激光微量氨分析系統(tǒng)在脫硝逃逸氨檢測中的應(yīng)用

鄭利武，趙國成，俞大海，任焱，邱夢春，顧海濤

(1.聚光科技(杭州)股份有限公司浙江杭州310052;2.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院浙江杭州310018;3.滄州華潤熱電有限公司河北滄州061000)

激光微量氨分析系統(tǒng)在脫硝逃逸氨檢測中的應(yīng)用

鄭利武1，趙國成3，俞大海1，任焱1，邱夢春1，顧海濤2

(1.聚光科技(杭州)股份有限公司浙江杭州310052;2.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院浙江杭州310018;3.滄州華潤熱電有限公司河北滄州061000)

氮氧化物(NOx)是火電廠排放煙氣中的主要污染物之一。煙氣脫硝是采用氨作為還原劑，對燃燒后煙氣中的NOx進(jìn)行處理，以降低NOx排放量的技術(shù)。通過脫硝后煙氣中逃逸氨氣的濃度來控制脫硝反應(yīng)中氨氣的投放量，保證氮氧化物排放濃度滿足環(huán)保法規(guī)要求?；诳烧{(diào)諧半導(dǎo)體吸收激光光譜技術(shù)，開發(fā)了旁路取樣式激光逃逸氨分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了我國電廠煙氣脫硝微量逃逸氨的在線監(jiān)測?，F(xiàn)場應(yīng)用證明，該系統(tǒng)在我國電廠煙氣脫硝逃逸氨檢測中得以成功應(yīng)用。

煙氣脫硝;逃逸氨分析系統(tǒng);可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光譜技術(shù)

0 引言

我國《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中明確提出推進(jìn)電力行業(yè)脫硫脫硝，要求電力行業(yè)新建燃煤機(jī)組綜合脫硝效率達(dá)到75%以上，煙氣脫硝成為我國火電廠NOx減排的重要手段。煙氣脫硝是指對煤燃燒后的煙氣進(jìn)行處理，以降低煙氣中NOx排放量的技術(shù)。煙氣脫硝的主要反應(yīng)式如下［1］:

為保證較高的脫硝效率，煙氣脫硝工藝中多采用閉環(huán)控制脫硝工藝［2］，利用出口逃逸氨氣的濃度來反饋控制脫硝反應(yīng)中氨氣的投放量，使氮氧化物脫除效率控制在合理水平，并且避免氨氣投放過量。若氨投放過量，逃逸氨會(huì)與煙氣中的SO3、H2O反應(yīng)形成硫酸氫銨［3］，硫酸氫氨具有很強(qiáng)的粘性和強(qiáng)腐蝕性，造成空氣預(yù)熱器堵塞和腐蝕，帶來昂貴的維護(hù)費(fèi)用;另外，硫酸氫銨附著于飛灰上還影響飛灰的質(zhì)量和銷售，造成經(jīng)濟(jì)損失［4］。若氨投放不足，則會(huì)導(dǎo)致NOx排放濃度超標(biāo)。因此，在脫硝反應(yīng)器出口檢測微量逃逸氨濃度被國內(nèi)外認(rèn)為是脫硝系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室微量氨分析方法，由于煙氣中含水量大，煙氣取樣后微量氨氣迅速溶于冷凝出來的液體水中，根本無法測得氨氣含量;紅外分析方法，由于煙氣中水分子的光譜吸收干擾，完全覆蓋了氨氣的吸收信號(hào)，而預(yù)處理除水則會(huì)造成微量氨的損失;化學(xué)熒光法，利用差分的原理來得到微量氨的濃度，煙氣中NOx含量的變化會(huì)影響微量氨的測量濃度，同時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜，耗材昂貴;而基于激光吸收光譜技術(shù)的原位分析方法，由于煙氣中粉塵含量高，激光束無法穩(wěn)定的穿透煙氣，測量準(zhǔn)確度非常低，波動(dòng)大，并且儀器故障率高。

本文在大量實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用的基礎(chǔ)上，介紹了基于激光吸收光譜技術(shù)的旁路取樣式微量氨分析方法。采用全流路高溫伴熱至180℃以上，確保微量氨氣不與SO3等其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而損失，并且用高溫精細(xì)過濾采樣技術(shù)過濾粉塵和大流量引流技術(shù)進(jìn)行不失真取樣，對脫硝微量逃逸氨進(jìn)行穩(wěn)定、可靠地連續(xù)分析。

1 旁路式激光氨氣分析系統(tǒng)介紹

聚光科技LGA系列氨在線分析系統(tǒng)是基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)開發(fā)的旁路取樣式激光氨氣分析系統(tǒng)，由采樣預(yù)處理系統(tǒng)和激光分析儀表組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意

1.1 預(yù)處理系統(tǒng)

取樣系統(tǒng)主要包含煙氣精細(xì)過濾、探頭反吹控制、高溫伴熱和大流路取樣等功能模塊。其中，煙氣精細(xì)過濾采用一體化燒結(jié)過濾器技術(shù)，可以在高粉塵和大水分的惡劣工況條件長期工作;探頭反吹采用內(nèi)外雙重反吹技術(shù)，通過定期反吹可以將濾芯表面的粉塵清除，保持過濾系統(tǒng)長期有效;整個(gè)取樣系統(tǒng)采用電加熱器全流路加熱技術(shù)，使全部樣氣管路的溫度保持在180℃以上;煙氣采用采用高溫大流量射流采樣技術(shù)，樣氣的流量可達(dá)20L/min以上，同時(shí)射流泵自身溫度保持在160℃以上，避免射流泵自身堵塞失效。

1.2 激光氣體分析儀原理

樣氣分析系統(tǒng)基于TDLAS氣體分析技術(shù)開發(fā)而成，包括儀表發(fā)射單元、儀表接收單元和測量室。TDLAS氣體分析技術(shù)采用半導(dǎo)體激光光源，其光譜寬度遠(yuǎn)小于氣體吸收譜線的展寬。因此，TDLAS技術(shù)具有非常高的光譜分辨率，利用不同頻率的激光能量被氣體選擇性吸收形成吸收光譜的原理來測量氣體濃度。激光束通過長L度為的氣體室中壓力為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［5］:

式中:Iv，0和Iv分別為頻率為v的入射激光和透射激光強(qiáng)度;S(T)為譜線強(qiáng)度;g(v－v0)為線形函數(shù)，表征吸收譜線的形狀，取決于氣體溫度和壓力等。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。

利用半導(dǎo)體的光頻率的可調(diào)諧性，給半導(dǎo)體激光器注入高頻正弦波電流，調(diào)制后激光頻率為［6］:

式(5)對正弦波調(diào)制后的氣體透過率作諧波分解，各諧波分量均反映了氣體吸收譜線的透過率信息。由于諧波信號(hào)幅度隨著諧波次數(shù)的增加而減少(圖1)，一般使用一次或二次諧波信號(hào)來測量氣體的透過率。另外，由于二次諧波上的直流偏置比一次諧波小很多，且二次諧波信號(hào)的峰值與吸收譜線中心重合，DLAS儀器普遍通過測量二次諧波信號(hào)來檢測氣體濃度:

其中式(7)在小吸收情況下成立。對于某特定氣體吸收譜線在特定環(huán)境條件(溫度、壓力和氣體組成)和激光頻率調(diào)制幅度a下，式(7)中積分項(xiàng)只是激光頻率的函數(shù)，如圖2中二次諧波波形所示。

從式(6)可得氣體濃度X:

從上式可知，只需測得上述二次諧波信號(hào)與光強(qiáng)直流分量I0就可以分析獲得氣體的濃度，其中式(8)中比例系數(shù)K由通入已知濃度的氣體進(jìn)行標(biāo)定獲得。

圖2 高分辨率氣體“單線吸收光譜”信號(hào)波形示意

1.3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，系統(tǒng)在NH3分析單元具備以下優(yōu)勢:獨(dú)有的“單線光譜”技術(shù)，能夠具備對水分及背景氣體抗干擾作用，TDLAS單光譜測氨光譜示意圖如圖3所示;測量值不受粉塵與視窗污染的影響，能夠在線連續(xù)檢測;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2m以上，提高光譜吸收能力，氣體測量精度;全程高溫伴熱，不除水，微量氨無損檢測，測量結(jié)果真實(shí)。

圖3TDLAS單光譜測氨光譜示意

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 性能測試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對激光微量氨分析系統(tǒng)的主要計(jì)量性能進(jìn)行了測試。測試數(shù)據(jù)顯示儀表具有很好的線性度和較低的探測下限(見圖4)。

圖4 儀表線性測試結(jié)果

從測試數(shù)據(jù)可知，分析系統(tǒng)量程為3.5×10－5，按照計(jì)量儀表檢定規(guī)程，分別配置滿量程氣體濃度的100%、80%、50%、20%、0%的五種濃度的NH3通入系統(tǒng)進(jìn)行測量，測試結(jié)果表明系統(tǒng)的最大線性偏差為0.26×10－6。

通常定義測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差為儀表探測下限，計(jì)算該儀表的探測下限為0.0196×10－6。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

基于激光氣體吸收光譜技術(shù)而研制的取樣式激光微量氨分析系統(tǒng)在我國電廠煙氣脫硝設(shè)備微量氨的檢測中應(yīng)用效果良好。2011年在我國北方某燃煤電廠2×660MW機(jī)組脫硝設(shè)備中安裝投運(yùn)微量氨分析系統(tǒng)，運(yùn)行至今，性能穩(wěn)定，可靠性好。

3 結(jié)語

旁路取樣式激光氨氣分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)我國電廠煙氣脫硝微量逃逸氨的在線監(jiān)測。系統(tǒng)所采用的全程高溫伴熱技術(shù)、氨分析儀無背景干擾激光微量氨分析技術(shù)、大流量取樣技術(shù)、探頭精密過濾及周期性內(nèi)外自動(dòng)反吹技術(shù)等，使得該系統(tǒng)具有測量精度高、樣氣無失真、維護(hù)量小的特點(diǎn)。其運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性好，響應(yīng)速度快，可實(shí)時(shí)連續(xù)反映脫硝工藝中逃逸氨濃度，滿足了我國電廠煙氣脫硝設(shè)備中對微量氨在線分析的迫切需要，對脫硝工藝參數(shù)調(diào)節(jié)和工藝控制起到了關(guān)鍵作用。

［1］Guo L F，Shu Y J，Gao J M.Present and future development of flue gas control technology of deNOxin the world［J］.Energy Procedia，2012，17(part A):397－403.

［2］Wang D Y，Yao S，Shost M，et al.Ammonia sensor for closed－loop SCR control［J］.SAE technical paper series，2009，1(1):323－333，

［3］Wilburn R T，.Wright T L.SCR ammonia slip distribution in coal plant effluents and dependence upon SO3［J］.Power Plant Chemistry，2004，(6)5:95－304.

［4］甄楊.基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的氨逃逸檢測系統(tǒng)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2011.

［5］Allen M G.Diode laser absorption sensors for gas－dynamic and combustion flows［J］.Measurement Science and Technology，1998，9(4):545－562.

［6］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):1123－1127.

Application of laser trace NH3analysis system in de－NOxslip NH3detection

Nitrogen oxides(NOx)is one of the main pollutants in the flue gas emissions from thermal power plants.Flue gas de－NOxtechnology usually uses ammonia(NH3)introduced to and mixed with the flue gases in the hot combustion zone where the reduction of NOxtakes place.Ammonia slip is measured after the De－NOxprocess to control the amount of NH3injected so that enough NH3is present to react with NOxto minimize the NOxemissions to meet environmental regulations.Extractive slip NH3analysis system based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)has been developed to realize the real－time and dynamic measurement of slip NH3in flue gas de－NOxprocess for coal－fired power plant of our country.Extractive slip NH3analysis system has been successfully applied in slip NH3detection in power plant of our country.

flue gas de－NOx;slip NH3analysis system;TDLAS

X701.7

B

1674－8069(2015)05－060－03

2015-03-22;

:2015-05-26

鄭利武(1983-)，男，浙江杭州人，工程師，從事過程分析儀器開發(fā)與應(yīng)用研究。E－mail:liwu_zheng@fpi－inc.com