氨逃逸現(xiàn)場移動測試技術(shù)研究及問題分析

程金武

（大唐華中電力試驗(yàn)研究所，鄭州 450000）

氨逃逸現(xiàn)場移動測試技術(shù)研究及問題分析

程金武

（大唐華中電力試驗(yàn)研究所，鄭州 450000）

燃煤機(jī)組超凈排放改造后，脫硝系統(tǒng)噴氨量整體增加，區(qū)域氨逃逸質(zhì)量濃度增大。為進(jìn)行基于氨逃逸濃度場的噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，需分區(qū)域?qū)崟r測試氨逃逸質(zhì)量濃度。結(jié)合大量測試經(jīng)驗(yàn)，對M－NH3便攜式氨逃逸分析儀現(xiàn)場測試中出現(xiàn)的光路校正、光譜信號強(qiáng)度弱、過濾器堵塞、靜電干擾、硫酸銨鹽沉積、反射探桿及光學(xué)元件污染等問題進(jìn)行了分析，總結(jié)了儀器維護(hù)措施，為提高氨逃逸測試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

脫硝系統(tǒng)；氨逃逸；便攜式分析儀；光譜信號；反射探桿

0 引言

目前，燃煤機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)普遍采用選擇性催化還原（SCR）法，SCR系統(tǒng)在反應(yīng)過程中不可避免地會出現(xiàn)氨逃逸現(xiàn)象。當(dāng)氨逃逸質(zhì)量濃度較高時，會與煙氣中SO3反應(yīng)生成（NH4）2SO4和NH4HSO4等酸性物質(zhì)堵塞空氣預(yù)熱器，造成爐膛負(fù)壓波動、煙風(fēng)系統(tǒng)阻力增大、負(fù)荷受限等一系列問題［1－2］。

為解決以上問題，保障脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，發(fā)電企業(yè)通常采取噴氨優(yōu)化試驗(yàn)，對SCR反應(yīng)器出口氨逃逸濃度場進(jìn)行分區(qū)優(yōu)化調(diào)整［3－4］，以提高噴氨系統(tǒng)氨氮摩爾比的均勻性，減少氨逃逸質(zhì)量濃度。目前，測量SCR系統(tǒng)出口氨逃逸的方法主要有便攜式在線儀器分析法和化學(xué)取樣法［5］，化學(xué)取樣法在優(yōu)化調(diào)整時無法做到實(shí)時測量、實(shí)時調(diào)整，而便攜式氨氣體分析儀得到了越來越多的應(yīng)用，已經(jīng)成為噴氨優(yōu)化調(diào)整工作中氨逃逸的主要測量方式。

1 便攜式氨逃逸測量技術(shù)

目前，主流便攜式氨逃逸測量技術(shù)分為激光原位測量法和激光抽取測量法兩種［6］。兩者均以可調(diào)式二極管激光吸收光譜（TDLAS）［7］技術(shù)為基礎(chǔ)，不同的是激光抽取法通過高溫伴熱管線將煙氣抽入外置的高溫檢測池中，結(jié)合多光程反射，實(shí)現(xiàn)對氨逃逸質(zhì)量濃度的測量。該類儀器以某公司的LDAS－3000型直接抽取式氨逃逸分析儀為代表，特點(diǎn)是探槍較輕便，取樣管采用全程高溫伴熱，儀器使用前無需校光，解決了易受水汽、液滴、煙道振動等因素干擾的問題，但取樣管路容易產(chǎn)生硫酸氫銨沉積，主機(jī)質(zhì)量較大，使用前需進(jìn)行預(yù)熱。

激光原位法的測量腔室布置在探桿內(nèi)部，測試時將探桿插入煙道，利用煙道高溫?zé)煔饧訜崽綐屩?00℃以上，連接在探桿末端的抽氣泵將煙氣抽入探槍內(nèi)部，通過激光單次反射測量氨逃逸質(zhì)量濃度［8］。該類儀器以某公司的M－NH3型便攜式氨逃逸分析儀為代表，特點(diǎn)是光學(xué)元件與探桿一體化設(shè)計，探桿體積較大，使用前需要進(jìn)行光路校準(zhǔn)工作，但主機(jī)較為輕便，儀器整體便于維護(hù)，使用前無需預(yù)熱。

本文對加拿大Unisearch公司生產(chǎn)的M－NH3便攜式氨氣體分析儀的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，結(jié)合大量的使用經(jīng)驗(yàn)，對儀器在現(xiàn)場測試中出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行分析。

2 M－HN3便攜式氨逃逸分析儀簡介

M－HN3便攜式氨氣體分析儀是一款TDLAS氣體分析儀，采用原位法激光測量技術(shù)。整套儀器包含便攜式反射探桿、氣體采樣泵、同軸信號線纜、光纖信號線以及分析儀主機(jī)，如圖1所示。其中反射式探桿采取全密封設(shè)計，前端內(nèi)置有高精度不銹鋼過濾器，可以有效過濾煙氣中的灰塵，可根據(jù)測量需求增加延長桿。使用中將反射式探桿插入煙道內(nèi)部，抽氣泵將氣體抽入反射式探桿中，利用高溫?zé)煔饧訜?，保證探桿中樣氣溫度維持在300℃以上。

分析儀主機(jī)使用波長約為1500 nm的近紅外二極管激光器為光源，工作時將采集的校準(zhǔn)池光譜作為基準(zhǔn)光譜，計算校準(zhǔn)池實(shí)時測量光譜與基準(zhǔn)光譜的偏差并反饋到控制中心，通過調(diào)節(jié)激光器的溫度以及注入電流來鎖定激光束的波長［2－3］。如圖2所示，激光束通過光纖傳輸?shù)綑z測光學(xué)端，穿過反射探桿中的被檢測氣體后，被棱鏡反射回軸拋物面并聚焦到光電信號檢測器，后者將吸收光譜信號通過同軸電纜傳回分析儀，分析儀通過分析計算吸收光譜得到檢測氣體的質(zhì)量濃度，分析儀內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)氨氣參比模塊，實(shí)時鎖住氨氣吸收譜線，系統(tǒng)處于實(shí)時校正狀態(tài)，試驗(yàn)前無需標(biāo)定。

圖1 分析儀測量示意

圖2 光學(xué)系統(tǒng)原理

3 現(xiàn)場測試常見問題

3.1 光路校正問題

M－NH3便攜式氨氣體分析儀使用中經(jīng)常需要對反射探桿光路進(jìn)行校準(zhǔn)，光路的校準(zhǔn)水平直接關(guān)系到分析儀能否長時間穩(wěn)定工作。校準(zhǔn)時通過圖3中兩個光路調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行X，Y方向的調(diào)試。關(guān)于光路校正，需要注意以下兩個方面。

圖3 光路校正平臺

（1）儀器在冷態(tài)情況下需進(jìn)行初始校準(zhǔn)。首先將紅色可見光源激光發(fā)射器接入光纖中，使紅色反射光投射至軸拋物面反射鏡上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)，一般選擇拋物面的上半部分最佳；然后接入分析儀正式光源，由于分析儀發(fā)出的光源為不可見近紅外光，與可見紅光源有一定差異，需要進(jìn)一步調(diào)整X方向或Y方向旋鈕，使檢測器在校準(zhǔn)可調(diào)節(jié)范圍有最大電流輸出，最大輸出電流正常范圍為0.5～2.0 mA。

（2）正式開始測量時，由于煙氣溫度高達(dá)300℃以上，反射探槍在煙道內(nèi)存在熱變形量，需再次調(diào)整X，Y方向旋鈕，保持檢測器有一個較高的穩(wěn)定電流輸出值。應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)煙道法蘭測孔水平安裝時，槍體由于自重的影響在Y方向上變形量較大，調(diào)校時電流波動范圍較大，給調(diào)整帶來很大難度，因此調(diào)整前需對反射探桿進(jìn)行固定，以保證測量順利進(jìn)行。

3.2 過濾器堵塞

反射探桿的前置過濾器采用過玻璃纖維濾筒、碳化硅陶瓷濾芯和不銹鋼燒結(jié)濾芯3種材質(zhì)，現(xiàn)在根據(jù)使用過程中出現(xiàn)的問題對這3種材質(zhì)過濾器進(jìn)行比較分析。

玻璃纖維濾筒主要成分是特種超細(xì)玻璃棉，是煙塵的高效捕集過濾裝置，由于高溫下玻璃纖維韌性差、易破損，需要頻繁更換，而在300℃高溫下更換濾筒較為繁瑣，對試驗(yàn)進(jìn)度影響較大，特別是濾筒在試驗(yàn)過程中意外破損時，煙塵進(jìn)入探槍內(nèi)部，導(dǎo)致光路信號強(qiáng)度減弱，使得試驗(yàn)無法順利進(jìn)行。由于以上弊端，目前玻璃纖維濾筒已不再作為過濾器使用。

碳化硅陶瓷濾芯作為玻璃纖維濾筒的替代品，使用中性能較為穩(wěn)定，但在測量過程中需要定期進(jìn)行反吹清灰。由于碳化硅陶瓷導(dǎo)熱性能較差［9］，當(dāng)使用冷源空氣吹掃后，再次抽取煙氣進(jìn)行測試時，碳化硅陶瓷濾芯溫升較慢，會導(dǎo)致煙氣中的硫酸氫銨在濾芯中沉積［10］，使得過濾器使用一段時間后出現(xiàn)堵塞，影響儀器正常使用。而碳化硅陶瓷本身強(qiáng)度較差，在搬運(yùn)過程中容易出現(xiàn)碰撞破損，目前已逐漸被導(dǎo)熱性能好、耐高溫、強(qiáng)度高的不銹鋼燒結(jié)濾芯所替代。

3.3 反射棱鏡的污染與腐蝕

反射棱鏡安裝于探桿端部、過濾器尾部，使用一段時間后灰塵以及鐵銹等雜質(zhì)會附著在棱鏡表面，造成鏡面污染。此外，每次測試結(jié)束后，反射探桿需繼續(xù)進(jìn)行一段時間的反吹，將探桿內(nèi)部的殘余煙氣清掃掉，防止煙氣中腐蝕性氣體在棱鏡表面凝結(jié)而腐蝕反射面，減弱光譜信號強(qiáng)度。

3.4 光學(xué)隔離窗口污染

光學(xué)隔離窗口安裝于反射探桿出氣端，用于隔離煙氣、投射光信號。使用中由于煙氣中的水汽冷凝會導(dǎo)致窗口污染，在光學(xué)窗口內(nèi)部埋設(shè)電加熱圈加熱鏡片，避免水汽凝結(jié)，需外接24 V電源對電加熱圈供電。需要注意的是，由于電加熱圈導(dǎo)線較細(xì)，頻繁使用后可能會出現(xiàn)電源接觸不良的情況，當(dāng)儀器使用過程中反射光譜信號逐漸降為零時，應(yīng)檢查電加熱圈是否工作正常。

現(xiàn)場測試時，窗口鏡片表面灰塵污染會影響光信號強(qiáng)度，先用干凈的軟布進(jìn)行清理，然后用另一塊干凈的軟布蘸取適量異丙醇擦拭鏡面，擦拭時應(yīng)特別小心，防止鏡片被擦花而導(dǎo)致反射信號減弱。

3.5 煙道內(nèi)靜電干擾

當(dāng)煙道內(nèi)煙氣靜電較大時，會對分析儀主機(jī)產(chǎn)生靜電干擾，導(dǎo)致測量值異常波動，因此，在氨逃逸測試過程中，要注意反射探桿的接地措施，當(dāng)測試法蘭孔打開后需要把密封膠或密封墊片清除掉，使反射探桿和法蘭孔有效接觸，靜電直接通過金屬法蘭傳導(dǎo)出去，起到接地作用。

當(dāng)法蘭孔徑較大，需要用堵布對探桿和孔內(nèi)壁間的縫隙進(jìn)行填充時，應(yīng)注意使用專用接地線接地，否則探桿與堵布摩擦產(chǎn)生的靜電會對儀器主機(jī)產(chǎn)生更大的危害，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致電路元件損壞［11］。

3.6 主機(jī)高溫過熱

主機(jī)外殼采用密閉結(jié)構(gòu)，以防止外部灰塵進(jìn)入儀器內(nèi)部。正常工作狀態(tài)下，通過改變激光器的溫度和注入電流來鎖定激光束的波長，主機(jī)內(nèi)部電器元件散熱量較小，激光器溫度能保持穩(wěn)定，但在夏季，脫硝煙道附近溫度較高時，主機(jī)工作狀態(tài)下散熱不良，會導(dǎo)致內(nèi)部激光器達(dá)到高溫報警值，儀器會自動停止工作。測試中應(yīng)注意主機(jī)散熱問題，避免直接放置在煙道保溫上或有陽光暴曬的區(qū)域，使用中注意觀察激光器溫度曲線，當(dāng)溫度曲線大幅升高時應(yīng)停止使用，將主機(jī)放置于通風(fēng)陰涼處進(jìn)行冷卻。

3.7 采樣泵流量低

儀器配置的采樣泵流量出力為5 L/min，真空度為75 kPa，泵體密封性能較強(qiáng)。試驗(yàn)過程中采樣泵內(nèi)部會有硫酸銨鹽沉積，逐漸堵塞泵體，導(dǎo)致抽氣量明顯降低，影響試驗(yàn)測試速度。試驗(yàn)過程中若發(fā)現(xiàn)分析儀氨逃逸值變化明顯較慢，可將采樣泵直接抽水進(jìn)行內(nèi)部沖洗，沖洗后采樣泵可立即恢復(fù)正常抽力。

4 氨逃逸分析儀的維護(hù)注意事項(xiàng)

4.1 定期反吹反射探桿

儀器使用過程中，要定期對反射探桿進(jìn)行反吹清掃，操作時將抽氣采樣泵管路抽氣口與排氣口反接，將空氣通入槍室內(nèi)，清除槍體內(nèi)的殘余煙氣并對過濾器進(jìn)行反吹清灰。

在進(jìn)行噴氨優(yōu)化試驗(yàn)時，煙道內(nèi)不同區(qū)域氨逃逸質(zhì)量濃度差別較大，特別是當(dāng)測量完某一個氨逃逸質(zhì)量濃度較高區(qū)域后，在切換到下一個區(qū)域前需要進(jìn)行反吹，直到氨逃逸質(zhì)量濃度降至儀器檢出下限（0.38 mg/m3）以下，起到儀器歸零的作用。實(shí)際操作中由于反吹清零過程較為緩慢，需要根據(jù)負(fù)荷工況時間計劃以及實(shí)際煙道氨逃逸質(zhì)量濃度水平，適當(dāng)調(diào)整歸零的下限值，以保證試驗(yàn)進(jìn)度。

4.2 定期清理反射探桿

當(dāng)測試煙道內(nèi)氨逃逸質(zhì)量濃度較高時，硫酸銨鹽容易在反射探桿內(nèi)部沉積。若探桿內(nèi)部有硫酸銨鹽沉積，再次插入煙道進(jìn)行測試時，硫酸銨鹽受熱會分解生成氣態(tài)NH3［12－13］，導(dǎo)致測量結(jié)果異常偏高，影響測量值的準(zhǔn)確性。

此外，測試中還應(yīng)注意酸性腐蝕氣體對槍體內(nèi)部的腐蝕。由于SO3在高溫環(huán)境（315～370℃）下呈氣態(tài)強(qiáng)酸性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)活潑、吸附性強(qiáng)，極易被槍體壁面吸附［14］，當(dāng)測試現(xiàn)場燃煤硫分較高時，煙氣中的SO3體積濃度也相應(yīng)較高，槍體雖然采用316SS耐腐蝕材質(zhì)，但在強(qiáng)腐蝕性氣氛下槍體內(nèi)仍會產(chǎn)生一定腐蝕，如圖4所示。

圖4 槍體內(nèi)腐蝕情況

日常維護(hù)中應(yīng)定期對探桿內(nèi)部進(jìn)行清理，清理時將探槍兩段進(jìn)行拆卸解體，用細(xì)鐵刷等清理硫酸氫銨或鐵銹等雜質(zhì)，必要時可用熱水沖洗探桿內(nèi)部，沖洗后用稀鹽酸進(jìn)行擦拭，用干凈抹布擦干后回裝探桿拆卸部件，最后調(diào)光合格備用。

4.3 光學(xué)元件清理

（1）棱鏡清理。儀器每使用3～5個現(xiàn)場后，需要對棱鏡進(jìn)行拆卸清理，保持棱鏡表面清潔，有利于熱態(tài)時保證反射光譜信號強(qiáng)度。應(yīng)注意的是，在拆卸回裝過程中，石墨密封圈要進(jìn)行更換，否則法蘭縫隙處密封不好，煙氣中的飛灰會未經(jīng)過濾直接進(jìn)入槍體內(nèi)，會在5～10 min內(nèi)在棱鏡表面附著，導(dǎo)致反射信號丟失。

（2）光纖接口清理。當(dāng)用可見紅光源完成對光后，若儀器在使用中出現(xiàn)反射光信號強(qiáng)度突然減弱，特別是在按壓光纖接口，反射光信號強(qiáng)度又會突然增強(qiáng)時，很有可能是因?yàn)楣饫w接口被灰塵污染，光信號接觸不良。因此，在儀器平常使用中，對光纖頭及主機(jī)接口處要注意擦拭和維護(hù)，在儀器整理時需扣上光纖頭保護(hù)帽，避免污染。

5 結(jié)束語

超凈排放改造后脫硝系統(tǒng)的噴氨量會整體增加，由于氨氮摩爾比分布不均勻，脫硝出口區(qū)域氨逃逸質(zhì)量濃度偏差會進(jìn)一步增大，實(shí)時、準(zhǔn)確地測量氨逃逸質(zhì)量濃度，是脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整的工作中重要的一環(huán)。本文對M－NH3便攜式氨逃逸分析儀在現(xiàn)場試驗(yàn)中出現(xiàn)的各類問題進(jìn)行分析，總結(jié)了相應(yīng)的儀器維護(hù)措施。熟悉氨逃逸分析儀的工作原理及結(jié)構(gòu)，掌握儀器各項(xiàng)操作細(xì)節(jié)，不僅能快速、準(zhǔn)確完成氨逃逸的測試，同時也大大降低了試驗(yàn)人員的工作量和勞動強(qiáng)度，使得噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)的工作效率有了很大的提升。

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（本文責(zé)編：劉芳）

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1674－1951（2016）10－0033－04

程金武（1985—），男，河南洛陽人，工程師，工學(xué)碩士，從事燃煤電廠鍋爐及脫硝系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)研究（E-mail：cjw_ hnepri＠163.com）。

2016－08－18；

2016－09－09