CN1977162A - 脱硝催化剂的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供考虑脱硝催化剂的气体流路内的气体流动能评估实际的催化剂性能的脱硝催化剂的试验方法，是用于排烟气脱硝装置、且具有从入口侧向出口侧供给排气的气体流路，同时在该气体流路的侧壁进行脱硝蜂窝型的脱硝催化剂的试验方法，其中，准备试验片，该试验片的长度包含从上述脱硝催化剂的入口侧向上述气体流路内供给的被处理气体的流动紊乱的紊流区域全部以及该紊流被整流形成层流的层流区域的至少一部分，对该试验片实施第1脱硝试验，然后，只切除上述紊流区域的长度，进行第2脱硝试验，从这些试验结果评估上述紊流区域的催化剂性能，同时评估上述层流区域的催化剂性能，由此评估上述脱硝催化剂的催化剂性能。

Description

脱硝催化剂的试验方法
技术领域
本发明涉及为了评估火力发电所等的排烟气脱硝装置的脱硝催化剂的性能而进行的脱硝催化剂的试验方法。
背景技术
以前，以石油、石炭、天然气等为原料的火力发电所的锅炉以及各种大型的锅炉、其他的废弃物烧却装置等中设计排烟气脱硝装置，在排烟气脱硝装置中内藏着多层的脱硝催化剂。
作为脱硝催化剂，使用蜂窝型和板状型，连续使用的话，使催化剂性能劣化的物质(以下，称为劣化物质)附着或溶解在催化剂表面以及内部，由此具有降低催化剂性能这样的问题。
另外，以前，脱硝催化剂的性质通过测定入口和出口的NOX浓度以及未反应NH3浓度进行管理，全体的性能降低的场合，从使用年数古老的催化剂顺次定期进行与新的催化剂和再生品的交换的操作。
此外，由于脱硝催化剂价格非常高，提出了提高对各单元脱硝催化剂性能进行评价、尽可能提高耐用年数的方案(例如，参照专利文献1)。
另外，如上述那样从基于NOX浓度算出催化剂性能的贡献率进行判断的场合，的确不能评估性能劣化的催化剂层，由此出发，提出了测定入口侧以及出口侧的NH3浓度，考虑入口摩尔比＝入口NH3/入口NOX，根据实际更准确地评估性能的方法(参照专利文献2)。
进一步，还进行了不在实机上而是从脱硝催化剂切出试验片用试验装置再现如上述那样的评价方法评价性能。例如，可举出以催化剂的量和反应气体量为基准的SV值，以及以催化剂的表面积与反应气体量为基准的AV值等。
但已知，在上述的现有的性能评价中，没有完全考虑气体流路内的气体流动，根据脱硝催化剂的长度不能进行充分的总体的性能评价。
专利文献1：特公平7-47108号公报(第2～3页、第1图)
专利文献2：特开2004-066228号公报(专利权利要求等)
发明内容
本发明鉴于这样的实情，其课题在于，提供-种考虑脱硝催化剂的气体流路内的气体的流动，可以评估实际的催化剂性能的脱硝催化剂的试验方法。
解决上述课题的本发明的第一种实施方式，是一种脱硝催化剂的验方法，是用于排烟气脱硝装置、且具有从入口侧向出口侧供给排气的气体流路，并且在该气体流路的侧壁进行脱硝的蜂窝型的脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，准备试验片，其包含从上述脱硝催化剂的入口侧供给到上述气体流路内的被处理气体的流动紊乱的紊流区域的全部，以及包含将该紊流整流后形成层流的层流区域的至少一部分的长度，对该试验片实施第1脱硝试验，然后，只切出上述紊流区域的长度，进行第2脱硝试验，从这些试验结果评估上述紊流区域的催化剂性能，同时评估上述层流区域的催化剂性能，由此评估上述脱硝催化剂的催化剂性能。
该第1种方式中，因为考虑到脱硝催化剂的气体流路内的气体的流动根据区域而不同进行评价，所以能评估切合实际的性能。
本发明的第2种方式是脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，在第1种方式中，以流入速度作为Uin(m/s)、以任意的蜂窝径作为Ly(mm)、以蜂窝径的常数Lys作为6mm时，上述紊乱区域的长度Lb(mm)是下述式(A)所特定的长度。
[数1]
Lb＝a(Ly/Lys·22e0.035(Ly·Uin))            (A)
(在用蜂窝径为6mm的蜂窝催化剂、流入速度为6m/s的场合下，a为选自3～6的范围的常数。)
该第2种方式中，可以正确评估紊乱区域的长度，更准确地评估催化剂性能。
本发明的第3种方式是脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，在第1或2的方式中，上述脱硝试验是将模拟在实际的装置中处理的气体的组成的气体，以实际的装置中的流入流速导入判断催化剂性能的试验方法。
该第3种方式中，通过模拟实机的试验条件，可以正确评估催化剂性能。
本发明的第4种方式是脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，在第1或2的方式中，上述脱硝试验是将模拟在实际的装置中处理的气体的组成的气体，以与实际的装置不同的流入流速导入，考虑流入流速和反应NOX的关系判断催化剂性能的试验方法。
在该第4种方式中，考虑通过流入流速与反应NOX的关系，即使以与实机的流入流速不同的流速进行试验，也能准确地评估催化剂性能。
本发明的第5种方式是脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，在上述第1～4的任一项的方式中，上述脱硝试验是测定各试验片的入口侧以及出口侧的NOX浓度的同时，测定各试验片的入口侧以及出口侧的NH3浓度，考虑入口摩尔比＝入口NH3/入口NOX，测定脱硝率η的试验方法。
该第5种方式中，由于测定各脱硝催化剂的出入口的NOX浓度以及NH3浓度，考虑入口摩尔比，测定脱硝率η，所以能绝对且准确地评价伴随着摩尔比提高而提高的脱硝率。
本发明的第6种方式是脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，在第5种方式中，上述脱硝率η基于NH3浓度进行测定的。
该第6种方式中，由于各脱硝催化剂的脱硝率η不是基于NOX浓度而是基于NH3浓度进行测定的，所以能更可靠地评价催化剂性能。
本发明的第7种方式是脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，第6种方式中，上述脱硝率η是依据下述式进行测定的。
[数2]
Figure A20058002162300061
该第7种方式中，可以稳定且准确地评估各脱硝催化剂的脱硝率。
根据本发明，由于考虑脱硝催化剂的入口侧的紊流区域和之后的层流区域，评价催化剂性能，所以能正确评估实际的催化剂性能。
附图的简单说明
[图1]表示预备试验1的结果的图。
[图2]表示预备试验2的结果的图。
[图3]表示预备试验3的结果的图。
[图4]表示预备试验3的结果的图。
[图5]表示本发明的试验例的结果的图。
[图6]表示本发明的试验例的结果的图。
[图7]表示本发明的实施例1的结果的图。
[图8]表示本发明的实施例2的结果的图。
[图9]表示本发明的实施例3的结果的图。
具体实施方式
本发明可以适用于以前一直使用的蜂窝所代表的尘埃穿过(dust-through)型的脱硝催化剂。这里，所谓的蜂窝或者尘埃穿过型催化剂，是指具有四角形、六角形或三角形等的断面多角形状的气体流路，在气体流路壁面发生催化剂反应的催化剂，代表性的有，断面六角形且整体为圆筒形状的催化剂，或者断面四角形具有划成格子状的气体流路的整体为四角柱状的催化剂，但并不限定于这些催化剂。
作为以前一直使用的蜂窝型的脱硝催化剂，主流是气体流路为7mm间距(蜂窝径为6mm左右)、长度为约700mm～1000mm的催化剂，在使用后的沿着长手方向考察各部位的劣化状态，结果发现，与入口侧的劣化相比，当然出口侧劣化少，在规定长度以后，即，在从入口开始300mm以后的部位，劣化状态基本上相同，特别是在出口侧300mm的范围，对脱硝反应的贡献比入口侧低，由此完成了本发明。即，发现在导入到脱硝催化剂的排气以紊流状态进入各气体流路，与侧壁接触进行脱硝反应，排气慢慢地被整流，在整流的层流状态，与侧壁的接触达到最低限，不能有效地贡献于脱硝反应，如果不考虑紊流区域和层流区域的反应状态，不能进行正确地评估催化剂性能，进而完成了本发明。
进一步详细地说，如果从脱硝催化剂的上游侧的排气的流路广阔的空间进入脱硝催化剂内的各气体流路，空间率例如从1减小到0.6～0.7，排气以相当紊乱(紊流区域)的状态与气体流路的壁面(催化剂表面)接触、通过，然而预料到在通过气体流路过程中形成慢慢地被整流，仅仅扩散引起物质的移动，推测在整流化后的层流区域与壁面冲突的NOX或NH3少，需要考虑气体变紊乱成为紊流的紊流持续距离，评价催化剂性能。
(预备试验1)
以实际的排烟气脱硝装置中使用了50,000小时的脱硝催化剂的长手方向的各部位(从入口侧从20mm的部位到850mm的部位)的催化剂作为样品，对各催化剂测定TiO2以及附着在表面的劣化物质CaO、SO3的表面浓度。
另外，催化剂从各催化剂层的各部位切出50mm×50mm×100mm(长度)，设置在性能试验装置中，对于100mm的部位、450mm的部位、800mm的部位，以气体条件用摩尔比(入口摩尔比＝入口NH3/入口NOX)表示为0.82、AV值(催化剂每单位表面积的处理量)设为6.5，如上述式表示那样，基于NH3浓度，测定脱硝率η。
这些结果示于图1。另外，作为比较对照品，对新品催化剂也同样地测定脱硝率η。
结果，劣化状态剧烈的是从入口到300mm左右，特别是在450mm以后，显示了接近新品的脱硝率。
(预备试验2)
从在实际的排烟气脱硝装置中使用的脱硝催化剂相对于气体的流动方向从入口侧600mm切出的脱硝催化剂，将其设置在性能试验装置中，将摩尔比(入口摩尔比＝入口NH3/入口NOX)设为0.6、0.8、1.0、1.2，将温度设为360℃，将流体的流入流速设为6m/s，在每100mm间隔处测定各自的脱硝率η。其结果表示在表1以及图2中。
从该结果确认与脱硝催化剂的长度成比例，脱硝率有增加的倾向，经过某种程度以后，确认脱硝率的增加有平稳的倾向。该原因推测与排气慢慢地被整流有关系。
[表1]
Figure A20058002162300091
(预备试验3)
使用整体大小为600mm×6mm×6mm、蜂窝径为6mm(7mm间距)的蜂窝催化剂，将温度条件设为350℃，将流体的流入速度Uin设为4、6、以及10m/s，进行模拟(数值解析手法)。
从该结果，在蜂窝催化剂中，从紊流迁移到层流时的紊流能变为没有为止的距离(以下，称为紊流持续距离Lts)之间，得到如图3所示的结果。即，以流入流速Uin设为4、6、以及10m/s的场合，求出紊流持续距离Lts分别为50、80、180mm。
此外，通常，计算上的流体的状态根据采用流入速度Uin和蜂窝径Ly的参数，即雷诺数Re(Re＝Uin·Ly/vv＝5.67×10-5m2/s；常数)来决定。
因此，蜂窝径6mm的蜂窝催化剂，根据流入速度Uins(m/s)和蜂窝径Lys(mm)的积决定紊流持续距离Lts(mm)，故可求得如图3所示那样的流入速度Uins(Uin)和蜂窝径Lys(Ly)的积与紊流持续距离Lts的关系。其结果，从由最小自乘法求得的概略式可以推测蜂窝径Lys为6mm场合下的紊流持续距离Lts由下述式(1)来特定。
[数3]
Lts＝22e0.035(Lys·Uins)           (1)
这里，以蜂窝径Lys＝6mm作为常数，以蜂窝径Ly(mm)为任意的场合，把流入速度作为Uin时的紊流持续距离Lt可以通过下述式(2)特定，其为通式。
[数4]
Lt＝Ly/Lys·22e0.035(Ly·Uin)          (2)
这里，为了对比该模拟结果与实际的装置中使用的催化剂的气体流路内排气被整流的程度的规定长度(最适长度)，在求算紊流持续距离Lt与实际的装置中使用的催化剂的紊流持续距离、即、与作为排气被整流的原因的污染范围的寸法(污染距离)之间的关系时，得到了如图4所示的结果。即，在实际的装置中，由流入速度的不均一和流体紊乱的发展等的原因，可推测出相对于由模拟求得的紊流持续距离Lt，紊流持续增长。
因此，实际的装置中直到被整流的规定长度、即、紊乱区域的长度需要考虑污染范围中富裕分的加入量α来特定，需要对式(2)乘以常数a，实际的催化剂的紊乱区域的长度Lb推测由下述式(3)特定。常数a在蜂窝径为6mm(7mm间距)的蜂窝催化剂中以流入速度为6m/s的场合下，是选自3～6的范围的常数。
[数5]
Lb＝a·Lt                     (3)
这里，在上述的试验例1中，因为以6m/s使用蜂窝径6mm(7mm间距)的蜂窝催化剂，所以Lt＝80mm，如果a3.8，则与实际的劣化状态剧烈的范围即约300mm一致，如果a5.6，则成为与实际上直到与新品同样为止的长度450mm。
另外，在同样的蜂窝催化剂中，在a＝3～6的场合，紊乱区域的长度Lb在约240～480mm的范围，实际的脱硝催化剂劣化剧烈，与预料气体流路内的排气的紊流区域的长度约300mm～450mm几乎一致。因此，紊乱区域的长度Lb可以为与a＝3～6对应的240～480mm的范围。
(预备试验总结)
由以上的结果，蜂窝型的脱硝催化剂的紊流区域可以用下述式表示。
[数6]
Lb＝a(Ly/Lys·22e0.035(Ly·Uin))       (A)
(在蜂窝径为6mm的蜂窝催化剂以流入速度6m/s的场合下，a是选自3～6的范围的常数。)
并且，本发明方法比紊乱区域的长度长，即、使用包括紊流区域和其下游侧的层流区域的至少一部分长度的试验片，进行第1脱硝试验(紊流区域以及层流区域的性能评价)，然后，只切出紊流区域，进行第2脱硝试验(紊流区域的性能评价)，从这些结果，可以评估实际的脱硝催化剂的催化剂性能。具体地，由第2脱硝试验可评估紊流区域的性能，由第1脱硝试验结果可评估层流区域的一部分的长度的催化剂性能，如果将其外推到实际的长度，可以评估层流区域的催化剂性能。另外，只有紊流区域的试验片优选从进行了第1脱硝试验的试验片切出，也可以是新切出来的试验片。另外，第1脱硝试验可以用包括层流区域的一部分的长度来进行，也可以用包括全部的长度来进行，在这种场合下，不需要外推。
(脱硝试验)
实施本发明方法时的脱硝试验不做特别的限定，可以适当采用以前已知的方法。
这里，气体的组成和流入流速优选与实机相同，即使是流入流速与实机不同的条件，具体如后述那样，如果考虑流入流速与反应NOX量的关系，则可以评估实机的催化剂性能。
作为测定催化剂性能的方法，例如，测定入口侧以及出口侧的NOX浓度，基于下述式求算脱硝率η以及贡献率。此外，该方法基于特公平7-47108号公报中公开的方法。
[数7]
还有，测定催化剂性能的其他方法，为测定入口侧以及出口侧的NOX浓度以及NH3浓度，根据场合不同进一步测定入口侧O2浓度，从这些测定结果算出脱硝率η以及脱硝贡献率。脱硝率η的算出方法考虑脱硝催化剂的入口摩尔比＝入口NH3/入口NOx算出的。这样，考虑入口摩尔比原因是，在就要脱硝催化剂前与气体量成比例地注入NH3，以及，由于NH3向催化剂吸附是脱硝反应自身的限速反应，所以考虑、评估脱硝催化剂的入口侧以及出口侧的各自的NH3浓度是管理脱硝催化剂性能上最重要的。
如果考虑入口摩尔比计算，脱硝率η可以以NOX为基准计算，也可以以NH3为基准计算，但是以NH3为基准计算可以更高精度地管理脱硝率。
这里，给出计算脱硝率η的顺序的例子。下述式是基于NOX浓度计算脱硝率η的式子。
[数8]
这里，所谓的评价摩尔比，是为了评价脱硝催化剂而设定的摩尔比，可以设定任意的摩尔比，例如，设定在发电所的应用摩尔比程度，例如，0.8即可。
由该式计算的脱硝率η是基于NOX浓度算出值，因为考虑了入口摩尔比，所以可以对基于切合实际的脱硝率的催化剂进行评价。另外，一般来说，NH3/NOX越高，脱硝率η就越高，考虑这样的摩尔比评价脱硝率η的话，不能进行切合实际的评价。
另外，下述式是基于NH3浓度计算脱硝率η的式子。
[数9]
Figure A20058002162300122
从该式求出的脱硝率η是基于NH3浓度求出的值，其优点是，可得到比基于NOX的脱硝率稳定的数值，可以更稳定地评价催化剂。
(试验例)
通过用新品的蜂窝型的脱硝催化剂，将长度以100mm间隔刻度由100mm变化到500mm，以蜂窝内部的流速为6m/s，SV值(100mm的试验片的场合)为59600m3N/m3h、AV值为139.7m3N/m2h、反应气体温度为360℃，摩尔比设定为1.0，使各自的NH3与NOX平衡相等，测定各自的脱硝率。该结果表示在图5中。
由该结果可知，从过了300mm～400mm间的紊流持续距离周围开始，脱硝性能降低。
另外，使用用过的脱硝催化剂进行同样的试验，结果如图6所示。
从该结果可知，对于使用过的脱硝催化剂，也得到了大致同样的结果。
(实施例1)
从使用过的脱硝催化剂(原始的长度770mm)切出600mm的试验片，进行脱硝试验(第1脱硝试验)，然后，将其切成300mm，进行同样的脱硝试验。
该结果表示在表2以及图7中。从该结果，如图7所示，外推在300mm的位置以及600mm的位置的反应NOX浓度和NH3浓度，求出在770mm的位置的各自的浓度，从该浓度求出脱硝率，由此求出770mm的长度的脱硝催化剂的脱硝率。
[表2]
  0mm   0-300mm   0-600mm   外推值
  催化剂长度   0   300   600   770
  反应NOx   0   61   84   97
  NH3   300   239   216   203
  脱硝率   0.0％   20.3％   28.0％   32.3％
(实施例2)
从新品的脱硝催化剂切出500mm的试验片进行脱硝试验(第1脱硝试验)，然后，将其切成300mm进行同样的脱硝试验。
该结果示于表3以及图8中。从该结果，如图8所示那样，外推300mm的位置以及500mm的位置的反应NOX浓度与NH3浓度，求出在770mm以及800mm的位置的各自的浓度，由此求出脱硝率，由此，求出770mm的长度以及800mm的长度的脱硝催化剂的脱硝率。
为了验证，把在770mm以及800mm的长度实测的脱硝率的结果作为实测值记载在表3中。
从该结果，可知利用本发明方法的外推值与实测值基本上同等。
[表3]
  0mm   0-300mm   0-500mm   外推值   实测值   外推值   实测值
  催化剂长度   0   300   500   770   800
  反应NOx   0   162   205   264   -   271   -
  NH3   300   138   95   36   -   29   -
  脱硝率   0   54.0％   68.5％   88.0％   85.6％   90.2％   89.1％
(实施例3)
使用300mm以及500mm的试验片，设定摩尔比(入口摩尔比＝入口NH3/入口NOX)为0.6、0.8、1.0、1.2，设定温度为360℃，把流体的流入流速变化为6m/s以及9m/s，测定各自的反应NOX量。把该结果示于表4以及图9中。从该结果，求出作为流入流速v1以及v2时的反应NOx量的反应NOX(v1)以及反应NOX(v2)之间是以下的关系。因此，采用与实机不同的流入流速测定的场合中，使用下述式，可以换算为实机的流入流速的反应NOX量，求出催化剂性能。
[数10]
催化剂每100mm的反应NOx(v1)×v10.5＝催化剂每100mm的反应NOX(v2)×v20.5
[表4]
  催化剂长度   摩尔比   流入流速＝6m/s   流入流速＝9m/s
  300mm   0.6   41   33
  0.8   50   40
  1.0   55   44
  1.2   56   46
  500mm   0.6   15   13
  0.81.0   2023   1921
  1.2   24   21
产业上的利用可能性
本发明可以使用在用于评估火力发电所等的排烟气脱硝装置的脱硝催化剂，以及各种锅炉设备等的脱硝催化剂的性能。

Claims (7)

1、脱硝催化剂的试验方法，是用于排烟气脱硝装置、且具有从入口侧向出口侧供给排气的气体流路，并且在该气体流路的侧壁进行脱硝的蜂窝型的脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，准备试验片，该试验片的长度包含从上述脱硝催化剂的入口侧向上述气体流路内供给的被处理气体的流动紊乱的紊流区域全部以及该紊流被整流形成层流的层流区域的至少一部分，对该试验片实施第1脱硝试验，然后，只切除上述紊流区域的长度，进行第2脱硝试验，从这些试验结果评估上述紊流区域的催化剂性能，同时评估上述层流区域的催化剂性能，由此评估上述脱硝催化剂的催化剂性能。
2、如权利要求1所述的脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，上述紊乱区域的长度Lb(mm)是以流入速度作为Uin(m/s)、以任意的蜂窝径作为Ly(mm)、以蜂窝径的常数Lys作为6mm时的、用下述式(A)所特定的长度，
[数1]
Lb＝a(Ly/Lys·22e0.035(Ly·Uin))             (A)
(在蜂窝径为6mm的蜂窝催化剂、流入速度为6m/s时，a为从3～6的范围选择的常数。)
3、权利要求1或2所述的脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，上述脱硝试验是将模拟在实际的装置中处理的气体的组成的气体，以在实际的装置的流入流速导入，判断催化剂性能的试验方法。
4、权利要求1或2所述的脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，上述脱硝试验是将模拟在实际的装置中处理的气体的组成的气体，以与实际的装置不同的流入流速导入，考虑流入流速和反应NOX的关系，判断催化剂性能的试验方法。
5、权利要求1～4的任一项所述的脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，上述脱硝试验是测定各试验片的入口侧以及出口侧的NOX浓度，同时测定各试验片的入口侧以及出口侧的NH3浓度，考虑入口摩尔比＝入口NH3/入口NOX，测定脱硝率η的试验方法。
6、权利要求5所述的脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，上述脱硝率η是基于NH3浓度进行测定的。
7、权利要求6所述的脱硝催化剂的试验方法，其特征在于，上述脱硝率η是根据下述式进行测定的。
[数2]
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