LGA—4500氨在線分析系統在脫硝微量氨檢測中的應用

李陽山　趙俊鵬　陳生龍

摘 要：LGA-4500在線分析系統基于可調諧半導體激光吸收光譜技術，滿足現代選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝中微量氨檢測技術要求，可提供快速準確可靠的分析數據以確保煙氣安全排放。此系統在錦州熱電的成功應用對于我國改進煙氣脫硝技術起到了推動作用。

關鍵詞：可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）；選擇性催化還原；脫硝；分析系統

煙氣排放中氮氧化物（NOx）是造成大氣污染的主要物質之一，與發達國家相比，我國燃煤電廠在NOx排放控制方面起步相對較晚，以致NOx排放總量的快速增長抵消了對近年來卓有成效的二氧化硫控制效果[1，2]。目前我國已大量推廣煙氣脫硝技術，普遍采用比較成熟的選擇性催化還原（SCR）工藝和選擇性非催化還原法（SNCR）工藝[3]。然而，無論是選擇使用SCR法或是SNCR法，掌握好注入到NOx上的氨總量和對于注入分布的控制是達到最小的氨逃逸率和最大的NOx脫除效率的關鍵所在。氨在線分析系統對脫硝工藝的正常運行和成本控制起關鍵作用，由于脫硝工藝內的溫度、負壓、粉塵、氨微量等條件限制，對分析系統及儀表的要求比較高。

1 錦州熱電有限公司脫硝技術參數和氨檢測系統測量難點

1.1 脫硝技術參數

錦州熱電有限公司共安裝了2臺1025t/h汽包鍋爐，4個脫硝煙道，采用選擇性催化還原（SCR）工藝，應用聚光科技的LGA-4500氨在線分析系統進行檢測，每個煙道脫硝出口安裝1臺氨逃逸分析系統，每臺鍋爐煙氣脫硝技術參數都符合設計值。

SCR技術應用機理為：在催化劑作用下，還原劑（NH3、尿素）選擇性地與NOx反應生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，故稱為“選擇性”。主要的反應式見式（1）和式（2）：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O （1）

4NH3+2NO2+O2→7N2+6H2O （2）

根據化學反應方程，NH3/NOx摩爾比應該為1，但實際上都要比1大才能達到較理想的NOx還原率，已有的運行經驗顯示，NH3/NOx摩爾比一般控制在1.0～2.0之間，最大不要超過2.5。NH3/NOx摩爾比過大，雖然有利于NOx還原率增大，但氨逃逸加大又會造成新的環境污染，同時還增加了脫硝運行費用。

1.2 氨分析系統測量點的選擇

根據每臺鍋爐煙氣脫硝技術參數設計值的設計參數，要求催化劑出口的氨逃逸量≤3ppm，工況中的水、粉塵、溫度比較高，而水、粉塵對氨具備吸附性，對分析系統及儀表的取樣點選擇、精度、伴熱、非吸附要求比較高，為了使得取樣具備代表性，首先取樣點的選擇非常重要，LGA-4500的取樣點選擇在SCR法催化劑出口20米內。

1.3 氨分析系統的測量難點

根據以上鍋爐煙氣技術參數，氨逃逸分析系統原設計采取的模式是直接原位工藝管路對穿方式測量，直接原位工藝管路對穿測量使用一段時間后出現的問題主要有以下幾點：

測量困難：氨逃逸含量比較低（ppm級），如果提高測量下限，就需要提高對穿長路徑。

儀表光強損失大：現場工藝管道中粉塵較大，導致儀器光強損失大，有時傳感器接受不到光譜，沒有測量值。

儀表透過率無法保證：現場溫度和震動比較大，機組運行后煙道變形嚴重，導致激光器接收端無法接收，影響光路參數正常運行，透過率不能滿足儀表運行要求。

儀表校準困難：原位安裝，儀表氣體標定比較困難，需要把取樣管撥出對上才能把標準氣體輸入。

基于以上難點，在經過多次技術改進無效的情況下更改原設計，采用聚光科技LGA-45氨在線分析系統。

2 LGA-4500氨在線分析系統介紹

聚光科技LGA-4500氨在線分析系統是基于TDLAS技術開發的在線氣體檢測系統，具有快速取樣、全程拌熱、測量準確的特性，其在脫硝微量氨檢測系統中已被廣泛采用。

LGA-4500氨在線分析系統主要由取樣探頭單元、樣品處理單元、檢測單元（包含氣體室，激光發射模塊和光電傳感模塊）、電控箱、中央單元、上位機等幾部分組成。

2.1 取樣探頭單元

取樣位置：探頭取樣測量點在催化劑反應器之后。

取樣點工況：壓力為負壓，溫度約為320～400℃，典型運行溫度為350℃，根據脫硝正常工藝要求，測量氨氣濃度在0～5ppm之間。

系統安裝位置：機柜盡量安裝在測量點附近，采樣探頭箱到機柜的氣路采用φ8復合采用加熱管線，要求小于4m，以提高相應氣體速度，之溫度控制在180～200℃間，防止樣氣結露造成微量氨被管路吸附。

2.2 樣氣處理單元

樣氣處理單元根據現場工況的粉塵含量，以2-3級過濾器為主，通過電氣控制各種閥，根據粉塵的含量，在一定時間內通過電氣控制閥進行取樣和過濾器反吹。

2.3 儀表單元

氨分析儀表根據DLAS技術開發出來，DLAS技術是利用不同頻率的激光能量被氣體分子選擇性吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體濃度的一種技術。激光束通過長度為L，壓力為P，濃度為X的氣體介質，此時氣體介質對激光的吸收滿足Beer-Lambert關系[4]，

（3）

其中，Iv，0和Iv分別為頻率為v的入射激光和透射激光強度。吸收的強度是由譜線強度ST決定的。線性函數g（v-v0）決定了吸收譜線的形狀，為Voigt函數。激光強度的衰減與被測氣體含量成定量的關系，因此，通過測量激光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度。

半導體激光的光頻率具有可調諧性，一是改變半導體激光器的工作溫度[5]，另一種是改變激光器的工作電流。改變激光器的工作電流可獲得較快的頻率調諧速度，因此DLAS技術普遍采用給半導體激光器注入一定頻率的鋸齒波電流使激光頻率掃描整條吸收譜線來獲得完整的高分辨率“單線吸收光譜”數據。

根據以上工作原理，儀表分析單元具備以下優勢：

獨有的“單線光譜”技術，能夠具備對水份及背景氣體抗干擾作用；能夠實時刷新數據，測量值不受粉塵與視窗污染的影響；自身帶溫度、壓力傳感器，能夠進行自動補償，提高測量精度；氣體室的長度可以做到2米以上，提高光譜吸收能力，氣體測量精度達到0.1ppm。

2.4 系統控制單元

整套系統分為手動控制分析和自動控制兩種狀態。

3 LGA-4500氨在線分析系統錦州熱電有限責任公司應用過程

3.1 LGA-4500氨在線分析系統應用過程出現問題以及解決方案

由于現場工藝過程與實驗室的環境差異，應用過程中出現了很多問題，主要有以下幾個方面：（1）現場工藝過程煙氣較大，過濾器效果不夠理想，導致測量室中灰塵較大，儀表激光器透過率下降很快，最后無法正確測量。（2）工藝過程中煙氣含有水汽，儀表采樣管路較長，樣氣在經過采樣管路過程中有微量水汽凝結，吸附樣氣中的氨氣。（3）采樣處于負壓環境，采氣量低，測量延遲嚴重、實時性差、無代表性。（4）儀表采取得樣氣中含有鹽類，在測量儀表透鏡上形成結晶鹽，導致透過率下降，嚴重影響測量。

針對以上問題，經過多次研討、實驗，最終確定了一套較合理的改進方案。方案包括以下幾方面：（1）由于煙氣中粉塵量較大，更換原有陶瓷過濾器，采用不銹鋼過濾器，在提高嚴密性的同時提高過濾器等級，保證進入氣體室中的樣氣無粉塵，透鏡不被污染。（2）在改善了樣氣中粉塵含量的同時，提高全過程伴熱的溫度，使樣氣中的水汽不會凝結吸附氨氣。（3）提高采樣泵的壓力，并增加壓力監視，保證采樣壓力大于工藝管道中的負壓絕對值。提高了采樣流量，從而提高了儀表實時性。（4）對于透鏡處結晶問題，采取在透鏡前增加一路吹掃氣的方案，實現透鏡與氧氣的物理隔離，保證儀表透過率。

按照以上方案改進后，在線分析系統能夠適應現場過程的工況，儀表透過率保持穩定，測量數據正常。

3.2 LGA-4500氨在線分析系統改進后應用效果

脫硝工藝SCR工藝氨逃逸[6]要求小于等于3ppm，氨逃逸過量的原因主要為催化劑失效、氨閥度開大（氨噴量過大）等因素，下面表3為LGA-4500氨在線分析系統經過測量、記錄的噴氨量與氨逃逸測量值。

根據表1記錄的數據，當閥開到43%時，氨測量值和NOx排放均能滿足要求，通過氨分析系統檢測、出口NOx分析系統、氨閥開度等幾個關鍵數據的相互調節，能夠給脫硝工藝合理的控制，對于脫硝工藝優化和成本控制起到關鍵作用。

3.3 應用總結

（1） 整個脫硝工藝的效率和氨逃逸需要與反應器入口（出口）NOx含量監測系統測量值、氨閥開度、空氣流量參數配合完成，通過現場測試，氨分析系統測量值和效果滿足工藝要求，對以后的噴氨控制、降低成本、保護脫硝設備等有很大作用。

（2） 系統全程伴熱、分段檢測，使系統溫度達到可靠的運行范圍，從根本上解決系統的吸附問題，特殊的大流量取樣裝置解決樣氣流量低問題，測量精度和響應時間滿足工藝要求，對工藝改變起到實時監控效果。

（3） 特殊的流路、2m長的氣體室及非接觸式激光氣體分析儀原理，使系統抗粉塵，耐高溫，耐腐蝕、高可靠性特性進一步提高，能夠滿足脫硝工藝特有的工況。

4 結束語

錦州熱電有限責任公司應用的LGA-4500氨分析系統屬于非接觸式激光氣體分析系統，其具有可靠性高，維護方便；測量不受背景氣體的交叉干擾；測量準確性高；可以實時、連續地進行測量，且響應速度快；通過多次改造已經適應現場工況粉塵大，水汽重的特點。不受粉塵與視窗污染的影響，惡劣工業環境下適應能力強，所具有的自清潔與自動分析控制功能，保證其運行穩定，延長了維護周期。

參考文獻

[1]鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例[M].北京：化學工業出版社，2002.

[2]劉天齊，黃小林，邢連璧.三廢處理工程技術手冊：廢氣卷[M].北京：化學工業出版社，1981.

[3]李振中.燃煤電站系統脫硝技術研發與產業化[J].中國科技產業，2006，2：48-52.

[4]顧海濤，陳人，葉華俊，等.基于DLAS技術的現場在線氣體濃度分析儀[J].儀器儀表學報，2005，26（11）：1123-1134.

[5]闞瑞峰，劉文清，張玉鈞，等.可調諧二極管激光吸收光譜法監測環境空氣中甲烷的濃度變化[J].中國激光，2005，32（9）：1217-1220.

[6]田慶峰，顧英春，陳牧.SCR脫硝裝置氨消耗量的計算方法探討[J].電力勘測設計，2010，3：42-47.