一种 SCR脱硝技术催化剂活性智能监测的方法

李若辰、冷飞、龚家乐

华北水利水电大学乌拉尔学院 河南省郑州市 450003

【摘要】近年来，火电厂对于控制烟气污染物的排放，尤其是氮氧化物的排放愈加重视。选择性催化还原（SCR）法是燃煤发电企业应用最多的烟气脱硝技术，其中催化剂是整个系统中最重要的部分。一旦催化剂失活，氮氧化物的排放量将会增加。为了计算出火电厂SCR脱硝设备催化剂的活性，本课题针对火电厂脱硝设备的温度、出入口二氧化氮浓度等参数，提出一种由单片机控制的检测方法，最终实现对温度、出入口二氧化氮浓度的低成本、高精度的测量。

关键词：SCR;脱硝;活性

1. 1. 实验材料与仪器

催化剂样品取自某热力公司1#机组蜂窝式脱硝催化剂，该单元样品为20×20孔，已运行约22680小时。该催化剂以锐钛矿型氧化钛(TiO2)为载体，五氧化二矾(V2O5)，三氧化钨(WO3)为助催化剂的蜂窝式催化剂，单体横截面尺寸为150mm×150mm，长度在500mm-1350mm，开孔率为78.4％。

NO2烟气分析仪为日本HORIBA公司，型号为ENDA-640ZG烟气分析仪，该分析仪的分析方法为非分散红外吸收法。

1. 2. 活性计算

烟气在炉膛中燃烧，经过过热器后经引风机送入加热器，再进行脱硝。

计算该催化剂样品的活性与某时刻理想条件下的脱硝效率：设催化剂的活性值为K,理想条件下，新鲜催化剂的活性值为K0，设催化剂的活性a为一个无量纲数： ，a的范围为(0,1]。

某一时间的催化剂活性值：

式中：——为脱硝效率；

——为氨气与氮氧化物物质的量之比，称为氨氮比；

——AV为烟气的流量与暴露在烟气中的催化剂表面积之比，也为面积流速。

1. 3. 程序设计的要求：

温度检测范围 : -40℃ - +40℃~

测量精度 : ±2℃

湿度检测范围 : 10%-90%RH

检测精度 : ±2%RH

显示方式 : 温度:二位显示

湿度:二位显示

报警方式 : 三极管驱动的蜂鸣音报警

2、方案论证

SCR脱硝设备对的吸收与释放是一个相对封闭的环境，排放的烟气在经过催化剂时内不断进行着CO2转换为氮气的过程，因此，催化剂入口的浓度与外界环境有明显的差异。

2.1 温度传感器的选择

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

方案:采用DS18B20，温度测量范围从(-55,+125)℃，(-10,+85)℃时，测量精度为±0.5℃，电源电压范围为(3.3,5)V。它支持“一线总线”的数字方式传输，可组建传感器网络。而且无需进行线性校正，使用非常方便，接口简单，成本低廉。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9,12位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点，内含寄生电源。 系统有如下特点:

(1)不需要备份电源，可通过信号线供电;

(2)送串行数据，不需要外部元件;

(3)零功耗等待;

(4)系统的抗干扰性好，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备过程控制、测温类消费电子产品等。

2.2 单片机的选择

在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，选择8位单片机。

方案:采用AT89S52,片内ROM全都采用Flash ROM;能以3V的超底压工作;同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM存储空间，同样具有AT89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。

2.3 显示器的选择

电子设计中常用的输出显示设备有两种:数码管LED和LCD。

方案:数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到F中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单。

3、硬件设计

3.1微控制器概述及选用

3.1.1 AT89S52单片机的特点

数码显示使用AT89S52的串行口工作方式0(即同步移位寄存器方式)，用6片串入并出移位寄存器74LS164作为静态显示器的输出接口。本系统将催化剂划分为8个小区(根据需要可以划分为若干个小区)，巡回检测并显示每个小区的空气温度、出入口二氧化氮含量共3个量，每个量用4个数码管分时显示(2位整数2位小数)，共用同一个小区号，将温出入口二氧化氮含量用不同的字符区分，共用6个数码管。欲显示的8位段码即字型码，通过软件译码产生，并由RXD串行口发送出去，既充分利用了单片机的硬件资源，又节省了CPU时间。

AT89S52单片机的特点:现场程序调试和修改更加方便灵活;方便了对片外RAM的访问过程;提高了系统的抗干扰能力;断电标志;掉电状态下的中断恢复模式强。

3.3 电源电路的设计

采用全桥整流电路将交流电压转化为直流电压,系统硬件电路要求电源额定电压为5 V ,单片机系统要求电源电压的纹波系数尽可能小,基于以上要求,选用固定输出线形稳压集成器LM78H05。该稳压器的输入电压VIN 在7 V~35 V 的范围变化,输出电压可保证为5V输出和A/D转换芯片ADC0809的电源电压。该稳压器还具有过热保护和过压保护功能,线性稳压结构可使电源纹波系数降低。

3.4 报警电路

若温度、出入口二氧化氮浓度三个变量中有一个参数超标时，则启动蜂鸣器报警，然后单片机控制红色发光二极管在指定的区域附近闪烁，同时单片机通过控制固态继电器打开相应的执行机构，工作人员也可以根据此情况来查看相应的区域或者采取相应的措施。

3.4.1 蜂鸣器简介

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

(1)压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后直流工作电压，多谐振荡器起振，输出的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

(2)电磁式蜂鸣器电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声。

本文选用的是XY系列压电式蜂鸣器，XY系列压电式蜂鸣器具有耐高温、低潮、防湿、防污染、音动听乐耳、性能稳定可靠等优点。.

3.4.2 报警电路

在单片机后接发光二极管LED输出显示，发光二极管是智能化测控仪表中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息。其优点是价格低，寿命长，对电压电流要求极容易实现多路等，因此在智能化测量控制仪表中获得了广泛的应用。

LED是近似于恒压的元件，导电时的正向压降一般为1.6V或2.4V左右，反向击穿电压一般大于等于5V,工作电流通常在10-20mA左右，故电路中需串联适当的限流电阻。发光强度基本上与正向电流成正比。发光效率和颜色取决与制造的材料，这里在正常工作时，单片机驱动绿色的LED二极管发光，如果超过指定的上限值或者低于指定的下限值，则驱动红色LED二极管发光，同时单片机驱动蜂鸣器报警。蜂鸣器的工作电流一般为30mA，所以也需要加限流电阻。

本文采用的是带报警记忆功能的报警设计，带报警记忆功能指的是巡测至当前通道时有报警则输出报警，巡测至下通道如无报警但报警输出继续，直至所有通道均无报警方停止输出报警。

4 创新点与特色

SCR脱硝技术是目前电厂应用较为广泛的脱硝技术，在SCR脱硝装置中，脱硝催化剂占脱硝工程总成本的30％~50％，其活性及使用寿命直接影响了整个脱硝系统的运行成本。电厂一般每隔一年将催化剂取样送检，时间间隔长，不利于脱硝系统的高效运行。

本课题的创新点是通过测量经过SCR脱硝技术处理前后的气体中氮氧化物的浓度含量变化，来测量催化剂的失活程度。在催化剂即将失活的情况下，及时做出预警，防止氮氧化物排放量超标。