MoO3等助剂。根据成型方式的不同，可分为板式和蜂窝式两类。随着中国对电厂烟气排放标准的不断提高，SCR催化剂市场日趋火热，但由于缺少合适的催化剂反应性能评价装置，催化剂产品质量难以得到保障。
现有的SCR催化剂评价装置可分为微型反应器和中型反应器。微型反应器内径较小，仅能装入少量破碎的或粉末状的催化剂样品。因气流状态和催化剂实际运行工况有较大差别，测试条件对测试结果影响极大，所获得的结果无法代表催化剂在真实工况下的性能。现有中型反应器通常可以装入截面尺寸在70*70mm以上的块状催化剂样品或截面尺寸为150*150mm的单元体催化剂，气流状态与真实工况较为接近，但基础烟气通常采样制氮机发生的氮气模拟。由于模拟烟气主要为氮气，其组成与真实烟气差别较大，测试结果并不能代表催化剂在真实工况下的性能。
此外，现有中型装置还存在以下问题：
（1）烟气流量难以精确调节。通常只设有一条主烟气通道，烟气流量仅能通过基础烟气发生装置进行手动粗略调节，无法实现精确调节与设置，使装置的适用性极大降低，也使测试结果的准确性受到影响。
（2）烟气组分含量难于控制。现有装置大部分都通过手动调节烟气组分的流量来控制烟气组分的含量，不仅费时费力，还要求操作人员具有丰富的操作经验，增加了装置的使用难度，对人工因素的依赖也影响了测试结果的可靠性。
（3）反应器密封操作困难。由于中型装置可放置的催化剂样品较大，为了便于操作，反应器多采用顶部/侧面开启的方式，很难保证完全密封，会导致污染气体泄露，危害操作人员安全。也有部分装置采用截面开启法兰密封的方式，反应器密封较好，但装卸催化剂较为困难。此外，由于烟气有较强的腐蚀性，接口容易生锈，影响长期使用的可靠性。
（4）缺少自动控制功能，严重依赖人工操作。SCR催化剂测试需要较长的时间，现有装置通常需要大量人工操作来完成流量调节、配气、分析等测试过程，导致测试成本居高不下，结果的可靠性和重复性也难以保证。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种可以在真实工况下对SCR脱硝催化剂反应性能进行评价测试的装置。
本发明的测试装置具有以下特征（参见图1）：
(1) 基础烟气采用燃气锅炉或燃油锅炉（1）产生；
(2) 设有配气***（4）及烟气混合装置（5），可向基础烟气内均匀配入NO、NH3、SO2、O2、H2O；
(3) 设有两段式预热器（3，7），可将烟气预热至200 ~ 550 ℃；
(4)二级预热器（7）后设有反应器（9），由2-4段串联反应管组成，反应管的内截面尺寸为50*50 mm ~ 150*150 mm，每段长度为500 ~ 1500 mm，采用电加热方式加热，工作温度为200 ~ 450 ℃；
(5) 设有采样管线（10），用于烟气组分浓度的在线分析，采样管线一端通过开关阀（13）与位于每段反应管前后部的采样端口（8）相连，另一端与在线分析***（11）连接；
(6) 采用可编程逻辑控制器，通过控制电脑上的人机交互界面控制功能性元件，使用数据库软件实时记录所有运行参数和分析结果。
以燃气锅炉或燃油锅炉（1）产生的烟气作为基础烟气，可提供催化剂在真实工况下的烟气环境，是获得催化剂真实反应性能的基础条件。如果采用氮气发生器产生的氮气作为模拟基础烟气，其成分单一，无法完全模拟催化剂的实际运行工况，因而测试结果的准确性也会受到影响。燃油锅炉烟气与火电厂烟气最为接近，是优选的方案，所采用的燃料包括但不限于汽油、柴油、煤油、石脑油等。如受条件限制只能采用燃气锅炉时，由于天然气燃烧产生烟气的含水量高于火电厂烟气，可在锅炉出口烟气管路上安装除湿装置。本装置的锅炉可以与工厂生产线或供热***共用，以降低运行成本。如锅炉仅用来产生基础烟气，则需配备循环冷却装置。通常情况下锅炉可以设置不同的燃烧级别，以适配不同的烟气流量。在所需的烟气流量范围较大时，也可配置两台不同功率的锅炉。
本装置产生的烟气流量范围为10 ~ 550 Nm3/h（标准立方每小时），更优选50 ~350 Nm3/h，可满足绝大多数SCR催化剂的测试需求。烟气流量采用安装于主烟气管路上的流量计（6）测定，通常情况下采用文丘里管流量计，通过测定文丘里管的压差计算得到准确的烟气流量。流量计的位置可根据需求设置在二级预热器之前、预热器与反应器之间或反应器之后。
优选在锅炉烟气管路出口设置烟气旁路，与外排烟囱相连，用于排出过量的基础烟气。更优选在主烟气管路和烟气旁路上分别设置流量调节阀（2a、2b），通过与主烟气管路上的流量计（6）形成控制回路实现烟气流量的自动调整。
在锅炉之后的主烟气管路上设有配气***（4），用于调整烟气内氧气（O2）、水（H2O）、氨（NH3）、一氧化氮（NO）、二氧化硫（SO2）等组分的含量。经燃烧产生的基础烟气内含有一定量的水，如所需的水含量低于基础烟气含水量，可通过锅炉后的除湿装置进行调节；如所需的含水量高于基础烟气含水量，则通过蠕动泵和/或液体流量计控制流量配入额外的水，经汽化器加热气化后进入主烟气管路。氨是通过氨气或氨水的形式进样的，以氨水进样时，通过蠕动泵和/或液体流量计控制流量，经过喷嘴雾化后进入主烟气管路。NO可以由气体钢瓶提供，也可以由氨氧化燃烧生成。优选由在线分析***（11）与配气***（4）组成控制回路，自动完成对烟气内NO、NH3、SO2、O2、H2O中一种或几种组分的含量调整。
在配气***（4）后设有混合装置（5），用于烟气组分的充分混合。
本装置设有两级预热器（3，7），用于将烟气预热至200 ~ 550 ℃。第一级预热器（3）可根据需要设置在配气（4）及气体混合装置（5）之前或之后，第二级预热器（7）出口直接与反应器（9）相连。优选在预热器和反应器内部涂覆耐高温惰性涂层，避免酸性气体在高温高湿条件下与金属内部发生反应。
预热器（7）出口与反应器（9）连接，反应器（9）由2-4段反应管（9a，9b，……）串联构成，内截面尺寸为50×50 mm ~ 150×150 mm，每段反应管长度为500 ~ 1500 mm，可装入蜂窝状催化剂样品、板式催化剂样品或全尺寸的蜂窝催化剂单元体进行测试。反应器（9）采用模块式电加热，工作温度为200 ~ 450 ℃，控温热电偶置于烟气气流之中，以保证反应温度的准确性。优选在反应器（9）前后端及反应管之间放置石墨垫片，使用液压装置压紧密封。
每段反应管的前后部设有采样口（8）连接至采样管线（10）及在线分析***（11），用于烟气组分浓度的在线分析。采样管线（10）连接至采样口（8）一端设有开关阀门（13），另一端连接至在线分析仪。优选在分析管线（10）上安装电加热及保温层，最高可加热至350℃，以避免无机盐在管壁上沉积。可根据所需分析的烟气组分选择一个或多个在线分析仪，如NOX、SO2、O2等组分含量可通过红外分析进行分析，NH3、H2O等组分含量可通过激光分析仪进行分析。分析仪还可设有多个通道与不同的采样位置直接相连，可实现反应器不同位置烟气组分浓度的同步分析。优选在采样管线（10）上开关阀（13）为自动开关阀，以实现采样管线的自动切换。此外，装置还设有手动采样接口，用于气体组分的离线分析。
本装置采用可编程逻辑控制器，通过控制电脑上的人机交互界面控制功能性元件，使用数据库软件实时记录所有运行参数和分析结果。优选使用具有自控功能的设备和仪表，通过***的自动执行功能运行预先编制的实验程序，全自动完成催化剂性能的全部评价过程，以最大程度上节省评价时间，降低评价成本。***的所有工艺数据和分析数据均存储于数据库中，可随时通过图形化软件查询，或以文本形式导出。优选采样独立的硬件安全***，包括独立的硬件PLC、传感器、警报控制硬件回路等，在发生关键警报时，由安全***自动控制***进入保护状态，以满足无人值守自动运行的要求。
与现有技术相比，本发明的测试装置具有以下显著优点。
（1）采用燃烧过程产生的真实烟气作为基础烟气，测试条件与真实工况完全一致，测试结果更为准确。
（2）可采用烟气旁路设计，配合自控调节阀门，实现工作范围内任意烟气流量的精确快速调节。
（3）可采用石墨垫片液压密封设计，反应器密封良好，催化剂拆卸操作简便，可靠性好。
（4）可采样完全自动化的控制元件和具有自动执行功能的控制***，配合独立可靠的安全***，实现催化剂测试过程的无人值守全自动操作。
附图说明
图1是本发明的一种SCR催化剂评价装置的结构示意图。
图中：1-燃油/燃气锅炉；2a-旁路流量调节阀；2b-主路流量调节阀；3-一级预热器；4-配气***；5-混合装置；6-流量计；7-二级预热器；8-采样口；9-反应器；10-采样管线；11-在线分析***；12-排气泵；13-开关阀。
具体实施方式
实施例1
本发明的一种SCR脱硝催化剂评价装置，流程如图1所示。采用燃油锅炉（1）作为基础烟气发生装置，配有两级预热器（3，7）和两段式反应器（9）。每段反应器（9a，9b）的内部尺寸为150*150*1500 mm，反应器前后采用石墨垫片密封，前部、中部、后部均设有采样管线（10）与在线分析***（11）连接，烟气流量由流量计（6）测定，并与锅炉（1）出口旁路上的流量调节阀（2a）及反应器出口管路上的流量调节阀（2b）构成控制回路，自动调整经过反应器的烟气流量。
实施例2
本发明的一种SCR催化剂评价装置，与实施例1不同的是采用天然气燃烧炉及除水装置代替燃油锅炉（1）。
实施例3
本发明的一种SCR催化剂评价装置，与实施例1不同的是锅炉出口管路上不包含烟气旁路管道和调节阀门（2a），不具备烟气流量自动调整功能。
实施例4
本发明的一种SCR催化剂评价装置，与实施例1不同的是采样管线（10）上的阀门（13）为自动开关阀，可以通过程序控制自动完成不同采样位置的切换。
实施例5
本发明的一种SCR催化剂评价装置，与实施例1不同的是采样管线（10）上的阀门（13）为自动开关阀，可以通过程序控制自动完成不同采样位置的切换。配气***（4）与在线分析***（11）形成控制回路，可以通过程序自动完成烟气组分含量的调节。
实施例6
本发明的一种SCR催化剂评价装置，与实施例1不同的是采样管线（10）上的阀门（13）为自动开关阀，可以通过程序控制自动完成不同采样位置的切换。配气***（4）与在线分析***（11）形成控制回路，可以通过程序自动完成烟气组分含量的调节；装置配置独立的硬件安全***和自动执行***，可在无人值守条件下全自动完成测试过程。
实施例7
本发明的一种SCR催化剂评价装置，流程参见图1，所不同的是反应器（9）的内部尺寸为70*70*750 mm。
对比例1
小型SCR催化剂评价装置，反应器为单段管状，内径4 cm，催化剂容积50 ml，使用法兰密封，基础烟气采用氮气模拟。
对比例2
中型SCR催化剂评价装置，设有两段式反应器，每段反应器内部尺寸为150*150*1500mm，反应器基础烟气采用氮气模拟。
实施例8
将相同批次的蜂窝状SCR催化剂按上述装置反应器尺寸切割或破碎后装样，在相同的反应温度和SO2、NO、O2浓度下进行测试，烟气流速根据各设备的优化条件设定。
测试条件：
反应温度：385 ℃
NO浓度：400 vpm （标准干态）
SO2浓度：500 vpm（标准干态）
O2含量：5.0%
脱硝效率及SO2/SO3转化率的计算方法：
脱硝效率 % = (C1 - C2)/C2× 100
SO2/SO3转化率 % = (S3o - S3i)/S2i × 100
C1：反应器入口NO*浓度
C2：反应器出口NO*浓度
S3o：反应器出口SO3浓度
S3i：反应器入口SO3浓度
S2i：反应器入口SO2浓度
平衡时间：开始配气至气体组分达到设定值所需时间。
测试时间：预热器及反应器达到设定温度后，开始配气至完成老化测试全部过程所需时间。
脱硝效率及SO2/SO3转化率为反应稳定后连续三次测试结果的平均值。
由以上结果可以看出，本发明装置的测试结果与工厂实测最为接近，并且通过对测试流程的自动化控制，还可显著节省平衡时间和配气时间。而小型微反装置（对比例1）和采样氮气作为模拟基础烟气的中型装置（对比例2）测试值偏离实测值较多。此外，且小型装置无法同时通入SO2，无法同时测定SO2/SO3转化率。

Claims (12)

1.一种SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：可在真实工况下对SCR烟气脱硝催化剂的性能进行评价，主要包括：
(1) 基础烟气采用燃气锅炉或燃油锅炉（1）产生；
(2) 设有配气***（4）及烟气混合装置（5），可向基础烟气内均匀配入NO、NH3、SO2、O2、H2O；
(3) 设有两段式预热器（3，7），可将烟气预热至200 ~ 550 ℃；
(4) 二级预热器（7）后设有反应器（9），由2-4段串联反应管组成，反应管的内截面尺寸为50*50 mm ~ 150*150 mm，每段长度为500 ~ 1500 mm，采用电加热方式加热，工作温度为200 ~ 450 ℃；
(5) 设有采样管线（10），用于烟气组分浓度的在线分析，采样管线一端通过开关阀（13）与位于每段反应管前后部的采样端口（8）相连，另一端与在线分析***（11）连接；
(6) 采用可编程逻辑控制器，通过控制电脑上的人机交互界面控制功能性元件，使用数据库软件实时记录所有运行参数和分析结果。
2.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：通过反应器（9）的烟气流量为 10 ~ 550 Nm3/h。
3.根据权利要求2所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：通过反应器（9）的烟气流量为 50 ~ 350 Nm3/h。
4.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：烟气从锅炉（1）出来以后分为两路，一路通向预热器（3，7）和反应器（9）；另一路是旁路，用于过量烟气的外排。
5.根据权利要求4所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：烟气旁路和主路上分别设有流量调节阀（2a）和（2b），并与烟气主路上的流量测量装置（6）形成控制回路，自动对烟气流量进行调整。
6.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：NO由NH3的氧化燃烧产生。
7.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：在线分析***（11）与配气***（4）形成控制回路，自动对烟气内NO、NH3、SO2、O2、H2O中一种或几种组分的含量进行调整。
8.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：预热器（3，7）和反应器（9）内壁附有不与酸性气体反应的耐高温惰性涂层。
9.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：反应器（9）每段反应管的前后端放置石墨垫片，使用液压装置压紧密封。
10.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：采样管线（10）设有电加热及保温层，最高可加热至350 ℃。
11.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：采样管线（10）与采样端口之间的开关阀（13）为自动开关阀。
12.根据权利要求1所述的SCR脱硝催化剂的评价装置，其特征在于：控制***具有自动执行功能，通过在控制电脑上运行预先编制的实验程序，自动完成催化剂性能评价。
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