Opracowanie metody dokładnego wyznaczania aktywności wkładów katalitycznych oraz budowa Digital-Twin do predykcji zużycia katalizatorów deNOx

• Autorzy: Hercog Jarosław , Kiedrzyńska Aleksandra , Malinowski Mirosław , Sałek Paweł , Gurgul Marzena , Mikulska Aleksandra , Lenkiewicz Dariusz , Kowalczyk Paweł , Bartoszewicz Aleksy , Ogły Jacek , Ledwoch Jarosław

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2023.3.1

Warianty tytułu

EN

Development of a method for precise determination of catalyst activity and construction of Digital-Twin for prediction of deNOx catalyst deactivation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy było opracowanie szybkiej metody pomiaru aktywności całej warstwy katalitycznej, precyzyjnej metody wyznaczania żywotności (charakterystyki dezaktywacji) katalizatora oraz budowa narzędzia informatycznego reaktora SCR (Selective Catalytic Reduction), opartego na tzw. „Digital Twin” oraz uczeniu maszynowym, do wyznaczania żywotności katalizatorów deNOx w zależności od historii ich użytkowania i przewidywanych, dalszych warunków eksploatacji. W pierwszych etapach pracy zbudowano wstępny model reaktora SCR, w którym określony został zakres i wpływ parametrów pracy katalizatora na jego dezaktywację. Do tego celu wykorzystano opisane w literaturze mechanizmy dezaktywacji oraz wyniki eksperymentów i badań laboratoryjnych. Ponadto przeprowadzono analizę wrażliwości, aby zdefiniować najistotniejsze czynniki wpływające na dezaktywację katalizatora. Następnie opracowano metodykę pomiaru aktywności warstwy katalitycznej in-situ, wykonano niezbędny do tego celu układ pomiarowy, przeprowadzono badania porównawcze próbek katalizatorów na stanowisku laboratoryjnym oraz na obiekcie kotła blokowego w Elektrociepłowni Siekierki. Opracowano, zainstalowano i uruchomiono oprogramowanie SCR-DT na serwerze znajdującym się w sieci lokalnej PGNIG TERMIKA SA, które pozwala na wyznaczanie krzywej dezaktywacji katalizatora oraz jego żywotności. Aplikacja SCR-DT pobiera dane eksploatacyjne, dotyczące warunków pracy warstw katalitycznych, z serwera JSMPT w czasie rzeczywistym oraz może pobierać dane z udostępnionych w sieci lokalnej plików xls (np. dane węgla, popiołu i badań próbek katalizatorów). Wdrożenie aplikacji SCR-DT umożliwia obniżenie kosztów eksploatacyjnych katalizatorów poprzez lepszą gospodarkę remontową, wydłużenie okresów do ich regeneracji/wymiany oraz zmniejszenie ilości odpadów, dzięki dokładnemu przewidywaniu czasu ich dezaktywacji oraz opracowaniu rekomendacji ich optymalnej pracy.

EN

The aim of the work was to develop a fast method of measuring the activity of the entire catalytic layer, a precise method of determining the lifetime (deactivation characteristics) of the catalyst and the construction of an SCR reactor computer tool (based on the so-called “Digital Twin” and machine learning) for determining the lifetime of deNOx catalysts depending on the history of their use and expected further operating conditions. In the first stages of work, a preliminary model of the SCR reactor was built, in which the scope and influence of the catalyst operating parameters on its deactivation was determined. For this purpose, the deactivation mechanisms described in the literature were used, as well as the results of experiments and laboratory tests. In addition, a sensitivity analysis was performed to define the most relevant factors influencing catalyst deactivation. Then, the methodology of measuring the activity of the catalytic layer in-situ was developed, the necessary measurement system was prepared, and comparative tests of catalyst samples were carried out on a laboratory stand and on a block boiler facility at the Siekierki CHP Plant. The SCR-DT software was developed, installed and launched on a server installed in the local network of PGNIG TERMIKA SA. The SCR-DT application accesses operational data on the operating conditions of catalytic layers from the JSMPT server in real time and can import data from xls files available on the local network (e.g. coal, ash and catalyst test data). Application of the SCR-DT software makes it possible to reduce the operating costs of catalysts through better maintenance management, extending the periods for their regeneration/replacement and reducing the amount of waste, thanks to the accurate prediction of their deactivation time and the development of recommendations for their optimal operation.

Słowa kluczowe

PL

reaktor SCR; aktywność warstwy katalitycznej; żywotność katalizatora deNOx; Digital Twin

EN

SCR reactor; catalytic layer activity; deNOx catalyst life; Digital Twin

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2023
• Tom: nr 3
• Strony: 10--15
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Hercog Jarosław

• Instytut Energetyki - Instytut Badawczy, Zakład Procesów Cieplnych, Warszawa

• https://orcid.org/0000-0003-4891-4592

autor

Kiedrzyńska Aleksandra

• Instytut Energetyki - Instytut Badawczy, Zakład Procesów Cieplnych, Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-9508-6163

autor

Malinowski Mirosław

• Instytut Energetyki - Instytut Badawczy, Zakład Procesów Cieplnych, Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-9823-2429

autor

Sałek Paweł

• MultizoneIT sp. z o.o., Warszawa

autor

Gurgul Marzena

• PGNiG TERMIKA SA, Warszawa

autor

Mikulska Aleksandra

• PGNiG TERMIKA SA, Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-9976-4750

autor

Lenkiewicz Dariusz

• PGNiG TERMIKA SA, Warszawa

autor

Kowalczyk Paweł

• PGNiG TERMIKA SA, Warszawa

autor

Bartoszewicz Aleksy

• PGNiG TERMIKA SA, Warszawa

autor

Ogły Jacek

• PGNiG TERMIKA SA, Warszawa

autor

Ledwoch Jarosław

• PGNiG TERMIKA SA, Warszawa

Bibliografia

• [1] Dokumentacja Techniczno-Ruchowa instalacji odazotowania spalin w Elektrociepłowni Siekierki w Warszawie, PGNiG TERMIKA SA, Warszawa, 2009.
• [2] Commission Implementing Decision (EU) 2021/2326 of 30 November 2021 establishing best available techniques (BAT) conclusions, under Directive 2010/75/EU of the European Parliament and of the Council, for large combustion plants, European Commission, Brussels, 30.12.2021.
• [3] W. S. Hinton, Laboratory Testing in Support of SCR Catalyst Management, Reinhold Environmental 2012 NOx-Combustion/PCUG Conference, 13-14 February, 2012, Columbus, USA.
• [4] Bitter, J. G. A. 1963. “A Study of Erosion Phenomena Part I.”, Wear 6(1):5-21.
• [5] Yu, C., Si, F., Ren, S. et al. Experimental and numerical predictions of ash particle erosion in SCR monolithic catalysts for coal-fired utility boilers. Korean J. Chem. Eng. 34, 1563-1575 (2017). https://doi.org/10.1007/s11814-017-0001-9
• [6] C. L. Senior, D. O. Lignell, A. F. Sarofim, A. Mehta, Modeling arsenic partitioning in coal-fired power plants, Combustion and Flame, Volume 147, Issue 3, 2006, Pages 209-221, https://doi.org/10.1016/j.combust-fame.2006.08.005.
• [7] M. Kong, Q. Liu, X. Wang, S. Ren, J. Yang, D. Zhao, W. Xi, L. Yao, Performance impact and poisoning mechanism of arsenic over commercial V2O5-WO3/TiO2 SCR catalyst, Catalysis Communications, Volume 72, 2015, Pages 121-126, https://doi.org/10.1016/j.catcom.2015.09.029.
• [8] Y. Peng, J. Li, W. Si, J. Luo, Y. Wang, J. Fu, X. Li, J. Crittenden, J. Hao, Deactivation and regeneration of a commercial SCR catalyst: Comparison with alkali metals and arsenic, Applied Catalysis B: Environmental, Volumes 168-169, 2015, Pages 195-202, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.12.005.
• [9] W. Hu, X. Gao, Y. Deng, R. Qu, C. Zheng, X. Zhu, K. Cen, Deactivation mechanism of arsenic and resistance effect of SO42- on commercial catalysts for selective catalytic reduction of NOx with NH3, Chemical Engineering Journal, Volume 293, 2016, Pages 118-128, https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.02.095.
• [10] M. Li, B. Liu, X. Wang, X. Yu, S. Zheng, H. Du, D. Dreisinger, Y. Zhang, A promising approach to recover a spent SCR catalyst: Deactivation by arsenic and alkaline metals and catalyst regeneration, Chemical Engineering Journal, Volume 342, 2018, Pages 1-8, https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.12.132.
• [11] F. Castellino, A.D. Jensen, J.E. Johnsson, R. Fehrmann, SCR Catalyst Deactivation by Additives, Final Report, PSO Elkraft FU-4205, Technical University of Denmark, August 2008.
• [12] M. Takagi, T. Kishi, T. Inaba, E. Muraoka, T. Nagai, T. Fukuda, Prediction of Deactivation and Regeneration of deNOx Catalyst using Simple Reaction Model - 1st Report: Model for Predicting Deactivation, Translated from Journal of the JIME Vol. 46, No. 1, 2011 (Original Japanese)
• [13] J. B. Butt, E. E. Petersen, Activation, Deactivation and Poisoning of Catalysts, Academic Press, INC, 1988

Uwagi

1. Praca została wykonana w ramach projektu uruchomionego 17.09.2021 pn. „Opracowanie metody dokładnego wyznaczania żywotności katalizatorów deNOx oraz budowa narzędzia predykcyjnego reaktorów SCR”, dzięki możliwości sfinansowania projektu ze środków własnych PGNiG TERMIKA SA.

2. Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).