LGA—4500氨在線分析系統(tǒng)在脫硝微量氨檢測中的應(yīng)用

李陽山　趙俊鵬　陳生龍

摘 要：LGA-4500在線分析系統(tǒng)基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，滿足現(xiàn)代選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝中微量氨檢測技術(shù)要求，可提供快速準(zhǔn)確可靠的分析數(shù)據(jù)以確保煙氣安全排放。此系統(tǒng)在錦州熱電的成功應(yīng)用對于我國改進(jìn)煙氣脫硝技術(shù)起到了推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）；選擇性催化還原；脫硝；分析系統(tǒng)

煙氣排放中氮氧化物（NOx）是造成大氣污染的主要物質(zhì)之一，與發(fā)達(dá)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(shù)，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(dá)到最小的氨逃逸率和最大的NOx脫除效率的關(guān)鍵所在。氨在線分析系統(tǒng)對脫硝工藝的正常運(yùn)行和成本控制起關(guān)鍵作用，由于脫硝工藝內(nèi)的溫度、負(fù)壓、粉塵、氨微量等條件限制，對分析系統(tǒng)及儀表的要求比較高。

1 錦州熱電有限公司脫硝技術(shù)參數(shù)和氨檢測系統(tǒng)測量難點(diǎn)

1.1 脫硝技術(shù)參數(shù)

錦州熱電有限公司共安裝了2臺(tái)1025t/h汽包鍋爐，4個(gè)脫硝煙道，采用選擇性催化還原（SCR）工藝，應(yīng)用聚光科技的LGA-4500氨在線分析系統(tǒng)進(jìn)行檢測，每個(gè)煙道脫硝出口安裝1臺(tái)氨逃逸分析系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐煙氣脫硝技術(shù)參數(shù)都符合設(shè)計(jì)值。

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

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O （1）

4NH3+2NO2+O2→7N2+6H2O （2）

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程，NH3/NOx摩爾比應(yīng)該為1，但實(shí)際上都要比1大才能達(dá)到較理想的NOx還原率，已有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(huì)造成新的環(huán)境污染，同時(shí)還增加了脫硝運(yùn)行費(fèi)用。

1.2 氨分析系統(tǒng)測量點(diǎn)的選擇

根據(jù)每臺(tái)鍋爐煙氣脫硝技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)值的設(shè)計(jì)參數(shù)，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(tǒng)及儀表的取樣點(diǎn)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(diǎn)的選擇非常重要，LGA-4500的取樣點(diǎn)選擇在SCR法催化劑出口20米內(nèi)。

1.3 氨分析系統(tǒng)的測量難點(diǎn)

根據(jù)以上鍋爐煙氣技術(shù)參數(shù)，氨逃逸分析系統(tǒng)原設(shè)計(jì)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(shí)間后出現(xiàn)的問題主要有以下幾點(diǎn)：

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(qiáng)損失大：現(xiàn)場工藝管道中粉塵較大，導(dǎo)致儀器光強(qiáng)損失大，有時(shí)傳感器接受不到光譜，沒有測量值。

儀表透過率無法保證：現(xiàn)場溫度和震動(dòng)比較大，機(jī)組運(yùn)行后煙道變形嚴(yán)重，導(dǎo)致激光器接收端無法接收，影響光路參數(shù)正常運(yùn)行，透過率不能滿足儀表運(yùn)行要求。

儀表校準(zhǔn)困難：原位安裝，儀表氣體標(biāo)定比較困難，需要把取樣管撥出對上才能把標(biāo)準(zhǔn)氣體輸入。

基于以上難點(diǎn)，在經(jīng)過多次技術(shù)改進(jìn)無效的情況下更改原設(shè)計(jì)，采用聚光科技LGA-45氨在線分析系統(tǒng)。

2 LGA-4500氨在線分析系統(tǒng)介紹

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

LGA-4500氨在線分析系統(tǒng)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(fā)射模塊和光電傳感模塊）、電控箱、中央單元、上位機(jī)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(diǎn)在催化劑反應(yīng)器之后。

取樣點(diǎn)工況：壓力為負(fù)壓，溫度約為320～400℃，典型運(yùn)行溫度為350℃，根據(jù)脫硝正常工藝要求，測量氨氣濃度在0～5ppm之間。

系統(tǒng)安裝位置：機(jī)柜盡量安裝在測量點(diǎn)附近，采樣探頭箱到機(jī)柜的氣路采用φ8復(fù)合采用加熱管線，要求小于4m，以提高相應(yīng)氣體速度，之溫度控制在180～200℃間，防止樣氣結(jié)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(jù)現(xiàn)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(jù)粉塵的含量，在一定時(shí)間內(nèi)通過電氣控制閥進(jìn)行取樣和過濾器反吹。

2.3 儀表單元

氨分析儀表根據(jù)DLAS技術(shù)開發(fā)出來，DLAS技術(shù)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(shù)。激光束通過長度為L，壓力為P，濃度為X的氣體介質(zhì)，此時(shí)氣體介質(zhì)對激光的吸收滿足Beer-Lambert關(guān)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(qiáng)度。吸收的強(qiáng)度是由譜線強(qiáng)度ST決定的。線性函數(shù)g（v-v0）決定了吸收譜線的形狀，為Voigt函數(shù)。激光強(qiáng)度的衰減與被測氣體含量成定量的關(guān)系，因此，通過測量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度。

半導(dǎo)體激光的光頻率具有可調(diào)諧性，一是改變半導(dǎo)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(diào)諧速度，因此DLAS技術(shù)普遍采用給半導(dǎo)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(shù)據(jù)。

根據(jù)以上工作原理，儀表分析單元具備以下優(yōu)勢：

獨(dú)有的“單線光譜”技術(shù)，能夠具備對水份及背景氣體抗干擾作用；能夠?qū)崟r(shí)刷新數(shù)據(jù)，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(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)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(dá)到0.1ppm。

2.4 系統(tǒng)控制單元

整套系統(tǒng)分為手動(dòng)控制分析和自動(dòng)控制兩種狀態(tài)。

3 LGA-4500氨在線分析系統(tǒng)錦州熱電有限責(zé)任公司應(yīng)用過程

3.1 LGA-4500氨在線分析系統(tǒng)應(yīng)用過程出現(xiàn)問題以及解決方案

由于現(xiàn)場工藝過程與實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境差異，應(yīng)用過程中出現(xiàn)了很多問題，主要有以下幾個(gè)方面：（1）現(xiàn)場工藝過程煙氣較大，過濾器效果不夠理想，導(dǎo)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(jīng)過采樣管路過程中有微量水汽凝結(jié)，吸附樣氣中的氨氣。（3）采樣處于負(fù)壓環(huán)境，采氣量低，測量延遲嚴(yán)重、實(shí)時(shí)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(jié)晶鹽，導(dǎo)致透過率下降，嚴(yán)重影響測量。

針對以上問題，經(jīng)過多次研討、實(shí)驗(yàn)，最終確定了一套較合理的改進(jìn)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(yán)密性的同時(shí)提高過濾器等級，保證進(jìn)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(shí)，提高全過程伴熱的溫度，使樣氣中的水汽不會(huì)凝結(jié)吸附氨氣。（3）提高采樣泵的壓力，并增加壓力監(jiān)視，保證采樣壓力大于工藝管道中的負(fù)壓絕對值。提高了采樣流量，從而提高了儀表實(shí)時(shí)性。（4）對于透鏡處結(jié)晶問題，采取在透鏡前增加一路吹掃氣的方案，實(shí)現(xiàn)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(jìn)后，在線分析系統(tǒng)能夠適應(yīng)現(xiàn)場過程的工況，儀表透過率保持穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)正常。

3.2 LGA-4500氨在線分析系統(tǒng)改進(jìn)后應(yīng)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(tǒng)經(jīng)過測量、記錄的噴氨量與氨逃逸測量值。

根據(jù)表1記錄的數(shù)據(jù)，當(dāng)閥開到43%時(shí)，氨測量值和NOx排放均能滿足要求，通過氨分析系統(tǒng)檢測、出口NOx分析系統(tǒng)、氨閥開度等幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的相互調(diào)節(jié)，能夠給脫硝工藝合理的控制，對于脫硝工藝優(yōu)化和成本控制起到關(guān)鍵作用。

3.3 應(yīng)用總結(jié)

（1） 整個(gè)脫硝工藝的效率和氨逃逸需要與反應(yīng)器入口（出口）NOx含量監(jiān)測系統(tǒng)測量值、氨閥開度、空氣流量參數(shù)配合完成，通過現(xiàn)場測試，氨分析系統(tǒng)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(hù)脫硝設(shè)備等有很大作用。

（2） 系統(tǒng)全程伴熱、分段檢測，使系統(tǒng)溫度達(dá)到可靠的運(yùn)行范圍，從根本上解決系統(tǒng)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(yīng)時(shí)間滿足工藝要求，對工藝改變起到實(shí)時(shí)監(jiān)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(tǒng)抗粉塵，耐高溫，耐腐蝕、高可靠性特性進(jìn)一步提高，能夠滿足脫硝工藝特有的工況。

4 結(jié)束語

錦州熱電有限責(zé)任公司應(yīng)用的LGA-4500氨分析系統(tǒng)屬于非接觸式激光氣體分析系統(tǒng)，其具有可靠性高，維護(hù)方便；測量不受背景氣體的交叉干擾；測量準(zhǔn)確性高；可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地進(jìn)行測量，且響應(yīng)速度快；通過多次改造已經(jīng)適應(yīng)現(xiàn)場工況粉塵大，水汽重的特點(diǎn)。不受粉塵與視窗污染的影響，惡劣工業(yè)環(huán)境下適應(yīng)能力強(qiáng)，所具有的自清潔與自動(dòng)分析控制功能，保證其運(yùn)行穩(wěn)定，延長了維護(hù)周期。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]劉天齊，黃小林，邢連璧.三廢處理工程技術(shù)手冊：廢氣卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1981.

[3]李振中.燃煤電站系統(tǒng)脫硝技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化[J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2006，2：48-52.

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

[5]闞瑞峰，劉文清，張玉鈞，等.可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法監(jiān)測環(huán)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(jì)算方法探討[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2010，3：42-47.