脫硝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)氨濃度的測量

應(yīng)　靖　 閆　軍

(1.南京化學(xué)工業(yè)園熱電有限公司.南京. 210047；北京航天益來電子科技有限公司,北京.100041)

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脫硝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)氨濃度的測量

應(yīng)靖1閆軍2

(1.南京化學(xué)工業(yè)園熱電有限公司.南京. 210047；北京航天益來電子科技有限公司,北京.100041)

摘要：針對脫硝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)氨濃度測量存在的技術(shù)難題進行了技術(shù)改造，提出抽取式旁路測量裝置的整體優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計方案，工程試驗結(jié)果表明，能夠?qū)崿F(xiàn)對氨濃度的穩(wěn)定測量。

關(guān)鍵詞：脫硝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)氨逃逸抽取式旁路測量裝置

1概 述

“十一五”期間，火電廠尾氣排放氮氧化物占到全國氮氧化物排放總量的38%，在國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃中，環(huán)境保護主要目標(biāo)要將氮氧化物排放總量降低10%(即從2010年的2273.6萬噸降低到2015年的2046.2萬噸)，因此，降低火電廠尾氣氮氧化物排放，是治理和降低氮氧化物排放量的重中之重，火電廠實施脫硝改造是減少氮氧化物排放的主要措施。

當(dāng)前，國內(nèi)用于煙氣脫硝的主要技術(shù)為選擇性催化還原法(SCR)和非選擇性催化還原法(SNCR)。

1.1選擇性催化還原法(SCR)

選擇性催化還原法原理是：向反應(yīng)器內(nèi)投放氨，使之在催化劑的作用下與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成水和氮氣。在這種情況下，控制好氨的注入量和氨在反應(yīng)區(qū)空間的分布是脫硝效果好壞的關(guān)鍵。投放的氨量過少，煙氣中大量的氮氧化物沒有及時反應(yīng)而排放到大氣中，沒有很好起到脫硝的目的；投放的氨量過大，就會有氨逃逸出反應(yīng)區(qū)，并在工藝流程中與SO2、SO3、H2O反應(yīng)生成硫酸銨和硫酸氫銨，堵塞催化劑，使催化劑失效，還有可能腐蝕和嚴(yán)重影響下游設(shè)備的安全運行，例如使空預(yù)器的阻力增大，甚至堵塞。

1.2非選擇性催化還原法(SNCR)

非選擇性催化還原法原理是：把含氨基的還原劑噴入到鍋爐爐膛中,還原劑快速熱解成NH3,將煙氣中的NOx還原成N2和H2O。SNCR技術(shù)的NOx 脫除率較低(一般<30%) ,而氨的逃逸率卻較高，會造成鍋爐空預(yù)器堵塞。

根據(jù)中華人民共和國國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn) HJ 562-2010《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范選擇性催化還原法》8.2.2條款的規(guī)定：“反應(yīng)器出口煙氣連續(xù)檢測裝置至少應(yīng)包含以下測量項目：NOx 濃度(以 NO計)、煙氣含氧量、 氨逃逸濃度。”因此為保證鍋爐及脫硝系統(tǒng)設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行，對脫硝系統(tǒng)出口的氨逃逸濃度進行連續(xù)、準(zhǔn)確的監(jiān)測十分必要。

2微量氨逃逸濃度測量技術(shù)

2.1原位安裝激光光譜分析

原位安裝激光光譜分析采用調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)。主要生產(chǎn)公司有：ABB公司(LS25，圖1)、西門子公司(LDS6，圖2)、挪威NEO公司(servomex 2930，圖3)、加拿大優(yōu)勝公司。日本的富士公司國內(nèi)燃煤電廠在脫硝監(jiān)測中廣泛使用原位安裝的激光分析儀。由于脫硝SCR出口煙道流通面積較大，再加上煙氣中粉塵含量很高，缺乏均一性，導(dǎo)致原位安裝的激光分析儀激光透過率很小，無法正常連續(xù)、準(zhǔn)確檢測煙氣中逃逸氨濃度；有的地方采用角安裝的方式，雖然可以保證激光透過率，但測量的數(shù)據(jù)的代表性降低。

圖1　ABB　 LS25

圖2　西門子　 LDS6

圖3　servomex　2930

2.2原位安裝插入式紫外光譜分析

原位安裝插入式紫外光譜分析利用在一定波長的紫外光照射下，引起分子中電子能級的躍遷，從而產(chǎn)生分子的電子吸收光譜原理進行氨逃逸濃度的測量。主要生產(chǎn)公司有德國SICK公司(GM31，圖4)。

圖4　德國SICK　GM31

2.3高溫完全抽取+化學(xué)發(fā)光差值計算法

高溫完全抽取+化學(xué)發(fā)光差值計算法將煙氣抽取出來后，然后通過轉(zhuǎn)化器將NH3轉(zhuǎn)化為NO，利用化學(xué)熒光法檢測微量NO，再轉(zhuǎn)換成氨的值。這種方法存在轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率問題，另外，在樣氣取樣過程中，還存在水分對微量氨的吸收以及微量氨的反應(yīng)轉(zhuǎn)化等問題，主要生產(chǎn)公司有日本HORIBA公司(ENDA-C2000，圖5)。

圖5　日本HORIBA ENDA-C2000

2.4高溫稀釋抽取+化學(xué)發(fā)光差值計算法

高溫稀釋抽取+化學(xué)發(fā)光差值計算法的原理與高溫完全抽取+化學(xué)發(fā)光差值計算法相同，只不過將煙氣抽取出來并稀釋后進行分析，主要生產(chǎn)公司有美國熱電公司。

2.5高溫抽取+傅里葉紅外分析

可同時測量NO、NO2、O2、NH3,，但是系統(tǒng)復(fù)雜、造價高，對維護人員技術(shù)水平要求高。主要生產(chǎn)公司有：ABB公司。目前國內(nèi)也有公司生產(chǎn)，例如南京霍普斯科技有限公司。

2.6高溫射流抽取+激光光譜分析

將煙氣抽取到旁路測量裝置，通過安裝在旁路測量裝置上的激光光譜分析儀測量氨逃逸濃度。由于高溫射流抽取，能確保樣氣不損失；由于采樣無機械部件，能裝置運行長久、可靠；由于煙道內(nèi)探頭處加裝了過濾器，為此進入旁路測量裝置的煙氣克服了高粉塵對激光光譜分析儀器的干擾；旁路測量裝置設(shè)置了標(biāo)定口，可實現(xiàn)系統(tǒng)的在線標(biāo)定功能，北京航天益來科技有限公司已研發(fā)成功該抽取式旁路測量裝置并在部分電廠成功投入運行。

3氨逃逸濃度測量現(xiàn)狀

目前市場上主流的氨逃逸率在線測量儀表測量原理有激光測量法和氣體抽取法。激光測量法在大多數(shù)電廠選用的是西門子LDS6，但使用情況普遍反映不太理想，主要現(xiàn)象為測量數(shù)據(jù)呈恒定直線且不隨噴氨量變化；不同運行工況(如：負(fù)荷、煤種、風(fēng)量變化等)時需對儀表參數(shù)進行重新設(shè)定；儀表設(shè)置復(fù)雜，通常只能由西門子技術(shù)服務(wù)工程師完成；挪威產(chǎn)的NEO LaserGasII激光氣體分析儀在上海漕涇電廠、平海電廠和臺山電廠也有應(yīng)用。

南京化學(xué)工業(yè)園熱電有限公司4#機脫硝裝置氨逃逸率表采用西門子LDS 6一拖二激光分析儀，儀表采用纖維光學(xué)和紅外二極管激光技術(shù)進行測量，中心單元通過光纖與現(xiàn)場傳感器分隔開無需采樣，分析儀安裝在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的機柜中。2009年8月4#機組脫硝裝置與主機一同投入商業(yè)運行，運行中發(fā)現(xiàn)氨逃逸率表測量不準(zhǔn)，噴氨量改變時逃逸率表計輸出沒有變化。廠家人員多次進行改造后仍然未消除缺陷，實施的改造方法包括在煙道內(nèi)加裝一根有孔的管道，保證激光束在管道內(nèi)；將測量裝置從煙道兩側(cè)移至煙道一角，減少測量裝置之間的距離等，但均未有效解決問題。

4氨逃逸濃度測量存在問題原因分析

通過對設(shè)備的反復(fù)觀察及分析，認(rèn)為造成氨逃逸率表測量不準(zhǔn)的原因主要有如下兩條：

(1)在不同負(fù)荷下煙道膨脹發(fā)生變化，造成安裝在煙道上的發(fā)射端發(fā)出的激光射線未很好對準(zhǔn)接收端。

(2)煙道中煙氣含塵量大，造成激光穿透煙氣困難。

5氨逃逸濃度測量技術(shù)改進

針對脫硝氨逃逸濃度測量存在的問題，國內(nèi)許多單位進行了技術(shù)改進，主要試驗情況如下：

(1)上海漕涇電廠采用在煙道上斜角安裝方式(見圖6)，從曲線(見圖7)看調(diào)節(jié)閥在自動時，閥門開關(guān)波動幅度較大，氨逃逸率曲線基本符合調(diào)節(jié)閥開度變化。但由于無法實施在線校驗，為此儀表測量準(zhǔn)確性尚待驗證。

圖6　NEO LaserGasII激光氣體分析儀安裝示意圖(上海漕涇電廠)

圖7　上海漕涇電廠曲線圖

(2)北京航天益來電子科技有限公司采用了氣體抽取法進行測量，分析儀采用法國ESA公司生產(chǎn)的MIR9000H型GFC紅外多氣體分析儀，主要原理為將煙氣加熱并抽取到紅外氣體分析室對NH3進行測量。在我公司`2#爐脫硝進行了運行試驗，通過試驗發(fā)現(xiàn)由于NH3濃度低且易溶于水，再加上點測量，因此測量偏差較大。

(3)北京航天益來電子科技有限公司經(jīng)過研究提出將煙氣通過抽取式旁路測量裝置進行測量的技術(shù)方案，并在我公司4#爐B側(cè)脫硝SCR出口進行了運行試驗，試驗中發(fā)現(xiàn)西門子氨逃逸率儀表透光率(約230units)達到合格標(biāo)準(zhǔn)，儀表測量恢復(fù)，旁路測量裝置具備在線校驗功能，為判斷儀表測量的準(zhǔn)確性創(chuàng)造了條件。但由于西門子氨逃逸率表自身測量存在不穩(wěn)定性，測量數(shù)據(jù)尚存在周期性的跳變現(xiàn)象。

6抽取式旁路測量裝置

CYA-CMN01抽取式旁路測量裝置有由北京航天益來電子科技有限公司研發(fā)，主要由采樣探頭、測量室、電控箱、手動球閥、氣動采樣泵、伴熱管線等組成。各部分功能及特點如下：

(1)采樣探頭安裝在煙道上，設(shè)計有一個高精度(0.3μm)、低氣流阻力的疏水過濾器，對樣氣粉塵進行高效過濾處理，確保不污染測量室。采樣探頭采用過濾元件內(nèi)置(過濾器安裝在煙道內(nèi))，使得煙塵的過濾在煙氣進入探頭之前進行，同時充分利用煙道內(nèi)部自身的煙氣沖刷，免去了探頭粉塵堵塞之苦，同時可以省去探頭的反吹，減少了現(xiàn)場的使用維護量。

(2) 測量室是整套裝置的核心部件，兩端設(shè)計有法蘭用來安裝激光分析儀，中間段是測量腔，是激光分析儀進行檢測的技術(shù)環(huán)節(jié)。測量腔一端連接手動球閥，是樣氣進口；一端連接氣動采樣泵，是樣氣出口。整個測量室、手動球閥及氣動采樣泵均放置于一個加熱、保溫箱內(nèi)。

(3)電控箱主要用來控制采樣探頭和保溫箱的加熱與保溫。

(4)動球閥主要功能是切換采樣和標(biāo)定，實現(xiàn)激光分析儀的在線手動標(biāo)定。

(5)氣動采樣泵是整套裝置的動力源，其作用是將煙道內(nèi)煙氣抽取到測量室內(nèi)，以標(biāo)準(zhǔn)氣般的品質(zhì)供激光分析儀檢測。

(6)伴熱管線確保了樣氣在傳輸過程中處于加熱狀態(tài)。

(7)在激光分析儀防塵鏡部分還加裝了加熱套，確保了激光分析儀部分不會有冷凝水析出污染防塵鏡片。

CYA-CMN01抽取式旁路測量裝置的樣氣流通路徑均處于加熱狀態(tài)，確保了樣氣傳輸過程中不會因冷凝出水而導(dǎo)致樣氣中逃逸氨被吸收而流失；樣氣流經(jīng)管線(無論是采樣探頭還是測量室)均經(jīng)過特殊工藝處理，確保樣氣傳輸過程中不會發(fā)生逃逸氨的催化轉(zhuǎn)化，保證了激光分析儀檢測出來的數(shù)據(jù)能夠真實反映煙道內(nèi)煙氣的逃逸氨含量，圖8為原理圖，圖9為設(shè)備圖，圖10為設(shè)備內(nèi)部圖。

圖8　煙氣旁路測量裝置原理圖

圖9　煙氣旁路測量裝置設(shè)備圖

圖10　煙氣旁路測量裝置設(shè)備內(nèi)部圖

為了對CYA-CMN01抽取式旁路測量裝置的性能進行測試，2012年3月份我公司在4#爐B側(cè)脫硝SCR出口同時安裝了3套CYA-CMN01抽取式旁路測量裝置，配裝的激光分析儀分別為、ABB公司的LS25激光分析儀(圖11)、富士公司的ZSS激光分析儀(圖11)和西門子公司的LDS6激光分析儀(圖12)。

圖11　富士公司ZSS激光分析儀(上)、 ABB公司LS25激光分析儀(下)

圖12　西門子公司LDS6激光分析儀

從西門子儀表數(shù)據(jù)看，光的透過率達到了230units，而在線式測量20units都是非常奢望的數(shù)值，可見煙塵的影響被完全排除了，這一技術(shù)進展非常重要，提高了分析儀穩(wěn)定工作的能力。同時在實驗期間(2012年3月～7月)，過濾器僅清理了一次，檢查中發(fā)現(xiàn)透光鏡片幾乎沒有污染，因此改造裝置除塵效果非常理想，少維護始終是本行業(yè)集中關(guān)注和長期追求的工程應(yīng)用目標(biāo)，見圖13。

圖13　西門子氨逃逸率表試驗數(shù)據(jù)

在3家設(shè)備同時測量期間，發(fā)現(xiàn)富士的ZSS氨逃逸測量設(shè)備在絕大多數(shù)的時間里是測量不到數(shù)據(jù)的，這樣的情況在向廠家反映后，他們也來現(xiàn)場檢查過，最終確定設(shè)備可能存在一些技術(shù)問題，需要回廠再調(diào)試。圖14為3套氨逃逸率儀表試驗期間測量值，圖15為試驗曲線，ABB的LS25從圖上反映的數(shù)據(jù)來看是比較平穩(wěn)的。圖15中最上方曲線為西門子的氨逃逸歷史曲線，中間一松曲線為ABB的氨逃逸歷史曲線，最下面曲線為富士的氨逃逸歷史曲線。

圖14　3套氨逃逸率儀表試驗期間測量值

圖15　試驗曲線

2012年5月9日氨濃度、噴氨流量及噴氨調(diào)整門開度的對應(yīng)關(guān)系曲線見圖16。

圖16　氨濃度與噴氨量曲線

2012年5月26日氨濃度、噴氨流量及出口氮氧化物值的對應(yīng)關(guān)系見圖17。

圖17　氨濃度與氮氧化物曲線

2012年7月5日對分析儀進行了標(biāo)定檢查(測量光程：1.1m；測量溫度：250℃；透光率：約230units)，標(biāo)定數(shù)據(jù)及曲線見表1。

表1　表名

圖18為氨逃逸率表旁路測量裝置標(biāo)定曲線，圖中的坐標(biāo)系Y軸最大30×10-6。這是一個完整的標(biāo)定曲線，可以非常明顯的看到標(biāo)氣通入的上升沿和下降沿，標(biāo)氣流經(jīng)的曲線非常清晰。標(biāo)氣在通入標(biāo)定池一端時間后達到了穩(wěn)定的狀態(tài)，波動范圍很小。

圖18　氨逃逸率表旁路測量裝置標(biāo)定曲線

7結(jié) 論

根據(jù)國務(wù)院2011年8月印發(fā)的《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，我國氮氧化物排放總量將控制在2046.2萬噸，比2010年的2273.6萬噸下降10%，因此對脫銷CEMS裝置的監(jiān)管力度勢必將不斷增加。脫硝裝置氨逃逸濃度長期無法準(zhǔn)確測量已對鍋爐的安全穩(wěn)定運行造成影響，同時也不利于脫硝系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，為此必須盡快解決脫硝氨逃逸濃度測量問題，我公司通過對北京航天益來電子科技有限公司CYA-CMN01抽取式旁路測量裝置的試驗運行，可以得出如下技術(shù)結(jié)論：

(1)CYA-CMN01抽取式旁路測量裝置配合激光光譜分析儀可實現(xiàn)對SCR出口逃逸氨濃度的在線連續(xù)監(jiān)測，解決了氨逃逸率儀表受粉塵影響無法正常工作的技術(shù)難題，具有重要意義。

(2)CYA-CMN01抽取式旁路測量裝置中的高精度疏水過濾器的粉塵過濾精度高、且氣流阻力小，可高效濾除樣氣粉塵，為激光分析儀的長期穩(wěn)定運行創(chuàng)造了良好條件。

(3)CYA-CMN01抽取式旁路測量裝置可以實現(xiàn)現(xiàn)場激光分析儀的在線標(biāo)定，便于現(xiàn)場校準(zhǔn)激光分析儀，減少維護工作量，突破了目前氨逃逸率儀表無法比對的技術(shù)難題。

抽取式旁路測量裝置的成功研制，為脫硝SCR出口微量逃逸氨的在線連續(xù)、準(zhǔn)確監(jiān)測提供了一種全新的創(chuàng)造性的解決方案，已在多個工程現(xiàn)場應(yīng)用中被多家知名企業(yè)認(rèn)可，有望成為今后SCR出口微量逃逸氨在線連續(xù)、準(zhǔn)確監(jiān)測的主流方案之一。

收稿日期：2015-05-27

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.01.016

作者簡介：應(yīng)靖，男，工程師，南京化學(xué)園熱電有限公司，E-mail：yj928156@sina.com 。