燃煤電廠氨逃逸在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及設(shè)備選型建議

吳曄

摘? 要：SCR脫硝工藝的氨逃逸監(jiān)測(cè)是一個(gè)世界性的難題，尤其對(duì)于中國電廠的高粉塵工況下的煙氣，該文從燃煤電廠氨逃逸在線監(jiān)測(cè)儀表使用現(xiàn)狀入手，闡述了氨逃逸在線儀表目前本土化應(yīng)用中遇到的煙氣粉塵太大、ABS（NH4HSO4）、氨逃逸檢測(cè)靈敏度不夠、氨逃逸分析儀的校正、逃逸氨在煙氣中分布不均及氣體譜線交叉干擾這6類問題，從測(cè)量方法、取樣方式及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)等方面對(duì)氨逃逸在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行了介紹，并給出設(shè)備選型建議。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠? 氨逃逸? 在線監(jiān)測(cè)? 技術(shù)現(xiàn)狀? 設(shè)備選型

中圖分類號(hào)：X773 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（b）-0055-02

燃煤鍋爐煙氣排放所含的氮氧化物是空氣污染的重要源頭之一，控制燃煤過程煙氣排放NOx總量是各國環(huán)保法規(guī)的重點(diǎn)。目前燃煤鍋爐煙氣脫硝主流技術(shù)是選擇性催化還原（SCR）和選擇性催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)。其中SCR脫硝工藝提出在煙氣中噴入氨，在催化作用下，NH3與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成對(duì)環(huán)境無害的N2和H2O。

燃煤鍋爐SCR脫硝工藝中有部分NH3隨著煙氣逃逸出催化劑層。氨逃逸最大的危害在于逃逸氨與煙氣中的SO3反應(yīng)生成NH4HSO4，簡(jiǎn)稱ABS。ABS在一定溫度區(qū)間內(nèi)呈液態(tài)，并具有粘性特征，液態(tài)的ABS易附著在SCR脫硝系統(tǒng)后空預(yù)器的表面，并吸附煙氣中的粉塵，造成空預(yù)器的前后壓差增大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致空預(yù)器堵塞，危害鍋爐的運(yùn)行安全;逃逸氨還會(huì)造成催化劑失活，縮短使用壽命，同時(shí)會(huì)影響粉煤灰的綜合利用，影響除塵效率，并形成二次細(xì)顆粒物，加劇大氣污染。因此，實(shí)時(shí)檢測(cè)逃逸氨的濃度對(duì)指導(dǎo)SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。

1? 當(dāng)前氨逃逸儀表存在的問題

眾多國內(nèi)外品牌的氨逃逸在線監(jiān)測(cè)儀表在燃煤電廠實(shí)際應(yīng)用中存在各種問題，主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)。

1.1 煙氣粉塵太大的問題

煙氣中高達(dá)20～50g/Nm3的粉塵導(dǎo)致對(duì)射式激光氣體分析儀的激光不能夠穿透整個(gè)煙道，尤其當(dāng)鍋爐負(fù)荷增大時(shí)，激光光束就不能通過，導(dǎo)致檢測(cè)中斷。鍋爐吹灰也會(huì)導(dǎo)致激光光束不能通過。對(duì)于探桿式的激光分析儀，由于依靠煙氣滲透進(jìn)入探桿的過濾管，在如此高的粉塵下，探桿過濾管易堵塞，維護(hù)量大[1]。

1.2 ABS的問題

燃煤電廠SO3含量通常在50ppm以上，有些電廠由于使用高硫煤，SO3含量甚至高達(dá)200ppm。SCR催化劑含有V2O5成份對(duì)SO2轉(zhuǎn)化到SO3起到催化作用，導(dǎo)致了SO3含量提高。研究表明，當(dāng)氨逃逸3ppm，SO3在50～100ppm之間時(shí)，ABS生成溫度在220℃和230℃之間[2]。對(duì)于傳統(tǒng)抽取式分析系統(tǒng)而言，采樣管線和檢測(cè)池很難加熱到如此高的溫度，并且在采樣環(huán)節(jié)上任何細(xì)小位置的溫度低于此溫度區(qū)間都會(huì)導(dǎo)致ABS的生成，導(dǎo)致氨損失甚至完全消失。

1.3 氨逃逸檢測(cè)靈敏度不夠的問題

對(duì)于激光光譜分析儀而言，NH3的吸收光譜隨著溫度的提高吸收峰會(huì)減弱，靈敏度會(huì)隨之降低。在350℃～400℃的煙氣溫度下，每米光程的靈敏度大約在1.5ppm，對(duì)射式激光表由于煙氣粉塵過大通常會(huì)安裝在煙道對(duì)角位置，把光程控制在1～2m之內(nèi)，這樣氨逃逸的檢測(cè)靈敏度最好的情況也只能達(dá)到大約1ppm，這對(duì)于0～3ppm的氨逃逸檢測(cè)范圍來說，顯然靈敏度是不夠的[3]。對(duì)于稀釋法的化學(xué)發(fā)光NOx分析儀法的氨逃逸分析系統(tǒng)而言，由于氨逃逸本身含量很低，通過10～100倍的稀釋以及氨氣轉(zhuǎn)換爐的轉(zhuǎn)化損失以及采樣管路的損失，基本上很難檢測(cè)到3ppm以下的氨逃逸。

1.4 氨逃逸分析儀的校正問題

標(biāo)氣公司基本上不能提供10ppm以下的準(zhǔn)確氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣體，對(duì)于對(duì)射式激光分析儀而言，也很難進(jìn)行在線校正。

1.5 逃逸氨在煙氣中分布不均的問題

逃逸氨的分布不均是造成空預(yù)器堵塞的主要原因之一。原因包括自噴氨噴嘴的故障以及噴嘴分布、催化劑層的安裝不嚴(yán)密等。無論是對(duì)射式激光表的平均濃度還是單點(diǎn)抽取式都不能很好地反映出真實(shí)的氨逃逸分布，從而給SCR的噴氨優(yōu)化造成困難。

1.6 氣體譜線交叉干擾問題（H2O和CO2等）

由于氨逃逸測(cè)量?jī)x表測(cè)量對(duì)象為氨氣，電廠煙道內(nèi)煙氣含有高濃度水蒸氣及CO2、CO氣體，考慮市場(chǎng)化成本和測(cè)量精度問題，氨逃逸測(cè)量一般選擇的譜線均位于近紅外區(qū)，此區(qū)域內(nèi)不可避免地存在H2O和CO2等氣體的干擾[4]。這些干擾氣體的吸收譜線往往同氨氣吸收譜線相互疊加，當(dāng)氨氣濃度含量較低時(shí)，可能出現(xiàn)氨氣吸收譜線被覆蓋的情況，嚴(yán)重影響氨氣濃度檢測(cè)。

2? 技術(shù)發(fā)展情況

針對(duì)上述存在的問題和監(jiān)測(cè)難點(diǎn)，該文從測(cè)量方法、取樣方式及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)等方面闡述氨逃逸在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展情況。

2.1 測(cè)量方法

傳統(tǒng)的氨氣檢測(cè)技術(shù)分為化學(xué)分析法和光譜方法，每種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

從表1各種測(cè)量方法的對(duì)比中可以看出，TDLAS測(cè)量方法響應(yīng)速度快、分辨率高、可實(shí)現(xiàn)NH3實(shí)時(shí)在線的檢測(cè)，這些優(yōu)點(diǎn)大大促進(jìn)了其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用。目前國際上主流的氨逃逸監(jiān)測(cè)均為基于TDLAS技術(shù)的氨逃逸分析儀，代表品牌有西門子的LDS6、挪威NEO的LaserGasIISP、加拿大UNISEARCH（優(yōu)勝）公司LasIR （SPSO）等。TDLAS技術(shù)成為當(dāng)前氣體濃度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

2.2 測(cè)量方式

經(jīng)過近些年的發(fā)展，氨逃逸儀表本土化應(yīng)用測(cè)量方式歷經(jīng)三代變更。

第一代測(cè)量方式為稀釋取樣法，主要有日本Horiba和美國熱電等品牌。該路線抽取煙氣后，將NH3、NO2轉(zhuǎn)換成NO，在轉(zhuǎn)化過程中受氨吸附、氨去除器去除氨氣不夠徹底、氨轉(zhuǎn)化率的影響導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，目前已基本被國內(nèi)電廠淘汰。

第二代測(cè)量方式多采用原位激光對(duì)射式，代表廠家有加拿大優(yōu)勝、西門子LDS6系列、ABBAO2000-LS25系列和仕富梅等，直測(cè)式安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低。這些儀表國產(chǎn)化應(yīng)用時(shí)暴露了一些缺點(diǎn)（不能實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)，高粉塵的環(huán)境下激光不能透過）;同時(shí)這種測(cè)量方式對(duì)煙道壁的振動(dòng)強(qiáng)度也有一定的要求，煙道壁的振動(dòng)過大會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)，甚至無法測(cè)量。在后期的應(yīng)用過程中盡管采用了一些改進(jìn)措施，比如，在煙道內(nèi)搭設(shè)半圓管阻擋粉塵等措施，但都不能解決問題。目前國內(nèi)電廠普遍反映這種方式測(cè)量不準(zhǔn)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需要。

第三代技術(shù)采用插入式原位或偽原位TDLAS技術(shù)，國內(nèi)外廠家有西克、優(yōu)勝、北京大方、北京新葉能源、鄭州光力等。第三代技術(shù)分析裝置一般貼煙道壁或直接在煙道內(nèi)，集成了所有的高溫采樣、光學(xué)檢測(cè)組件于一體，不同于傳統(tǒng)抽取式檢測(cè)系統(tǒng)、該系統(tǒng)沒有傳統(tǒng)的采樣管線，煙氣被直接抽取到高溫多次反射檢測(cè)池并返回?zé)煹溃啻畏瓷錁託馐遥ＷC了測(cè)量精度與下限。部分品牌可多點(diǎn)采樣，測(cè)量更具代表性;在氣體組分之間在近紅外區(qū)產(chǎn)生交叉干擾問題方面，在中紅外譜線測(cè)量氨逃逸商業(yè)化應(yīng)用成本高居不下的情況下，部分品牌通過同時(shí)檢測(cè)氣體中NH3和H2O，水分含量可一定程度上佐證氨逃逸測(cè)量的準(zhǔn)確性，不失為一種較好的解決方案。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)

由于煙道面積較大，氨逃逸檢測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域相對(duì)于煙道本身而言僅僅只是很小一部分，無法反映整體氨逃逸情況。噴氨噴嘴的故障以及噴嘴分布，來自催化劑層的安裝不嚴(yán)密導(dǎo)致煙氣沒有通過催化劑層而進(jìn)入下游煙道，這些因素都有可能造成逃逸氨的分布不均，從而給脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化造成困難。但由于測(cè)量系統(tǒng)尺寸及成本問題，需考慮測(cè)點(diǎn)的布置方式以滿足逃逸氨分布測(cè)量的需求。

在此情況下，增加檢測(cè)點(diǎn)數(shù)對(duì)于運(yùn)行控制十分必要。一般有兩種方案：（1）通過在煙道均布取樣探頭，通過取樣探頭抽取煙氣混合后送往測(cè)量單元，這種測(cè)量方案僅能反映煙道氨濃度平均狀態(tài)，對(duì)于各區(qū)域情況及是否分布均勻仍無法判斷。（2）通過在煙道均布獨(dú)立探頭，獨(dú)立取樣，獨(dú)立測(cè)量，這種測(cè)量方式可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步測(cè)量，能夠較好的反映煙道內(nèi)各區(qū)域氨氣分布情況，一定程度上為運(yùn)行調(diào)整提供了參考依據(jù)。

3? 選型建議

結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及國內(nèi)儀表應(yīng)用情況，提出以下選型建議。

3.1 在測(cè)量點(diǎn)數(shù)上，建議采取多點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著燃煤機(jī)組容量的不斷增大，煙道的面積越來越大，逃逸氨的濃度在煙道空間中分布愈發(fā)不均勻，單點(diǎn)方案只能取得氨表周邊很小范圍的局部氣樣，多點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)測(cè)量更具代表性。

3.2 在測(cè)量方式上，建議選取在線偽原位/原位檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)抽取式技術(shù)管線吸附氨嚴(yán)重，長(zhǎng)伴熱管道易生成ABS，煙氣成分發(fā)生變化，使得測(cè)量結(jié)果偏離真值。對(duì)射式在現(xiàn)有情況下無法解決煙塵含量過大問題。在線偽原位/原位檢測(cè)采樣氣體可通過探桿直接進(jìn)入過濾腔，過濾后的氣體直接進(jìn)入多次反射檢測(cè)池，檢測(cè)出來的氣體直接返回?zé)煹溃瑲怏w接觸部分在300℃左右，以保證采樣過程中沒有ABS生成，避免逃逸氨的采樣損失，從而最大限度地保證了采樣煙氣與原煙氣的工況一致。

3.3 在分析方法上，建議采取TDLAS技術(shù)

電化學(xué)、紫外和紅外因精度差、干擾因素多等因素均不適用于現(xiàn)場(chǎng)氨逃逸在線監(jiān)測(cè)，而TDLAS技術(shù)具備抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快、靈敏度高。

綜上，氨逃逸在線監(jiān)測(cè)技術(shù)建議選取多點(diǎn)測(cè)量，在線偽原位/原位TDLAS技術(shù)。

4? 結(jié)語

隨著技術(shù)進(jìn)步和設(shè)備更新，更先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)不斷涌現(xiàn)，我們?cè)谌粘ＴO(shè)備改造時(shí)應(yīng)密切關(guān)注最新技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，選取先進(jìn)、準(zhǔn)確的氨逃逸測(cè)量?jī)x表，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員提供燃煤電廠煙道截面氨氣濃度的分布信息，解決逃逸氨的不均勻性問題，大大提高燃煤電廠煙道逃逸氨濃度的監(jiān)測(cè)能力，對(duì)電廠煙氣脫硝系統(tǒng)提供重要參數(shù)指標(biāo)，減小NOx及NH3的過量排放而造成大氣環(huán)境污染。

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