激光抽取式氨逃逸在線監(jiān)測設備在電廠脫硝系統(tǒng)上的應用

郭景晨，嚴海川，韓世亮，王晶冰

(1.內(nèi)蒙古國華準格爾發(fā)電有限責任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000;2.北京華創(chuàng)泰博節(jié)能環(huán)?？萍佳芯吭海本?02206)

氮氧化物(NOx)是燃煤電廠煙氣排放的三大污染物之一，選擇性催化還原法(SCR)是目前應用在燃煤電站鍋爐上相對成熟的一種煙氣脫硝技術，其具有較高的脫硝效率。SCR法是指在催化劑的作用下，還原劑(NH3或尿素等)有選擇性地與煙氣中的NOx反應并生成N2和H2O［1-2］，其主要反應為:

由化學反應式可以得出噴氨量與NOx成正比，NH3量不足會導致脫硝率降低，出口NOx濃度增大。而NH3過量時，雖然脫硝效率、出口NOx濃度等均能滿足要求，但多余的NH3又會帶來一系列的危害。首先，多余的NH3會與煙氣中的SO3反應生成NH4HSO4，NH4HSO4附著于催化劑的表面會阻塞催化劑并影響其活性;而NH4HSO4黏附在空預器蓄熱元件的表面，會使蓄熱元件積灰，造成蓄熱元件的換熱效率下降［3］。其次，過量的NH3會吸附在飛灰上，改變飛灰的化學性質(zhì)［4］，影響除塵器所捕獲的粉煤灰的再利用價值。而且含有NH3的未被除塵器清除的少量的飛灰會進入到FGD系統(tǒng)，對FGD的廢水系統(tǒng)存在一定的影響，導致脫硫廢水量有少量提高［5］。再者，氨泄漏到大氣中又會對大氣造成新的污染，同時它也是影響大氣能見度、區(qū)域空氣質(zhì)量的重要因素。因此，環(huán)保部門在脫硝工程驗收以及脫硝運行監(jiān)管過程中越來越關注氨逃逸的運行數(shù)據(jù)，其歷史曲線也作為脫硝環(huán)保核查的一項重要佐證參數(shù)，安裝氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)并確保其準確、穩(wěn)定的運行顯得尤為重要。

1 現(xiàn)有氨逃逸測量技術

目前，氨逃逸測量技術包括化學發(fā)光分析法、激光測量法，而激光測量法根據(jù)取樣方式又分為激光原位測量法和激光抽取測量法等。本文著重以激光原位法和激光抽取法進行對比分析。

1.1 化學發(fā)光分析法

采用化學發(fā)光法測量NH3通常是將NH3先轉化為NO，NO與O3混合時會生成激發(fā)態(tài)的NO2和O2，激發(fā)態(tài)的NO2在返回基態(tài)時發(fā)出紅外光，這種發(fā)光的強度與NO的濃度成線性比例關系。光電倍增管將會檢測這種發(fā)光，轉而產(chǎn)生成比例的電信號。此電信號將由微處理器處理成NO濃度讀數(shù)，再轉換成NH3的測量值。由于需轉化爐進行轉換，存在轉換效率的問題，難以保證測量的準確性。

1.2 激光測量法

激光測量法多采用TDLAS技術。TDLAS技術本質(zhì)上是一種吸收光譜技術，通過分析激光被氣體的選擇性吸收來獲得氣體的濃度。它與傳統(tǒng)紅外光譜吸收技術的不同之處在于，半導體激光光譜寬度遠小于氣體吸收譜線的展寬。因此，TDLAS技術是一種高分辨率的光譜吸收技術。

激光原位測量法是將發(fā)射端與接收端直接安裝在煙道的一側或兩側對煙氣中的NH3進行測量，無需采樣，也不存在轉換器的轉換效率問題。但若安裝條件比較惡劣，如煙道的振動、膨脹及收縮等，將影響儀器測量時的對光，直接影響測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度。為解決這一問題，提出在脫硝反應器出口煙道處設置小截面煙氣旁路，將激光測量儀器安裝在煙氣旁路上。采用這種測量方式雖可減小煙道振動對測量準確性的影響，但另設旁路煙道需增加投資，且安裝困難，施工周期長。

激光抽取測量法采用抽取采樣方式，將煙氣由煙道中抽取出并經(jīng)除塵、凈化后進入氣體分析室，利用TDLAS技術進行檢測。該裝置可用標準氣檢測標定和調(diào)零，修正輸出曲線，保證檢測的準確性、及時性。它有效地避免了煙道振動、熱膨脹等因素對激光檢測的影響，適用于環(huán)境惡劣、工況復雜的煙氣污染源檢測。

2 激光抽取式氨逃逸在線監(jiān)測設備

激光抽取式氨逃逸在線監(jiān)測設備由探頭、伴熱管線、NH3分析模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等部分組成，測量流程如圖1所示。

圖1 抽取式氨逃逸監(jiān)測儀測量流程圖

在射流泵的作用下，煙氣全程高溫拌熱，經(jīng)采樣探頭初級過濾器過濾，將煙氣中的大量粉塵去除，再經(jīng)二次過濾凈化樣氣，由伴熱管線引入NH3分析模塊(氣體室)中，利用TDLAS技術對氣體進行分析，測得NH3的濃度輸出至DCS系統(tǒng)。氨逃逸在線監(jiān)測設備會定時進入反吹或調(diào)零、標定狀態(tài)，保證監(jiān)測設備運行穩(wěn)定，測量準確。

3 激光抽取式與原位式氨逃逸在線監(jiān)測設備在電廠應用中的對比分析

內(nèi)蒙古國華準格爾電廠裝機容量為4×330 MW。其中，1#機組A、B兩側脫硝反應器上原來使用的氨逃逸監(jiān)測設備為德國某品牌，采用激光原位式測量，以角對穿方式安裝。運行一段時間后，由于受煙道振動、煙氣中粉塵濃度過高等方面的影響，測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變等現(xiàn)象，測量不穩(wěn)定，無法滿足現(xiàn)場使用要求。其后，準格爾電廠在1#機組B側安裝一臺激光抽取式氨逃逸在線監(jiān)測設備，監(jiān)測點在原氨逃逸監(jiān)測設備監(jiān)測點附近，兩臺設備同時使用。抽取式氨逃逸監(jiān)測設備安裝調(diào)試完畢后進行噴氨量調(diào)整試驗，各參數(shù)變化趨勢曲線如圖2所示。

噴氨量調(diào)整試驗從上午9點38分開始至12點38分結束，共3小時，NH3由尿素制備得到。試驗開始之前，1#機組發(fā)電機功率為160～180 MW，噴氨調(diào)門開度為68%，入口NOx濃度為300～440 mg/Nm3，出口NOx為160～240 mg/Nm3，出口NH3值為1.2×10-6～2×10-6。試驗期間1#機組發(fā)電機功率在160～200 MW之間，入口NOx在250～440 mg/Nm3之間。

上午9點50分噴氨量調(diào)整試驗開始，1#機組B側脫硝反應器噴氨調(diào)門開度增大，由68%增大到91%，B側噴氨量增大。此時，出口NH3值曲線有明顯的上升趨勢，出口NOx濃度開始下降，NH3值由1.3×10-6慢慢增大到5.7×10-6，出口 NOx由160 mg/Nm3下降到18 mg/Nm3。隨著反應的逐漸穩(wěn)定，出口NH3值維持在5×10-6～6×10-6之間，出口NOx維持在20～35 mg/Nm3之間。

圖2 噴氨量調(diào)整試驗時各參數(shù)變化趨勢曲線圖

至11點05分，噴氨調(diào)門開度由91%重新調(diào)回到56%，出口NH3值開始慢慢下降，出口NOx濃度上升，逐漸恢復到試驗前狀態(tài)。隨著出口NOx濃度的穩(wěn)定，出口NH3值也逐漸穩(wěn)定。

從11點45分開始，減小噴氨調(diào)門開度，由56%減小到13%，降低 B側噴氨量。此時，出口NH3值曲線變化趨勢開始降低，其值由1.8×10-6降低到0.7×10-6，并穩(wěn)定在0.7×10-6～1×10-6之間。出口NOx濃度曲線變化趨勢則開始升高，其值由150 mg/Nm3上升到400 mg/Nm3，并維持在300～400 mg/Nm3之間。

至12點23分噴氨量調(diào)整試驗結束，噴氨量恢復至試驗之前的值，各參數(shù)值也逐漸恢復至試驗之前的值。

通過噴氨量調(diào)整試驗可看出，當噴氨量發(fā)生變化時，激光抽取式氨逃逸儀在線監(jiān)測設備監(jiān)測得到的出口NH3值也隨之發(fā)生變化，變化趨勢與噴氨量相吻合。

圖3、圖4分別為B側脫硝反應器正常運行情況下兩臺氨逃逸監(jiān)測設備監(jiān)測得到的NH3值變化趨勢曲線圖，反應器入口NOx濃度較穩(wěn)定，噴氨量也無較大的變化。從圖3、圖4中可看出，激光原位式氨逃逸監(jiān)測設備監(jiān)測得到的NH3值有跳變現(xiàn)象出現(xiàn)，測量不穩(wěn)定;而抽取式氨逃逸在線監(jiān)測設備監(jiān)測得到的NH3值比較穩(wěn)定，無數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象，滿足現(xiàn)場脫硝系統(tǒng)運行監(jiān)視的要求。

圖3 B側脫硝反應器出口NH3值變化趨勢曲線圖(原位式)

圖4 B側脫硝反應器出口NH3值變化趨勢曲線圖(抽取式)

4 結論

激光抽取式氨逃逸監(jiān)測設備由于設有煙氣預處理單元及氣體分析室，克服了原位式測量方法中固有的一些問題，例如:

(1)大截面、微濃度煙道檢測失真;

(2)煙道振動、環(huán)境溫度變化，造成煙道應力改變等因素引發(fā)的對光不準;

(3)高粉塵、高水分對激光檢測的影響;

(4)煙氣粉塵和腐蝕性氣體吸附在鏡片表面，造成鏡片結焦、結垢影響激光檢測;

(5)無法進行在線標定;

(6)其他復雜工況的影響。

因此，激光抽取式氨逃逸監(jiān)測設備更適用于工況復雜、環(huán)境惡劣的火電廠脫硝氨逃逸的監(jiān)測。通過現(xiàn)場噴氨量調(diào)整試驗和曲線對比觀察，氨逃逸監(jiān)測值的變化趨勢與噴氨量的變化趨勢吻合，測量數(shù)據(jù)真實可靠，滿足現(xiàn)場脫硝系統(tǒng)運行監(jiān)視的要求。

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