原位取樣式氨逃逸率在線監(jiān)測(cè)儀表在燃煤電廠的應(yīng)用

史玉偉 ，劉 柱

(1. 通遼發(fā)電總廠，內(nèi)蒙古 通遼 028011； 2. 通遼盛發(fā)熱電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

原位取樣式氨逃逸率在線監(jiān)測(cè)儀表在燃煤電廠的應(yīng)用

史玉偉1，劉 柱2

(1. 通遼發(fā)電總廠，內(nèi)蒙古 通遼 028011； 2. 通遼盛發(fā)熱電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

目前電廠脫硝后氨逃逸率監(jiān)測(cè)一般采用抽取式或原位對(duì)穿式測(cè)量?jī)x表，由于國(guó)內(nèi)燃煤電廠粉塵含量高及氨氣易吸附、易反應(yīng)等原因，這2種測(cè)量方式在實(shí)際應(yīng)用中均存在一些問(wèn)題。對(duì)此在提出氨逃逸測(cè)量必要性及測(cè)量難點(diǎn)基礎(chǔ)上，介紹了北京新葉能源科技有限公司NLAM1512原位取樣式氨逃逸率在線監(jiān)測(cè)儀表及其在通遼電廠的應(yīng)用情況，結(jié)果表明，該儀表可準(zhǔn)確測(cè)量脫硝后氨逃逸率，為確定脫硝中噴氨量提供依據(jù)，為確定脫硝優(yōu)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

氨逃逸；TDLAS；NLAM1512；原位取樣

1 氨逃逸測(cè)量的必要性

隨著火電行業(yè)的迅猛發(fā)展，氮氧化物的排放對(duì)環(huán)境造成了較大破壞，也被世界各國(guó)公認(rèn)為主要大氣污染物之一。近幾年來(lái)，脫硝技術(shù)在火力發(fā)電廠中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在脫硝過(guò)程中，由于氨氮摩爾比、氨氮分布不均勻、煙氣溫度、催化劑中毒、堵塞等因素都會(huì)導(dǎo)致氨逃逸率過(guò)大。尤其隨著時(shí)間的推移，脫硝系統(tǒng)故障(如催化劑老化、中毒、噴氨管道堵塞等)會(huì)越來(lái)越多地出現(xiàn)。此外，目前火力發(fā)電廠煤質(zhì)和負(fù)荷多變不僅僅導(dǎo)致煙氣中氮氧化物濃度波動(dòng)劇烈，而且也使得脫硝系統(tǒng)大部分時(shí)間背離最佳工況，同時(shí)由于目前氮氧化物濃度測(cè)量、噴氨都有較大的滯后性，這也使得脫硝過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)氨逃逸率較大的情況。逃逸的氨氣不僅會(huì)吸附到飛灰中或直接逃逸到大氣中造成環(huán)境污染，而且會(huì)與煙氣中三氧化硫和水反應(yīng)生成具有高粘性和腐蝕性的硫酸氫銨，在上游粘結(jié)在催化劑表面影響脫硝系統(tǒng)的脫硝效率，在下游引起空氣預(yù)熱器腐蝕和堵塞，進(jìn)而引起排煙溫度升高，增大引風(fēng)機(jī)出力甚至引起不必要的停機(jī)。因此，如果能對(duì)脫硝出口氨逃逸率進(jìn)行在線精確測(cè)量，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，同時(shí)還可以為脫硝系統(tǒng)噴氨量提供反饋，在保證脫硝效率、氮氧化物排放的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精細(xì)噴氨，提高機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-4]。

2 氨逃逸測(cè)量難點(diǎn)及目前儀表存在的問(wèn)題

由于測(cè)量環(huán)境和氨逃逸本身的物理化學(xué)特性，使得脫硝后氨逃逸監(jiān)測(cè)存在以下難點(diǎn)[5-6]。

a.脫硝出口氨逃逸濃度極低，一般只有幾μL/L左右，只有在逃逸濃度極大的工況下才會(huì)達(dá)到10 μL/L量級(jí)，這也對(duì)氨逃逸率的測(cè)量精度提出了極高的要求，一般要求小于0.5 μL/L甚至更低。因此，用于測(cè)量氮氧化物、二氧化硫等污染性氣體的非分散紅外、紫外差分、電化學(xué)等技術(shù)均不再適用。

b.氨氣極易溶于水，而且吸附性極強(qiáng)，目前CEMS所采用的抽取測(cè)量方式不再適用。另外，在抽取煙氣過(guò)程中，氨氣不僅會(huì)吸附在管壁上，而且當(dāng)抽取溫度(伴熱管線、測(cè)量腔體等所有煙氣流經(jīng)的路徑)低于300 ℃時(shí)，煙氣中的氨氣還會(huì)與三氧化硫和水反應(yīng)生成具有高粘性和腐蝕性的硫酸氫銨，因此傳統(tǒng)抽取式測(cè)量的氨逃逸濃度會(huì)嚴(yán)重偏離真實(shí)值。

c.在脫硝出口，煙氣中粉塵含量很高，一般達(dá)到幾十g/m3，當(dāng)采用激光等光學(xué)方法測(cè)量時(shí)，激光只能透過(guò)1～2 m的距離，而煙道寬度一般在3 m以上。與此同時(shí)，負(fù)荷變化以及機(jī)組啟停時(shí)往往使得激光發(fā)射單元和接收單元不能對(duì)準(zhǔn)。因此，激光原位對(duì)穿方式測(cè)量也不適用于氨逃逸率監(jiān)測(cè)。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的氨逃逸率儀表主要分為原位對(duì)穿式、抽取式和滲透管3種方式，但是由于氨氣濃度極低、氨氣性質(zhì)獨(dú)特以及測(cè)量工況惡劣等問(wèn)題，3種儀表在使用過(guò)程中都存在諸多問(wèn)題。原位對(duì)穿式由于國(guó)內(nèi)電廠煙氣中粉塵含量極高，達(dá)到50 g/m3，使得激光無(wú)法對(duì)穿煙道，經(jīng)常無(wú)法接收激光信號(hào)，為此某公司采用斜對(duì)角安裝方式，這種安裝方式由于安裝位置的問(wèn)題，角落處極有可能形成煙氣死區(qū)，測(cè)量代表性差。另外，原位安裝儀表由于是開放式測(cè)量環(huán)境往往無(wú)法進(jìn)行標(biāo)定。滲透管式濾除了煙氣中的粉塵，激光透過(guò)率得到保證，然而由于采用滲透方式，存在氣體更新速度慢、滲透孔堵灰等問(wèn)題，而且在使用過(guò)程中難以消除本底信號(hào)的影響。傳統(tǒng)抽取式采樣探頭安裝在煙道內(nèi)，測(cè)量腔安裝在煙道外，對(duì)采樣管路進(jìn)行伴熱(150～220 ℃)，然而當(dāng)溫度低于300 ℃時(shí)，煙氣中氨氣和三氧化硫開始反應(yīng)生產(chǎn)硫酸氫銨，與此同時(shí)，氨氣極易吸附，易溶于水，即便在高溫下仍然存在吸附現(xiàn)象，因此在取樣過(guò)程中煙氣中氨氣濃度已經(jīng)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真。據(jù)調(diào)研電廠工作人員反映，目前市場(chǎng)上氨逃逸率監(jiān)測(cè)儀表基本上都不能準(zhǔn)確測(cè)量脫硝出口氨逃逸率，甚至連氨逃逸濃度變化趨勢(shì)也無(wú)法響應(yīng)，部分儀表安裝后基本處于癱瘓狀態(tài)。

3 原位取樣式測(cè)量方案

考慮到原位對(duì)穿式和傳統(tǒng)取樣式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在5號(hào)爐安裝了北京新葉能源科技有限公司的NLAM1512原位取樣式氨逃逸率在線監(jiān)測(cè)儀表，其測(cè)量方案如圖1所示。測(cè)量探頭安裝在煙道內(nèi)，儀表主要包括分析儀、激光發(fā)射接收單元、測(cè)量探頭和抽氣裝置。激光控制模塊控制激光器發(fā)射出相應(yīng)波長(zhǎng)的激光，經(jīng)過(guò)光纖分束器后一束激光進(jìn)入?yún)⒈葐卧?，另一束激光進(jìn)入測(cè)量探桿，經(jīng)過(guò)氨氣吸收后到達(dá)回射器，被反射后再次被氨氣吸收，由光電探測(cè)器接收并傳輸至數(shù)據(jù)采集處理模塊，數(shù)據(jù)采集處理模塊根據(jù)采集到的參比池信號(hào)和測(cè)量腔信號(hào)分別進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定及煙氣中氨氣濃度測(cè)量。

圖1 NLAM1512氨逃逸率在線監(jiān)測(cè)儀表結(jié)構(gòu)

由圖1可知，與原位對(duì)穿式和傳統(tǒng)抽取式測(cè)量方法相比，原位取樣式測(cè)量方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

a.結(jié)合了原位測(cè)量和取樣測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，既保證了測(cè)量溫度與煙道中煙氣溫度一致(不會(huì)因?yàn)闇囟茸兓瘜?dǎo)致煙氣組分改變)，還可以對(duì)煙氣中粉塵進(jìn)行過(guò)濾，可提高激光透過(guò)率、信噪比和測(cè)量精度。

b.取樣流程極短。傳統(tǒng)抽取式取樣管線一般在幾m左右，而原位取樣式測(cè)量可以極大地縮短取樣管線，煙氣進(jìn)入測(cè)量腔體前流經(jīng)管道路徑可控制在幾cm以內(nèi)，同時(shí)還采用特殊材料內(nèi)襯以防止氨氣吸附，因此可以忽略取樣過(guò)程中氨氣的吸附作用，確保氨逃逸率測(cè)量結(jié)果與真實(shí)情況一致。

c.系統(tǒng)穩(wěn)定性高。測(cè)量系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，激光入射單元和探測(cè)單元安裝在測(cè)量腔體外側(cè)法蘭上，入射光束到達(dá)腔體前端后通過(guò)自行設(shè)計(jì)加工的高精度角錐反射鏡返回，該反射鏡不僅反射率高、耐高溫、耐腐蝕、耐沖刷，而且可以消除光路中激光干涉等因素的影響，同時(shí)還可以確保反射光束與入射光束平行且不會(huì)因?yàn)榍惑w變形、機(jī)械振動(dòng)、反射鏡位移而發(fā)生光路改變。

d.無(wú)能耗抽氣裝置。利用煙道與大氣之間的壓差設(shè)計(jì)了獨(dú)特的抽氣裝置，該裝置無(wú)需機(jī)械泵、蠕動(dòng)泵、射流泵等耗材(需要經(jīng)常更換)，而且也不需要消耗電廠壓縮空氣，經(jīng)久耐用、穩(wěn)定性好，抽氣流量可達(dá)15 L/min，腔體中煙氣更新速度小于10 s。

e.同工況在線標(biāo)定技術(shù)。目前市場(chǎng)上原位對(duì)穿式和抽取式氨逃逸率監(jiān)測(cè)儀表標(biāo)定存在下述問(wèn)題：原位對(duì)穿式是開放測(cè)量環(huán)境，無(wú)法對(duì)儀表進(jìn)行原位標(biāo)定，而抽取式的標(biāo)定工況(一般小于200 ℃)與測(cè)量工況(350 ℃)尤其是溫度差異很大。本研究設(shè)計(jì)的原位取樣式測(cè)量方法不僅可以在實(shí)際運(yùn)行中自動(dòng)標(biāo)定零點(diǎn)和滿量程，而且標(biāo)定工況與測(cè)量工況(溫度、壓力等)相同，標(biāo)定結(jié)果可直接應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量，可保證儀表在長(zhǎng)期運(yùn)行中的測(cè)量精度。

4 原位取樣式儀表測(cè)量結(jié)果

儀表安裝于5號(hào)爐AB側(cè)SCR脫硝后空預(yù)器前位置，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2所示。

圖2 NLAM1512現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

圖3 5號(hào)爐A側(cè)(1)

圖4 5號(hào)爐A側(cè)(2)

圖5 5號(hào)爐B側(cè)(1)

圖6 5號(hào)爐B側(cè)(2)

其測(cè)量數(shù)據(jù)歷史曲線如圖3—圖6所示，可知該儀表測(cè)得的數(shù)據(jù)與噴氨量、負(fù)荷、氮氧化物濃度關(guān)系相關(guān)性很強(qiáng)，即使0.1～0.2 μL/L的氨氣濃度波動(dòng)也能準(zhǔn)確響應(yīng)。另外，自安裝以來(lái)，除了試驗(yàn)時(shí)間以外，該儀表運(yùn)行情況比較穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，可為火電機(jī)組脫硝系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

由于國(guó)內(nèi)燃煤電廠粉塵含量高及氨氣易吸附、易反應(yīng)等原因，使得原位對(duì)穿式和傳統(tǒng)抽取式氨逃逸率在線監(jiān)測(cè)儀表在使用過(guò)程中都存在一些問(wèn)題，本文綜合考慮實(shí)際工況，采用原位取樣方式監(jiān)測(cè)儀表對(duì)氨逃逸率進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量腔安裝在煙道內(nèi)部，測(cè)量環(huán)境與煙氣溫度一致，可以保證煙氣成分不變，實(shí)現(xiàn)高保真測(cè)量。通過(guò)運(yùn)行結(jié)果可以看出，該儀表可對(duì)氨逃逸率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，與噴氨量、脫硝入口NOx、出口NOx具有很好的相關(guān)性，可以為脫硝噴氨量提供反饋，應(yīng)用于脫硝優(yōu)化控制中。

[1] 陳 明，王登香，張濟(jì)顯. 脫硝系統(tǒng)氨逃逸率大對(duì)空預(yù)器的影響及防治措施[J]. 華東電力，2014，42(6)：1 267-1 270.

[2] 侯劍雄，劉 洋. 電廠燃煤鍋爐降低NOx排放運(yùn)行調(diào)整[J]. 東北電力技術(shù)，2015，36(1):25-29.

[3] 馬雙忱，鄧 悅，吳文龍，等. SCR脫硝過(guò)程中硫酸氫銨形成特性研究[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2016，37(2)：143-150.

[4] 李衍平. 330 MW SCR脫硝機(jī)組空氣預(yù)熱器堵塞原因分析與對(duì)策[J]. 東北電力技術(shù)，2017，38(2)：44-46.

[5] 王 潔，張國(guó)鑫，何信堅(jiān). 660 MW機(jī)組SCR脫硝空預(yù)器堵塞原因分析[C]. 2016燃煤電廠超低排放形式下SCR(SNCR)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行管理及氨逃逸與空預(yù)器堵塞技術(shù)交流研討會(huì)論文集，2016，1:484-489.

[6] 張立芳，王 飛，俞李斌，等. 基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的脫硝過(guò)程中微量逃逸氨氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2015，35(6)，1 639-1 642.

Application of in Situ Ammonia Escaping Rate On-lineMonitoring Instrument in Coal Fired Power Plant

SHI Yuwei1, LIU Zhu2

(1. Tong Liao General Power Plant, Tongliao，Inner Mongolia 028011，China；2.Tong Liao Sheng Fa Thermo Electric Co., Ltd.,Tongliao,Inner Mongolia 028000,China)

At present, ammonia escape rate monitoring after denitrification uses sampling type or in situ type. Due to the domestic coal-fired power plant high dust content and ammonia adsorbed reactive and other reasons, there are some practical application problems in these two kinds of measurement methods. On the basis of ammonia escape measuring necessity and measurement difficulties, this paper introduced Beijing New Leaf Energy Technology Inc. NLAM1512 in situ sampling ammonia escape online monitoring instrument and its application in Tongliao power plant. The results show that the instrument can accurately measure the ammonia escaping rate after denitrification. Then it can provide the basis for ammonia injection in the denitrification and it can provide the basis data for the denitrification optimization.

ammonia escapeing；TDLAS；NLAM1512；in situ sampling

X831

A

1004-7913(2017)08-0041-03

史玉偉(1968)，女，學(xué)士，工程師，從事電廠熱控技術(shù)管理工作。

2017-04-21)