一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法与流程

本发明涉及碳氢燃料重整制氢，具体涉及一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法。

背景技术：

1、碳氢燃料在当下能源结构中仍占据主要地位，如何提高碳氢燃料的利用率的同时降低污染物排放显得尤为重要。目前，通过内燃机燃烧的方式对碳氢燃料的有效能量利用效率在30％-50％范围，同时产生co、thc、nox、pm等污染物排放。而通过催化重整的方式将碳氢燃料转化为富氢气体，用于燃料电池发电，发电效率通常在50％以上，若再结合热电联供的余热梯次利用技术，能量综合效率可达90％，且无co、thc、nox、pm等污染物排放。

2、碳氢燃料重整制氢方式主要有水蒸气重整、部分氧化物重整以及自热重整。其中，部分氧化重整与自热重整由于需要氧气的参与，安全风险较高，且相较于水蒸气重整，两者产氢量均较低。水蒸气重整为典型的强吸热反应，通常结合余热利用技术为其提供热源，提高能量的利用效率。

3、目前在碳氢燃料水蒸气重整制氢过程中，由于碳氢燃料中可能含有硫化物导致的催化剂中毒、重整积碳导致的性能下降等原因，催化剂性能存在衰减或失效的风险，现场对于催化剂衰减或失效故障的排查也较为困难。因此，需要一种能够实时评估碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，监测重整催化剂的健康状态，可用于碳氢燃料重整催化剂性能衰减或失效故障的在线诊断。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，目的在于提供一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，以期实现碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减或失效故障的实时诊断，解决现场重整催化剂衰减或失效故障排查困难的现状。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，包括以下步骤：分别计算出碳氢燃料水蒸气重整的实际供热量wa、碳氢燃料水蒸气重整的目标耗热量wr以及当前温度未发生水蒸气重整反应的热交换量wb；

4、将计算出的wa和wr分别与wb做差，分别得到反应所消耗热量实际值与目标值，再将反应所消耗热量实际值与目标值进行比较得到δ，根据δ值的大小对碳氢燃料重整催化剂性能衰减率进行判断。

5、进一步地，还包括以下步骤：

6、安装重整模块，所述重整模块包括控制单元、重整单元、温度传感器单元以及压力传感器单元；

7、所述控制单元用于采集压力传感器单元和温度传感器单元的信号，并对采集到的信号进行处理和计算；

8、所述重整单元为进行热量交换与水蒸气重整反应的场所，重整单元包括供热侧和反应侧，供热侧通入高温热源介质，反应侧通入碳氢燃料与水蒸气；

9、所述压力传感器单元和温度传感器单元安装在所述供热侧和反应侧。

10、进一步地，所述压力传感器单元包括反应侧入口压力传感器、供热侧入口压力传感器、反应侧出口压力传感器；所述温度传感器包括供热侧入口温度传感器、供热侧出口温度传感器、反应侧入口温度传感器、反应侧出口温度传感器；

11、所述供热侧入口压力传感器用于测量重整单元供热侧入口处高温热源介质压力，且重整单元供热侧入口压力与出口压力近似相等；

12、所述供热侧入口温度传感器、供热侧出口温度传感器分别用于测量重整单元供热侧入口口与出口处高温热源介质温度；

13、所述反应侧入口压力传感器、反应侧出口压力传感器分别测量重整单元反应侧入口与出口处的气体压力。

14、所述反应侧入口温度传感器、反应侧出口温度传感器分别用于测量重整单元反应侧入口与出口处的气体温度；

15、进一步地，所述碳氢燃料水蒸气重整的实际供热量wa根据能量守恒定律，通过计算高温热源介质换热量得到，其计算公式为：

16、

17、其中，wa为实际供热量，为高温热源介质平均定压比热容，thin与thout分别为高温热源介质换热前后的温度，qhm为高温热源介质流量，ξ为热损失系数；

18、所述高温热源介质平均定压比热容根据高温热源介质平均温度与压力计算。

19、进一步地，所述碳氢燃料水蒸气重整目标耗热量wr根据化学反应方程式及热平衡方程进行计算；

20、碳氢燃料水蒸气重整主要化学反应方程式为：

21、cmhn+mh2o→mco+(m+n/2)h2

22、

23、碳氢燃料水蒸气重整反应的热平衡方程为：

24、wr＝∑输出nihi-∑输入nihi

25、其中，wr为碳氢燃料水蒸气重整目标耗热量，ni为输入与输出物料中各组分的摩尔流量，hi为输入与输出物料中各组分对应温度的摩尔生成热。

26、进一步地，所述输出物料的摩尔流量根据输入物料的摩尔流量、目标转换效率、co选择性百分比、化学反应方程式进行计算；

27、各组分摩尔生成热以298k、101.3kpa为参考点进行计算，摩尔生成热计算公式为：

28、

29、其中，为各组分在参考点的标准摩尔生成热，cp,m为各组分定压摩尔比热容，t为输入物料与输出物料中各组分的温度；单质组分的标准摩尔生成热为0，化合物组分由相应数据库查找得到；输入物料的温度为重整单元反应侧入口处温度，输出物料的温度为重整单元反应侧出口处温度。

30、进一步地，所述反应气体当前温度未发生水蒸气重整反应的换热量wb计算方法为：

31、假设反应气体进入重整单元未发生化学反应，仅经历物理换热，由反应气体平均定压比热容与流量、重整单元反应侧入口与出口温度计算得到，计算公式与wa的计算公式相同，其中的热损失系数为0。

32、进一步地，所述δ值的估算公式为：

33、δ＝[(wa-wb)/(wr-wb)]*100％

34、其中δ∈[0，1]。

35、进一步地，所述控制单元根据δ值的大小对重整催化剂性能进行判断；

36、若δ值大于设定的阈值时，重整催化剂性能正常；

37、若δ值小于设定的阈值时，重整催化剂性能随δ值减小而衰减，衰减率为1-δ；

38、若δ值等于0时，重整催化剂完全失效。

39、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

40、本发明提出了一种用于估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，以期实现重整催化剂性能的在线监测，用于重整催化剂性能的故障诊断，可以解决现场催化剂性能衰减或失效故障排查困难的问题，同时也便于现场有计划地进行催化剂维修或更换，降低突然停机带来的经济损失等风险。

技术特征：

1.一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，其特征在于，包括以下步骤：分别计算出碳氢燃料水蒸气重整的实际供热量wa、碳氢燃料水蒸气重整的目标耗热量wr以及当前温度未发生水蒸气重整反应的换热量wb；

2.根据权利要求1所述的一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，其特征在于，所述压力传感器单元包括反应侧入口压力传感器、供热侧入口压力传感器、反应侧出口压力传感器；

4.根据权利要求1所述的一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，其特征在于，所述碳氢燃料水蒸气重整的实际供热量wa根据能量守恒定律，通过计算高温热源介质换热量得到，其计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，其特征在于，所述碳氢燃料水蒸气重整目标耗热量wr根据化学反应方程式及热平衡方程进行计算；

6.根据权利要求5所述的一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，其特征在于，所述输出物料的摩尔流量根据输入物料的摩尔流量、目标转换效率、co选择性百分比、化学反应方程式进行计算；

7.根据权利要求1所述的一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，其特征在于，所述反应气体当前温度未发生水蒸气重整反应的换热量wb计算方法为：

8.根据权利要求1所述的一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，其特征在于，所述δ值的估算公式为：

9.根据权利要求1所述的一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，其特征在于，所述控制单元根据δ值的大小对重整催化剂性能进行判断；

技术总结本发明公开了一种估算碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减率的方法，包括以下步骤：分别计算出碳氢燃料水蒸气重整的实际供热量W<subgt;a</subgt;、碳氢燃料水蒸气重整的目标耗热量W<subgt;r</subgt;以及反应气体当前温度未发生水蒸气重整反应的换热量W<subgt;b</subgt;；将计算出的W<subgt;a</subgt;和W<subgt;r</subgt;分别与W<subgt;b</subgt;做差，分别得到反应所消耗热量实际值与目标值，再将反应所消耗热量实际值与目标值进行比较得到δ，根据δ值的大小对碳氢燃料重整催化剂性能衰减率进行判断。本发明以期实现碳氢燃料水蒸气重整催化剂性能衰减或失效故障的实时诊断，解决现场重整催化剂衰减或失效故障排查困难的现状。技术研发人员：肖宇刚,刘理凡,舒正龙,钱云寿,王鑫,黄涛,张怡,唐国海,王云,陈启章受保护的技术使用者：中自环保科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11