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Scr脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法
【專利摘要】一種SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，包括步驟：搭建SCR催化劑活性檢測實驗臺，從現場服役的整塊催化劑中切出試樣塊，將試樣塊放置在反應器中，設定各次實驗的實驗參數，包括：反應器內部溫度、實驗氣體導入量以及氨氮比；模擬服役中的SCR脫硝系統(tǒng)催化劑化學反應過程，建立反應器中催化劑的化學反應模型，計算催化劑的動力學參數，將所述動力學參數設為催化劑動力學參數的初始值，利用氨氧化動力學參數對所述催化劑動力學參數的初始值進行逐步回歸尋優(yōu)，獲取催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數。通過本發(fā)明的技術，可以為電廠SCR脫硝系統(tǒng)運行調節(jié)方案的制定提供技術支持。
【專利說明】SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力工程【技術領域】，特別是涉及一種SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法。
【背景技術】
[0002]選擇性催化還原法脫硝技術，主要是以TiO2為載體的V2O5基工業(yè)催化劑，包括V2O5AiO2, V2O5AiO2-SiO2, V205-W03/Ti02 和 V205-Mo03/Ti02，其操作溫度在 280_420°C之間，脫硝效率可達到85%以上，可有效地減少氮氧化物排放，滿足日益嚴格的環(huán)保要求，在火力發(fā)電中得到了廣泛應用。近年來低溫SCR脫硝催化劑的研發(fā)進展很快，形成了以活性炭為載體，以V205、Fe2O3和MnOx等為活性組分的各種催化劑，但這些催化劑均尚未經過工業(yè)驗證。在國內，為了滿足越來越嚴格的NOx排放標準，SCR脫硝技術已經成為火電廠氮氧化物控制的主流技術。
[0003]催化劑是電廠SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的核心，它約占其投資的1/3，催化劑結構和組成的選擇對電站安全經濟運行至關重要，而且在運行過程中，由于其催化劑的失效而需要的定期更換費用占運行成本的主要部分，安裝SCR脫硝系統(tǒng)后，也會對鍋爐系統(tǒng)的結構設計及安全經濟運行帶來影響。因此，需要測量SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數，為電廠SCR脫硝系統(tǒng)運行調節(jié)方案的制定提供指導依據。

【發(fā)明內容】

[0004]基于此，有必要提供一種SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，從而可以為電廠SCR脫硝系統(tǒng)運行調節(jié)方案的制定提供了依據。
[0005]一種SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，包括如下步驟:
[0006]搭建SCR催化劑活性檢測實驗臺，該實驗臺包括:
[0007]微量水泵、汽化器、混合器、預熱器、加熱電爐、NO氣體標準氣瓶、O2氣體標準氣瓶、N2氣體標準氣瓶、NH3氣體標準氣瓶、反應器和煙氣分析儀；其中，微量水泵、汽化器、預熱器、反應器通過導管連接；混合器通過導管連接NO氣體標準氣瓶、O2氣體標準氣瓶和N2氣體標準氣瓶，分別接入NO氣體、O2氣體和N2氣體；反應器通過導管連接NH3氣體標準氣瓶，接入NH3氣體；汽化器產生H2O氣體，反應器置于加熱電爐中；
[0008]實驗操作過程如下:
[0009]從現場服役的整塊催化劑中切出試樣塊，將試樣塊放置在反應器中，設定各次實驗的實驗參數，包括:反應器內部溫度、實驗氣體導入量以及氨氮比；
[0010]實驗時，先通入O2氣體和N2氣體，啟動加熱電爐以恒定升溫速率將反應器內部加熱至設定溫度，待溫度保持穩(wěn)定后通入NO氣體，待NO的濃度穩(wěn)定后，記錄煙氣分析儀錄得的NO氣體濃度；然后通入NH3氣體在反應器中進行反應，待反應后的NO氣體濃度趨于穩(wěn)定后，記錄煙氣分析儀錄得的NO氣體濃度；
[0011]建立反應器中催化劑的化學反應模型，根據記錄的NO氣體濃度參數，催化劑的結構參數以及化學反應模型計算催化劑的動力學參數，將所述動力學參數設為催化劑動力學參數的初始值，利用氨氧化動力學參數對所述催化劑動力學參數的初始值進行逐步回歸尋優(yōu)，獲取催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數。
[0012]上述SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，基于實驗和計算耦合的方式，通過模擬現場服役中的SCR脫硝系統(tǒng)的催化劑化學反應過程，然后根據相關實驗數據計算在氨氧化狀態(tài)下的催化劑的動力學參數，從而可以為電廠SCR脫硝系統(tǒng)運行調節(jié)方案的制定提供技術支持。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為SCR催化劑活性檢測實驗臺的結構示意圖；
[0014]圖2所示為固定床積分的反應器的示意圖；
[0015]圖3為新蜂窩實測與模擬的脫硝效率對比示意圖；
[0016]圖4為舊蜂窩實測與模擬的脫硝效率對比示意圖；
[0017]圖5為新波紋實測與模擬的脫硝效率對比示意圖；
[0018]圖6為舊波紋實測與模擬的脫硝效率對比示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發(fā)明的SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法的【具體實施方式】作詳細描述。
[0020]參見圖1所示，圖1為SCR催化劑活性檢測實驗臺的結構示意圖，該實驗臺包括:
[0021]微量水泵101、汽化器102、混合器103、預熱器104、加熱電爐106、反應器105、NO氣體標準氣瓶109、O2氣體標準氣瓶110、N2氣體標準氣瓶108、NH3氣體標準氣瓶111和煙氣分析儀107 ;混合器通過導管連接NO氣體標準氣瓶109、O2氣體標準氣瓶110和N2氣體標準氣瓶108，分別接入NO氣體、O2氣體和N2氣體；反應器105通過導管連接NH3氣體標準氣瓶111，接入NH3氣體；反應器105置于加熱電爐106中。
[0022]其具體工作原理如下:
[0023]通過NO氣體標準氣瓶109、O2氣體標準氣瓶110、N2氣體標準氣瓶108和NH3氣體標準氣瓶111分別導入NO氣體、N2氣體、O2氣體和NH3氣體，并測量流過的氣體質量。汽化器102導入H2O,其中反應氣體為NO、O2和NH3, N2為載體，H2O由微量水泵101抽入汽化器102進行汽化，混合器103的作用是將NO氣體、N2氣體和O2氣體進行充分混合，混合后的氣體通入預熱器104加熱至200°C左右，NH3在加熱電爐106前加入，與混合氣體一起進入反應器105，實驗前將整塊催化劑切出50mmX 50mmX 35mm的試樣塊，放置于反應器105中心的樣品架115上。電爐由四段加熱組成，使實驗氣體加熱至要求溫度，并保持反應器105溫度均勻。反應氣體在催化劑a中發(fā)生反應，催化劑a的溫度由伸入催化劑中心E型熱電偶進行測量，并將測出催化劑a的溫度實現顯示，通過調節(jié)電爐溫度使反應器105內催化劑a的溫度達到設定值，反應后的煙氣，先后通過冷凝器112對反應后的煙氣進行降溫，以及干燥器113對反應后的煙氣進行干燥處理，再通過煙氣分析儀107進行煙氣分析。[0024]實驗操作過程如下:
[0025]從現場服役的整塊催化劑中切出試樣塊，將試樣塊放置在反應器中，其中，實驗的催化劑包括:新波紋板催化劑和服役40200h的波紋板催化劑、新蜂窩狀催化劑和服役20000h的蜂窩狀催化劑。
[0026]設定各次實驗的實驗參數，包括:反應器內部溫度、實驗氣體導入量以及氨氮比。具體的，所述實驗中反應器內部溫度分別為290°C、320°C、35(rC、38(rC ;實驗中氣體為NO氣體300ppm，O2氣體為5%，H2O氣體為10%，其余部分為N2氣體；氨氮比分別為0.5、0.8、1.1。
[0027]實驗時，先通入O2氣體和N2氣體，啟動加熱電爐以恒定升溫速率將反應器內部加熱至設定溫度，待溫度保持穩(wěn)定后通入NO氣體，待NO的濃度穩(wěn)定后，記錄煙氣分析儀錄得的NO氣體濃度；然后通入NH3氣體在反應器中進行反應，待反應后的NO氣體濃度趨于穩(wěn)定后，記錄煙氣分析儀錄得的NO氣體濃度。
[0028]在一個實施例中，在實驗數據穩(wěn)定30分鐘后，記錄煙氣分析儀錄得的NO氣體濃度數據，每種催化劑重復兩次實驗，記錄數據為取兩次實驗的平均值，可以保證實驗數據的可靠性和準確性。
[0029]通過上述實驗過程后，建立反應器中催化劑的化學反應模型，根據記錄的NO氣體濃度參數，催化劑的結構參數以及化學反應模型計算催化劑的動力學參數，將所述動力學參數設為催化劑動力學參數的初始值，利用預設的氨氧化動力學參數對所述催化劑動力學參數的初始值進行逐步回歸尋優(yōu)，獲取催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數。
[0030]在一個實施例中，具體過程如下:
[0031]參考圖2所示，圖2所示為固定床積分的反應器的示意圖，假設煙氣流動為一維柱塞流，煙氣中NOx只考慮NO的主反應式，建立微元體積的控制方程，如公式U):
[0032]Rso{\-8H).Λ-dl = A-U- Cldxso(I)
[0033]式中，Rito為單位體積催化劑的NO反應速率(mol/m3-cat/s)，ε B為催化劑床層的孔隙率，A為催化劑入口截面積(m2)，I為催化劑的長度，u為煙氣的表觀速度(m/s)，C:為
NO的反應器入口摩爾濃度(mol/m3)，xN0為NO的轉化率。
[0034]當氨氮比大于I時，反應速率方程采用一級反應速率方程，如公式(2)。
[0035]Rno-KnoCno (2)
[0036]式中，Knq為NO的表觀反應速率常數(1/s)，Cno為NO的摩爾濃度(mol/m3)。
[0037]當氨氮比小于I時，反應速率方程公式如式(3)。
[0038]Ryo = K?oCνοθNHiΠ)
[0039]式中，θΝΗ?為順3的覆蓋率，即NH3吸附在催化劑表面的活性位占催化劑表面總的活性位的比例。
[0040]Kno 采用 Arrhenius 方程，即
[0041]KN0=Aexp (-E/RT) (4)
[0042]式中，A為NO反應的指前因子(1/s)，E為NO反應的活化能(J/mol), R為摩爾氣體常數(J/mol/K)，其值為8.314J/mol/K, T為熱力學溫度。
[0043]而NH3的覆蓋率表達式為:
【權利要求】
1.一種SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，其特征在于，包括如下步驟: 搭建SCR催化劑活性檢測實驗臺，該實驗臺包括: 微量水泵、汽化器、混合器、預熱器、加熱電爐、NO氣體標準氣瓶、O2氣體標準氣瓶、N2氣體標準氣瓶、NH3氣體標準氣瓶、反應器和煙氣分析儀；其中，微量水泵、汽化器、預熱器、反應器通過導管連接；混合器通過導管連接NO氣體標準氣瓶、O2氣體標準氣瓶和N2氣體標準氣瓶，分別接入NO氣體、O2氣體和N2氣體；反應器通過導管連接NH3氣體標準氣瓶，接入NH3氣體；汽化器產生H2O氣體，反應器置于加熱電爐中； 實驗操作過程如下: 從現場服役的整塊催化劑中切出試樣塊，將試樣塊放置在反應器中，設定各次實驗的實驗參數，包括:反應器內部溫度、實驗氣體導入量以及氨氮比； 實驗時，先通入O2氣體和N2氣體，啟動加熱電爐以恒定升溫速率將反應器內部加熱至設定溫度，待溫度保持穩(wěn)定后通入NO氣體，待NO的濃度穩(wěn)定后，記錄煙氣分析儀錄得的NO氣體濃度；然后通入NH3氣體在反應器中進行反應，待反應后的NO氣體濃度趨于穩(wěn)定后，記錄煙氣分析儀錄得的NO氣體濃度； 建立反應器中催化劑的化學反應模型，根據記錄的NO氣體濃度參數，催化劑的結構參數以及化學反應模型計算催化劑的動力學參數，將所述動力學參數設為催化劑動力學參數的初始值，利用氨氧化動力學參數對所述催化劑動力學參數的初始值進行逐步回歸尋優(yōu)，獲取催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數。
2.根據權利要求1所述的SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，其特征在于，所述實驗中反應器內部溫度分別為290°C、320°C、35(TC、38(rC ;實驗中氣體為NO氣體300ppm，02氣體為5%，H2O氣體為10%，其余部分為N2氣體；氨氮比分別為0.5、0.8、1.I。
3.根據權利要求1所述的SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，其特征在于，在實驗數據穩(wěn)定30分鐘后，記錄煙氣分析儀錄得的NO氣體濃度數據。
4.根據權利要求1所述的SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，其特征在于，實驗的催化劑包括:新波紋板催化劑和服役40200h的波紋板催化劑、新蜂窩狀催化劑和服役20000h的蜂窩狀催化劑。
5.根據權利要求1所述的SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，其特征在于，每種催化劑重復兩次實驗，記錄數據為取兩次實驗的平均值。
6.根據權利要求1所述的SCR脫硝系統(tǒng)催化劑在氨氧化狀態(tài)下的動力學參數測量方法，其特征在于，所述催化劑的化學反應模型包括: 微元體積的控制方程，如公式: 式中，Rno為單位體積催化劑的NO反應速率(mol/m3-Cat/S)，ε Β為催化劑床層的孔隙率，A為催化劑入口截面積(m2)，I為催化劑的長度，u為煙氣的表觀速度(m/s)(為NO的反應器入口摩爾濃度(mol/m3)，xN0為NO的轉化率。
【文檔編號】G01N33/00GK103472188SQ201310404943
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權日:2013年9月6日
【發(fā)明者】李德波 申請人:廣東電網公司電力科學研究院