基于TDLAS技術(shù)的氨逃逸檢測(cè)設(shè)備研究

郝志國，宋艷珂

(鄭州光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001)

基于TDLAS技術(shù)的氨逃逸檢測(cè)設(shè)備研究

郝志國，宋艷珂

(鄭州光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001)

針對(duì)SCR脫硝工藝中氨逃逸檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)高溫、高塵等復(fù)雜環(huán)境情況，分析了利用TDLAS技術(shù)的原位測(cè)量和抽取伴熱測(cè)量等方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了AEMS10氨逃逸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單端插入原位封閉腔測(cè)量方式的技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)比驗(yàn)證情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)完全滿足SCR脫硝工藝中氨逃逸檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況的要求，可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

脫硝；氨逃逸檢測(cè)；單端插入原位封閉腔式

1 背景

我國在《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》中明確提出了氮氧化物排放濃度不高于50 mg/m3的要求，作為火電廠氮氧化物減排主要手段之一的煙氣脫硝，就顯得尤為重要。

SCR煙氣脫硝工藝是一種對(duì)煤燃燒后的煙氣進(jìn)行處理，以降低煙氣中氮氧化物排放量的技術(shù)，即通過在合適的溫度(300—420 ℃)下向有催化劑的反應(yīng)器里噴入適量的氨，以減少氮氧化物的排放量。噴氨后會(huì)產(chǎn)生如下化學(xué)反應(yīng):

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，利用出口逃逸氨氣的濃度來反饋控制脫硝反應(yīng)中的噴氨量；這樣既可使氮氧化物脫除效率控制在合理水平，同時(shí)又避免噴入過量的氨。若噴入過量的氨，煙氣中的NH3，H2O和SO3等就會(huì)反應(yīng)生成銨鹽——硫酸氫銨，即發(fā)生如下不良反應(yīng)：

硫酸氫銨具有很強(qiáng)的粘性，易在設(shè)備表面形成液態(tài)懸浮顆粒。當(dāng)溫度降低時(shí)，硫酸氫銨會(huì)吸收煙氣中的水分，形成腐蝕性溶液。在溫度較低的催化劑表面，煙氣中硫酸氫銨會(huì)堵塞催化劑，造成催化劑失活，增加反應(yīng)器的壓損。煙氣中的硫酸氫銨在經(jīng)過后續(xù)設(shè)備時(shí)，會(huì)在溫度較低的空氣預(yù)熱器熱交換表面沉積，增大壓降，降低空氣預(yù)熱器的效率，進(jìn)而影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

根據(jù)有關(guān)報(bào)告，當(dāng)SCR脫硝反應(yīng)器出口煙氣的氨逃逸控制在2—3 ppm(1 ppm=0.001 ‰)時(shí)，可延長(zhǎng)空氣預(yù)熱器的檢修周期，確保相關(guān)設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行。故通過對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器出口煙氣中氨逃逸量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線精確測(cè)量，不僅可以判斷脫硝裝置是否發(fā)生故障，還可以在滿足氮氧化物排放的基礎(chǔ)上精準(zhǔn)控制噴氨量，確保機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 基于TDLAS技術(shù)的氨測(cè)量

由于煙道中氨逃逸量極低(僅為幾個(gè)ppm)，又極易與煙氣中的H2O和SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨，再加上氨氣的吸附性極強(qiáng)、極易溶于水，且脫硝裝置運(yùn)行于振動(dòng)、高塵、工控不穩(wěn)定等復(fù)雜環(huán)境下，使得普通的電化學(xué)、紅外和紫外等常規(guī)測(cè)量方法都不適用于氨逃逸檢測(cè)。

可調(diào)諧激光光譜分析(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)技術(shù)利用窄帶激光掃描氣體分子的吸收譜線，通過分析被氣體分子吸收后的激光強(qiáng)度得到待測(cè)氣體濃度等參數(shù)，如圖1所示。與傳統(tǒng)紅外光譜技術(shù)不同，半導(dǎo)體激光光源的光譜寬度遠(yuǎn)小于特定氣體吸收譜線寬度，可以避免背景氣體間的交叉干擾。由于TDLAS技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、非接觸式測(cè)量、響應(yīng)速度快和靈敏度高等特點(diǎn)，使得該技術(shù)已成為氨逃逸在線檢測(cè)的主流方法。

圖1 TDLAS技術(shù)窄帶激光掃描

2.1 TDLAS技術(shù)測(cè)量原理

根據(jù)Lambert-Beer吸收定律，激光器發(fā)出強(qiáng)度為I0，頻率為ν的單色激光，通過吸收介質(zhì)后，在接收端測(cè)得到的強(qiáng)度為：

其中：L為樣品長(zhǎng)度；σ為吸收界面；c為吸收氣體的分子數(shù)濃度。

對(duì)于近紅外分子吸收，上式可近似為：

即通過吸收氣體之后，光強(qiáng)變化與被測(cè)氣體濃度和光程呈線性關(guān)系。

2.2 基于TDLAS技術(shù)的測(cè)量方法

目前，基于TDLAS的常用測(cè)量方法有直接測(cè)量法和波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)測(cè)量法。

2.2.1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法是利用直接吸收方式進(jìn)行檢測(cè)的一種傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測(cè)量方法。為了達(dá)到調(diào)諧的目的，通過改變激光器調(diào)制電流的大小，激光器的輸出波長(zhǎng)將隨之變化;通過測(cè)量衰減后的激光強(qiáng)度與參考光強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比，可確定光譜吸收率信號(hào)，最后得到氣體濃度。

但采用直接測(cè)量法時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)中存在多種系統(tǒng)噪聲，主要有探測(cè)器噪聲、激光額外噪聲以及隨機(jī)剩余幅度調(diào)制引起的偏移噪聲等。除系統(tǒng)噪聲外，還有光學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)的干涉條紋，這些都會(huì)導(dǎo)致痕量氣體測(cè)量精確度降低。

2.2.2 波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)測(cè)量法

波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)利用高頻正弦波作為載波，對(duì)調(diào)諧激光頻率的低頻率f0的鋸齒波電流進(jìn)行調(diào)制，這樣得到的激光發(fā)射頻率為：

其中：ν為激光器瞬時(shí)頻率；ν0為激光器中心頻率；α為調(diào)制幅度；f為載波頻率；t為時(shí)間。

將式(6)代入式(4)后進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開，可得到各次諧波信號(hào)。隨著諧波次數(shù)的增加，諧波譜線加寬，將不利于分辨相鄰干擾譜線。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用二次諧波技術(shù)。

在吸收度很小的情況下，二次諧波分量的表達(dá)式如下：

只要測(cè)得二次諧波信號(hào)與光強(qiáng)直流分量，就可以分析獲得氣體的濃度：

其中：K值可由標(biāo)定得到;ν值大小與光強(qiáng)信號(hào)無關(guān)，與被測(cè)氣體濃度、光程成正比。

由上述可知，波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)通過選擇調(diào)制頻率來抑制激光噪聲帶寬，利用諧波檢測(cè)技術(shù)得到與被測(cè)氣體濃度成正比的諧波信號(hào)，再將檢測(cè)頻率移到噪聲較低的高頻處，這樣可以有效抑制外部干擾和低頻噪聲，從而實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)靈敏度。

與直接檢測(cè)相比，采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)可以將系統(tǒng)靈敏度提高100倍以上，檢測(cè)下限可達(dá)到10-8mV數(shù)量級(jí)。

3 基于TDLAS技術(shù)的氨逃逸分析系統(tǒng)

目前，基于TDLAS技術(shù)的氨逃逸分析系統(tǒng)主要有原位測(cè)量方式、抽取伴熱式等類型。

3.1 基于原位測(cè)量方式的氨逃逸分析系統(tǒng)

3.1.1 工作原理

分別將發(fā)射與接收探頭直接安裝在SCR出口被測(cè)煙道兩側(cè)，由發(fā)射探頭發(fā)出激光，接收探頭接收激光，再通過光電檢測(cè)器將接收到的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過電纜輸出到中央處理器進(jìn)行信號(hào)處理，如圖2所示。由于采用激光原位測(cè)量分析儀檢測(cè)微量氨的過程中無需采樣即可直接測(cè)量氨濃度，不需要考慮被測(cè)氣體取樣及傳輸帶來的影響，故在國內(nèi)燃煤機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。

3.1.2 系統(tǒng)缺點(diǎn)

(1) 由于SCR脫硝系統(tǒng)安裝在鍋爐省煤器煙氣出口之后、煙氣除塵系統(tǒng)之前，而氨逃逸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在脫硝系統(tǒng)反應(yīng)層出口煙道上，而該處煙氣中的粉塵濃度特別高，使得激光強(qiáng)度衰減嚴(yán)重，激光只能透過2—3 m距離，造成接收探頭無法獲得有效的光強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差嚴(yán)重。高塵的工作環(huán)境還會(huì)使粉塵顆粒積聚在探頭上，雖然系統(tǒng)配備了反吹掃電機(jī)，但是當(dāng)反吹掃電機(jī)出現(xiàn)故障或者反吹掃氣帶灰時(shí)，還是極易發(fā)生發(fā)射接收裝置堵灰的情況，大大降低了激光的透光率，直接影響氨含量的測(cè)量。

圖2 原位對(duì)射式安裝方式示意

(2) 發(fā)射探頭和接收探頭都是通過固定法蘭直接安裝在煙道壁上的。機(jī)組運(yùn)行后，氨逃逸測(cè)量裝置所在的煙道壁振動(dòng)較大，特別是在啟機(jī)前后，接收探頭位置會(huì)發(fā)生較大位移變化；同時(shí)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，煙道的溫度也會(huì)隨之發(fā)生較大變化，難免引起設(shè)備熱膨脹，很容易導(dǎo)致對(duì)光不準(zhǔn)，影響激光透射到接收探頭光電池的信號(hào)，從而產(chǎn)生測(cè)量不穩(wěn)定或不應(yīng)有的漂移，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)造成儀器將不能正常工作。

(3) 由于探頭安裝在鍋爐煙道上，無法對(duì)氨逃逸監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行有效標(biāo)定，也就無法直觀地判斷氨逃逸的測(cè)量準(zhǔn)確率。只能通過氨逃逸數(shù)值與供氨調(diào)節(jié)閥的開度是否成比例關(guān)系來判斷氨逃逸的測(cè)量是否準(zhǔn)確，很明顯在實(shí)際情況下，這種判斷方法沒有太大的可信性。

3.1.3 改進(jìn)措施

為了能夠使基于原位測(cè)量方式的氨逃逸分析系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的環(huán)境，部分電廠和生產(chǎn)廠家采取了一些改進(jìn)措施。

(1) 加長(zhǎng)襯管的光屏蔽法：把預(yù)埋的襯管延長(zhǎng)，深入到煙道中，縮短有效測(cè)量光程。

(2) 斜角安裝法：把儀器的發(fā)射端和接收端安裝在煙道斜角上，以縮短實(shí)際測(cè)量光程。

但上述措施均不能改變系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行和準(zhǔn)確測(cè)量的狀況，且運(yùn)行維護(hù)工作量非常大。

3.2 基于抽取伴熱式的氨逃逸分析系統(tǒng)

3.2.1 工作原理

通過高溫取樣等氣體預(yù)處理方式，克服了原位激光法存在的高粉塵、高水分、煙道振動(dòng)變形及光能量不足等問題。該系統(tǒng)典型組成部件包括：采取加熱過濾的專用高溫取樣探頭及高溫電加熱管線。從取樣探頭到高溫測(cè)量氣室采取全程加熱并保溫在脫硝煙氣的露點(diǎn)之上。脫硝測(cè)氨高溫取樣探頭工作溫度為180—220 ℃，探頭取樣管采用316 L不銹鋼，其探頭前置過濾器采用2 μm不銹鋼濾芯，探頭內(nèi)部采用加熱保溫的陶瓷內(nèi)芯，煙塵過濾精度不大于2 μm。加熱管線溫度為180 ℃。整個(gè)測(cè)量全程高溫，以確保煙氣微量氨的準(zhǔn)確檢測(cè)。

3.2.2 系統(tǒng)缺點(diǎn)

因?yàn)閷?duì)被測(cè)氣體采取了過濾保溫預(yù)處理等措施，基于抽取伴熱式氨逃逸分析系統(tǒng)具備了較高的測(cè)量精度和在線標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。但抽取伴熱的溫度較低(180—220 ℃)，遠(yuǎn)低于被測(cè)煙氣溫度(350 ℃左右)，且當(dāng)伴熱溫度低于250 ℃時(shí)，煙氣中的NH3，H2O和SO3還會(huì)反應(yīng)生成NH4HSO4，堵塞采樣管路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。

此外，由于氨氣在管線表面有較強(qiáng)的粘附能力，且粘附量與當(dāng)前氨氣濃度有關(guān)，這就氨氣濃度在抽取過程中容易發(fā)生改變，會(huì)使得測(cè)量結(jié)果不能代表煙氣中氨逃逸量的真實(shí)情況。

3.2.3 改進(jìn)措施

部分電廠為了使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，采取了如下改進(jìn)方法。

(1) 采用具有耐高溫、耐腐蝕特性的PFA/PTFE材料作為樣氣管，以減少對(duì)樣氣、水分等的吸附，最大限度保持煙氣的真實(shí)性。

(2) 采用長(zhǎng)壽命的進(jìn)口加熱電熱絲，確保加熱溫度的均勻性。

(3) 加熱管抗拉能力強(qiáng)，彎曲半徑大，對(duì)其采用4層保護(hù)，保溫層厚度大于20 mm，熱損失小，溫度控制在±2 ℃，盡可能避免形成硫酸銨鹽造成管路堵塞。

但采樣管路(包括高精度的過濾裝置)容易堵塞等弊端，始終是限制基于抽取伴熱式氨逃逸分析系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.3 基于單端插入原位封閉腔式的氨逃逸分析系統(tǒng)

3.3.1 工作原理

在綜合原位測(cè)量方式和抽取伴熱式的氨逃逸分析系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，鄭州光力科技股份有限公司研發(fā)出了AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)。該氨逃逸分析系統(tǒng)采用單端插入原位封閉腔式的測(cè)量方式，是一款專門針對(duì)氨法脫硝反應(yīng)器后部高溫、高風(fēng)速、高塵環(huán)境下氨氣逃逸量進(jìn)行測(cè)量的新型原位式激光監(jiān)測(cè)設(shè)備，如圖3所示。

圖3 單端插入原位封閉腔式測(cè)量單元安裝示意

該系統(tǒng)主要由1臺(tái)控制柜和多個(gè)測(cè)量單元組成，系統(tǒng)組成及邏輯控制如圖4所示。測(cè)量單元通過固定法蘭安裝在煙道單側(cè)，1個(gè)煙道安裝1—2個(gè)測(cè)量單元，采用單端插入方式。測(cè)量氣室集成在測(cè)量單元內(nèi)部，隨測(cè)量單元插入煙道內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量。測(cè)量單元為微負(fù)壓取氣，測(cè)量氣室采用密閉結(jié)構(gòu)，在進(jìn)氣窗口安裝有高密度耐高溫過濾器，被測(cè)氣體可正常通過過濾器進(jìn)入測(cè)量氣室，煙道中的飛灰完全被阻擋在過濾器外。此外，系統(tǒng)還具有自動(dòng)反吹掃、自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)裙δ埽M(jìn)一步確保系統(tǒng)可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

該系統(tǒng)采用TDLAS技術(shù)和多次反射池技術(shù)相結(jié)合的氨逃逸檢測(cè)技術(shù)，如圖5所示。采用多次反射池技術(shù)后，激光的有效檢測(cè)光程可達(dá)到30 m，氨氣檢測(cè)靈敏度較對(duì)射式氨逃逸分析儀也提高了20倍，靈敏度可達(dá)到0.1 ppm以上。

3.3.2 AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況

為考核AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)中的測(cè)量單元在長(zhǎng)期運(yùn)行后的檢測(cè)準(zhǔn)確性(運(yùn)行時(shí)間約6個(gè)月)，進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)。

3.3.2.1 曲線一致性檢驗(yàn)

從圖6，7可以看出，在正常運(yùn)行6個(gè)月后，氨逃逸監(jiān)測(cè)曲線與噴氨閥門開度曲線和發(fā)電機(jī)功率曲線有很強(qiáng)的一致性。

圖4 系統(tǒng)組成及邏輯控制

圖5 TDLAS技術(shù)和多次反射池技術(shù)示意

圖6 某公司1號(hào)機(jī)組A側(cè)煙道測(cè)量曲線1

圖7 某公司1號(hào)機(jī)組A側(cè)煙道測(cè)量曲線2

3.3.2.2 測(cè)量單元氨逃逸檢測(cè)精度的驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)將標(biāo)準(zhǔn)氣樣通入測(cè)量單元內(nèi)部，在線檢驗(yàn)測(cè)量單元的檢測(cè)準(zhǔn)確度。對(duì)安裝在某公司1號(hào)機(jī)組AB兩側(cè)煙道的測(cè)量單元進(jìn)行驗(yàn)證，采用的標(biāo)準(zhǔn)氣體參數(shù)如表1所示?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 采用的標(biāo)準(zhǔn)氣體參數(shù)

表2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù) ppm

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)通入標(biāo)氣比對(duì)時(shí)，為使標(biāo)氣可以充滿測(cè)量探管的氣室，通氣流量很大(約25 L/min)；常溫高壓的標(biāo)氣快速進(jìn)入高溫微負(fù)壓的測(cè)量單元，在測(cè)量單元內(nèi)部會(huì)有溫度不均勻的現(xiàn)象，同時(shí)流量的波動(dòng)也會(huì)引起NH3的吸附脫附的動(dòng)態(tài)過程，故現(xiàn)場(chǎng)使用標(biāo)氣比對(duì)誤差0.89 ppm屬于工程現(xiàn)場(chǎng)理想范圍區(qū)間。

綜上所述，從氨逃逸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行6個(gè)月后的氨逃逸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)曲線一致性和使用標(biāo)氣比對(duì)測(cè)量單元檢測(cè)準(zhǔn)確度驗(yàn)證等結(jié)果可以得出，現(xiàn)場(chǎng)安裝的AEMS10氨逃逸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果可信。

4 結(jié)論

通過對(duì)幾種采用TDLAS技術(shù)進(jìn)行氨逃逸在線監(jiān)測(cè)測(cè)量方式的綜合分析和對(duì)比，得出采用單端插入原位封閉腔式的AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

(1) 采用TDLAS技術(shù)和多次反射池技術(shù)相結(jié)合的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)氨逃逸的檢測(cè)準(zhǔn)確度和靈敏度是普通TDLAS技術(shù)的10倍以上。

(2) 被測(cè)氣體的檢測(cè)溫度均超過250 ℃，避免了因NH3與SO3反應(yīng)產(chǎn)生NH4HSO4而導(dǎo)致的采樣損失。

(3) 采用單端插入原位封閉腔式的測(cè)量方式，沒有采樣管線，被測(cè)氣體直接進(jìn)入多次反射池，避免了采樣損失。

(4) 采樣探頭安裝了超精細(xì)過濾器，過濾后的氣體非常潔凈，使得光學(xué)鏡片維護(hù)量低。

(5) 可任意設(shè)定系統(tǒng)控制的過濾器反吹時(shí)間，避免過濾器堵塞而使過濾器維護(hù)周期變長(zhǎng)。

基于上述特點(diǎn)，AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)完全滿足了SCR脫銷工藝中氨逃逸檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的要求，確保機(jī)組長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

1 鄭利武，趙國成，俞大海，等．激光微量氨分析系統(tǒng)在脫硝逃逸氨檢測(cè)中的應(yīng)用[J]．電力科技與環(huán)保，2015，31(5):60-62.

2 吳 浩．基于差分吸收光譜法的氨逃逸在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2015.

2017-03-16。

郝志國(1978—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠氫冷發(fā)電機(jī)組和氫站的氫氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、脫硝工藝過程中氨逃逸在線監(jiān)測(cè)等工作，email：15803898033@163.com。

宋艷珂(1985—)，男，助理工程師，主要從事氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和便攜檢測(cè)儀器儀表等產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。