氨逃逸監(jiān)測儀表應(yīng)用研究

林賢良

（浙江浙能長興發(fā)電有限公司設(shè)備管理部，浙江湖州 313100）

氨逃逸監(jiān)測儀表應(yīng)用研究

林賢良

（浙江浙能長興發(fā)電有限公司設(shè)備管理部，浙江湖州 313100）

本文簡述了脫硝后氨逃逸率監(jiān)測的必要性，然而國內(nèi)燃煤電廠高溫、高粉塵環(huán)境給氨逃逸測量帶來諸多困難，使得目前應(yīng)用的氨逃逸率監(jiān)測儀表存在諸多問題。目前應(yīng)用于某發(fā)電公司的有加拿大優(yōu)勝LasIR與德國西克GM700兩種監(jiān)測儀表，均采用TDLAS方法測量，本文對兩種儀表的結(jié)構(gòu)、安裝方式進(jìn)行了描述和對比，重點分析了兩種儀表的優(yōu)缺點，提出了兩種儀表目前應(yīng)用中存在的問題及改進(jìn)方向。

氨逃逸 TDLAS LasIR GM700

電廠脫硝工藝主要包括SNCR（選擇性非催化還原）和SCR（選擇性催化還原）兩種，其原理是通過向反應(yīng)器內(nèi)注入氨氣，將其與氮氧化物反應(yīng)生成氮氣和水。在該過程中，氨氣的注入量及其在反應(yīng)區(qū)的空間分布嚴(yán)重影響著脫硝效率。若注入氨量過小，就會降低脫硝效率；若注入氨量過大，就會引起氨逃逸。逃逸氨不僅會造成環(huán)境污染，而且它會與硫酸鹽反應(yīng)生成銨鹽，而銨鹽會在煙道下游固體部件表面沉淀，造成嚴(yán)重腐蝕，帶來昂貴的維護(hù)費(fèi)用。如果可以在脫硝反應(yīng)區(qū)下游精確快速的連續(xù)測量氨逃逸率，就可以瞬間為氨注入系統(tǒng)提供一個反饋信號，進(jìn)而對噴氨量進(jìn)行最優(yōu)化控制，使得氨逃逸率維持在一個最低水平線上，同時保證脫硝效率。

按照《當(dāng)前國家鼓勵發(fā)展的環(huán)保產(chǎn)業(yè)設(shè)備（產(chǎn)品）目錄》（2010版）要求，煙氣脫硝系統(tǒng)中氨逃逸率不大于3ppm，這要求氨逃逸率的測量裝置必須具有足夠高的測量靈敏度和精度；另外，脫硝系統(tǒng)出口處煙氣溫度在400℃左右，這要求測量裝置能夠在高溫環(huán)境下工作；再次，氨氣具有極強(qiáng)的吸附性且極易溶于水，這要求測量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)原位測量或采樣測量時不改變煙氣中氨的含量。

對于如此低的氨逃逸率及其相關(guān)特性，目前常用的采樣分析法、電化學(xué)分析法、紅外分析法都難以滿足測量要求，如目前電廠廣泛采用的SIEMENS公司生產(chǎn)的CEMS煙氣分析儀唯獨缺少氨逃逸率的測量。

為了解決氨逃逸率測量難題，歐美等發(fā)達(dá)國家將可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)引入到脫硝系統(tǒng)中，如德國SIEMENS和加拿大Unisearch公司研發(fā)出了氨逃逸率分析儀并迅速占據(jù)了歐美市場，國內(nèi)近幾年也引入了相關(guān)產(chǎn)品，但由于國內(nèi)電廠煙氣中粉塵含量極高，達(dá)到50g/m3，引入的氨逃逸率分析儀激光無法穿越煙道，進(jìn)而引起一系列的技術(shù)難題，使得上述產(chǎn)品在國內(nèi)電廠脫硝系統(tǒng)中應(yīng)用還處于探索、消化和改進(jìn)階段。

目前國內(nèi)電廠脫硝后氨逃逸率監(jiān)測儀表主要包括加拿大優(yōu)勝公司Unisearch的LasIR、德國西克的GM700、德國西門子的LDS6及國內(nèi)杭州聚光科技有限公司的LGA-4500［2-4］。某發(fā)電公司3號爐應(yīng)用2臺Unisearch的LasIR，2號爐和4號爐分別應(yīng)用2臺德國西克的GM700，兩種儀表設(shè)計均采用TDLAS測量原理。

1 TDLAS測量原理

TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技術(shù)是采用可調(diào)諧二極管激光器發(fā)射出的窄帶激光掃描氣體吸收譜線，然后通過分析分子吸收后的激光強(qiáng)度得到氣體濃度。當(dāng)一束波長為ν的單色激光穿過被測氣體后，激光透過率 τ（ν）可以用Beer-Lambert定律描述：

式中：0I為氣體吸收前的光強(qiáng)；

It為氣體吸收后的光強(qiáng)；

P為氣體壓強(qiáng)；

C為被測氣體濃度；

L為激光吸收光程；

S（T）為譜線的線強(qiáng)度，與溫度有關(guān)；

由公式（1）可知，當(dāng)被測氣體壓強(qiáng)、溫度、激光吸收光程已知的情況下，便可以通過測量激光透過率得到被測氣體的濃度。

不同的氣體分子只吸收固定波長的譜線，該方法具有極好的選擇性；測量精度可以達(dá)到ppm量級，靈敏度高；測量速度快，可達(dá)到ms級響應(yīng)級別；根據(jù)TDLAS原理可知，濃度由氣體吸收后光強(qiáng)與氣體吸收前光強(qiáng)的比值即激光透過率決定，絕對光強(qiáng)的大小不影響測量結(jié)果，因此在激光可以透過的情況下，粉塵對測量帶來的激光衰弱影響可以忽略［5］。

2 兩種儀表的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 Unisearch的LasIR

2.1.1 儀表結(jié)構(gòu)

LasIR包括激光控制單元、電源供給單元、信號處理單元，激光發(fā)射單元和激光接收單元，該儀表采用原位對穿測量方式，激光發(fā)射單元和激光接收單元安裝在煙道兩側(cè)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。LasIR由激光控制單元驅(qū)動激光器發(fā)射出的光束一部分透過參比池，實時鎖定氣體吸收譜線；另一部分通過光纜傳送到光學(xué)發(fā)射單元，經(jīng)過準(zhǔn)直后射出，射出光束穿過測量氣體空間，到達(dá)激光接收單元，在激光接收單元經(jīng)光電檢測器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)同軸電纜傳輸給信號處理單元，計算出被測氣體濃度值。

2.1.2 儀表優(yōu)缺點

該儀表優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便；

（2）激光在發(fā)射單元經(jīng)過擴(kuò)束，被發(fā)散地發(fā)射到接收單元，使得接收單元接收到的光強(qiáng)穩(wěn)定保持不變。

該儀表存在問題：

（1）激光必須透過是TDLAS方法不受絕對光強(qiáng)影響的前提，然而由于國內(nèi)電廠煤質(zhì)不同，煙道粉塵含量高，從而導(dǎo)致鏡片污染造成激光無法透過，進(jìn)而無法測量?，F(xiàn)象便是儀表經(jīng)常顯示激光功率不足，不顯示氨氣濃度值如圖2所示。

（2）測量數(shù)據(jù)不可靠，儀表顯示該煙道氨氣濃度長期在3ppm以下，多數(shù)低于1ppm，但脫硝后空氣預(yù)熱器經(jīng)常阻力變大，被NH4HSO4堵住，需要隔離清洗，維護(hù)成本高。

（3）該儀表無法進(jìn)行標(biāo)定。其采用原位對穿方式測量，內(nèi)部屬開放式環(huán)境，無法充入固定濃度氨氣驗證儀表測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（4）盡管在激光發(fā)射單元激光經(jīng)過擴(kuò)束到達(dá)激光接收單元，以保證激光接收單元接受到的激光光強(qiáng)保持不變，在該儀器安裝完使用的前期可以保持不變，但是過一段時間后由于煙道震動膨脹變形，后期無法接收到激光。

（5）也是由于粉塵含量高的原因，光功率衰減太大，以至于無法實現(xiàn)LasIR預(yù)定的光纖分布式一臺儀表可以通過分束測量兩個煙道氨逃逸率。

（6）該儀表測量的是煙道一條線上的逃逸氨濃度，安裝位置對此有很大影響，一條線無法反應(yīng)煙道內(nèi)氨氣分布情況。

2.2 德國西克的GM700

2.2.1 儀表結(jié)構(gòu)

GM700包括激光發(fā)射接收單元、測量探頭、煙道安裝帶管法蘭、計算單元及與外圍設(shè)備接口，該儀表采用反射式方式設(shè)計煙道單側(cè)安裝。其儀表結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。激光發(fā)射接收單元內(nèi)含激光控制器，驅(qū)動激光器發(fā)出激光一部分透過參比氣室，用來實時鎖定波長；另一部分透過測量探頭一端透鏡進(jìn)入測量探頭，由測量探頭另一端棱鏡反射，再次經(jīng)過測量探頭回到激光發(fā)射接收單元，由光電檢測器實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸至計算單元，計算出氣體濃度。

2.2.2 儀表優(yōu)缺點

該儀表優(yōu)點：

（1）該儀表使用直插式氣體滲透膜GPP測量探頭削弱了粉塵的影響，不用抽取樣氣，無需吹掃空氣單元，結(jié)構(gòu)簡單；

（2）有零氣測量裝置，可以隨時手動或者自動檢測儀表零點。該儀表存在問題：

（1）由于是GPP測量探頭采用滲透膜，存在響應(yīng)時間長問題，第一次安裝使用完成一次滲透需要大約50s，同時無法判斷煙氣是否在更新；

通過試驗得知，當(dāng)脫硝反應(yīng)器氨氣流量接近0kg/h，脫硝效率接近0%時，氨逃逸的濃度并沒有隨之變?yōu)?，而是持續(xù)維持在一定數(shù)值上，我們無法判斷氣體是否在更新。

（2）由于測量探頭沒有安裝反吹裝置，煙道內(nèi)的粉塵會堵塞探頭，導(dǎo)致滲透時間會越來越長以致到后來無法滲透；

（3）該儀表不使用光纖，激光發(fā)射接收單元與測量探頭一體化，結(jié)構(gòu)緊湊簡單，但是這樣一個激光器只能測量一個煙道；

（4）測量位置單一，代表性差；

（5）使用中發(fā)現(xiàn)本底信號無法克服，正常運(yùn)行中氨逃逸數(shù)據(jù)能反應(yīng)噴氨量變化，但在噴氨安全停止以后，氨逃逸數(shù)據(jù)仍然在隨鍋爐其他運(yùn)行參數(shù)變化。

3 氨逃逸儀表擬改進(jìn)方向

3.1 粉塵影響驗證

為了驗證煙道內(nèi)粉塵對激光信號的影響，首先模擬原位安裝，將一個紅光激光器固定在煙道一側(cè)模擬激光發(fā)射端，另一端由光電探測器接收；然后在煙道內(nèi)橫穿一根不銹鋼管，此時還是高溫環(huán)境，但無粉塵，將紅光激光器和光電探測器分別固定在不銹鋼管的兩端；用肉眼觀測紅光有粉塵情況比無粉塵情況削弱很多，將光電探測器信號采集，兩種情況得到的激光光強(qiáng)如圖所示。圖4有粉塵影響，激光強(qiáng)度約為200mV，圖5無粉塵影響，激光強(qiáng)度約為6V，可以看出，由于粉塵影響，激光衰減了近30倍。

3.2 擬改進(jìn)方向

由于國內(nèi)燃煤電廠所用煤質(zhì)原因，煙道內(nèi)粉塵含量高，再加上高溫環(huán)境，使得加拿大優(yōu)勝公司的LasIR與德國西克的GM700應(yīng)用中都存在一些問題。建議脫硝后氨逃逸率監(jiān)測儀表從以下幾個方向改進(jìn)：

3.2.1 采用原位取樣測量方式

原位對穿式測量受粉塵影響太大，煙道壁的變形也會造成激光的偏移，而傳統(tǒng)的取樣方式取樣在煙道內(nèi)，測量在煙道外，需要增加復(fù)雜的樣氣處理和伴熱裝置，而且伴熱很難做到均勻，非均勻伴熱及伴熱溫度不夠時容易造成氨氣與三氧化硫反應(yīng)生成硫酸氫銨及氨氣在取樣管路的吸附，使得測量結(jié)果失真。因此建議采用原位取樣測量，將取樣和測量都安裝在煙道內(nèi)部，這樣可以保證樣氣溫度一直與煙氣溫度一致，不會改變煙氣中氨氣的含量，采用抽取方式將煙氣經(jīng)過濾后進(jìn)入測量裝置，能夠降低粉塵的影響。

3.2.2 考慮安裝多個取樣裝置，外加反吹功能

讓取樣裝置呈片狀分布于煙道內(nèi)部，取樣進(jìn)來的氣體混合過濾后進(jìn)入同一個測量裝置，這樣測量的是該片狀區(qū)域氨逃逸濃度的平均值，測量更加具有代表性。另外，儀表配備自動定時反吹功能，使用儀用壓縮空氣對過濾器進(jìn)行反吹，避免過濾器堵灰影響氣體更新速率。

3.2.3 采用光纖分束式測量

由于采用取樣過濾方式使煙氣進(jìn)入測量腔，消除了粉塵的影響，如此一來，激光透過率得到保證，因此可以使用光纖分束器將激光分成兩束，這樣便可同時測量兩個煙道內(nèi)的氨逃逸率。

3.2.4 采用低壓測量方式

煙氣中氣體種類繁多，會給氨氣測量帶來一定的干擾。眾多文獻(xiàn)表明，在低壓環(huán)境下，氣體特征吸收譜線變窄，激光掃描范圍變小，這樣可以更加有效避免其它氣體譜線干擾。另外激光掃描范圍變窄后，背景信號波動減小，可以有效提高信噪比，降低測量下限，提高測量靈敏度。

3.2.5 自動定時測量背景信號，消除背景信號影響

背景信號存在隨機(jī)變化規(guī)律，對氨氣測量帶來的影響不可小視。體現(xiàn)為零點漂移，即相同的濃度對應(yīng)不同的諧波峰值。因此加入自動定時測量背景信號裝置，實時監(jiān)測背景信號情況，消除背景信號影響。

3.2.6 添加自動標(biāo)定功能

可以考慮添加電動閥門定期進(jìn)入固定濃度氨氣，對儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，監(jiān)測測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)語

煙道高溫高粉塵環(huán)境給氨逃逸率監(jiān)測儀表應(yīng)用帶來很大難題，德國西克GM700使用GPP過濾滲透膜探頭相比加拿大優(yōu)勝LasIR削弱了粉塵的影響，但在應(yīng)用中存在系列其它問題。本文在分析兩種儀表的優(yōu)缺點和使用中存在的問題后，用現(xiàn)場模擬方式分析了粉塵對激光的影響，提出了氨逃逸監(jiān)測儀表在高溫高粉塵環(huán)境下應(yīng)用的改進(jìn)方向。

［1］張志強(qiáng)，宋國升，陳崇明，等.某電廠600MW機(jī)組SCR脫硝過程氨逃逸原因分析［J］.發(fā)電技術(shù)，2012，33（6）∶67-70.

［2］王復(fù)興.一種新型在線分析儀器-可調(diào)諧二極管激光光譜分析器［J］.分析儀器，2007，2∶60-63.

［3］張進(jìn)偉，陳生龍，程銀平.可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)在脫硝微量氨檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］中國儀器儀表，2011，3∶26-29.

［4］朱衛(wèi)東.火電廠煙氣脫硫脫硝監(jiān)測分析及氨逃逸量監(jiān)測［J］.分析儀器，2010，1∶88-94.

［5］李寧.基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的氣體在線檢測及二維分布重建研究［D］.浙江大學(xué)，2008.

林賢良（1972—），男，浙江長興人，工程師，從事火力發(fā)電廠熱工技術(shù)管理工作。