氨逃逸在線監(jiān)測在火電廠超低排放中的應(yīng)用

楊 劍，湯光華，苗 豐，孔紅兵，丁廣華

(南京國電環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 南京 210061)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，用電量的需求越來越大，我國火電行業(yè)發(fā)展非常迅速，發(fā)電量已達全球第一。由此帶來的能源消耗也快速增長，電力生產(chǎn)過程中煤炭燃燒生成的SO2、NOx對環(huán)境造成的污染問題也日益嚴重[1-4]。

選擇性催化還原法(SCR)脫硝是目前火電廠實現(xiàn)NOx超低排放的主要脫硝方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、脫硝效率高、運行可靠、便于維護等優(yōu)點[5]。SCR煙氣脫硝裝置運行時需要合理控制噴氨量，既要最大限度地脫除NOx，又要保證氨的逃逸率在合理范圍內(nèi)，從而確保安全、環(huán)保和經(jīng)濟脫硝[6-9]。當(dāng)NH3與煙氣中NOx反應(yīng)過剩時，NH3會與煙氣中SO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫酸氫銨(NH4HSO4)。在一定條件下，硫酸氫銨為半液狀且具有粘性，使煙氣中的顆粒粘附在催化床層和空預(yù)器上，造成堵塞和腐蝕，從而對SCR系統(tǒng)安全運行和脫硝效率帶來影響。高溫和高塵的惡劣工況給氨逃逸的準確監(jiān)測帶來了極大的困難[8-13]。因此，快速、準確監(jiān)測氨逃逸量，對于提高脫硝裝置的運行效率，保證系統(tǒng)安全運行和超低排放的經(jīng)濟性至關(guān)重要。

本文介紹的基于TDLAS技術(shù)的氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用近紅外波段可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)[14]，實現(xiàn)對氨濃度的快速、準確和多點測量，同時解決了測量的準確性和代表性問題。

1 測量原理

氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)采用基于波長調(diào)制的TDLAS技術(shù)反演氨濃度，平臺如圖1所示。

圖1 TDLAS技術(shù)反演氨濃度平臺

分布反饋式(DFB)激光器(中心波長對應(yīng)氨的吸收譜線)由溫度控制器精確控溫，激光驅(qū)動器由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制信號，通過改變激光器的注入電流，對激光器的中心波長進行微小掃描，使激光通過氣體吸收池氨吸收后，產(chǎn)生高次諧波。探測器的輸出信號中載有氨濃度的信息，經(jīng)過鎖相放大器進行放大后的信號送入A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將信號中的基頻、二次諧波、四次諧波和六次諧波轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進行數(shù)據(jù)處理分析，通過基頻和某一高次諧波信號的測量，可得到氨氣體組分濃度。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文介紹的氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，系統(tǒng)主要部件包括煙氣采樣子系統(tǒng)、高溫預(yù)處理子系統(tǒng)、恒溫氨分析子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析子系統(tǒng)等部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

(1)煙氣采樣子系統(tǒng)：包括高溫采樣探頭和加熱采樣管線。高溫采樣探頭內(nèi)置兩級過濾器，特別適合用于煙道氣在線分析中的采樣，其獨特設(shè)計使得安裝操作極為簡便，并且性能可靠、維護方便，在更換過濾器時不需使用工具，并且不必拆除采樣管線，避免了雜質(zhì)滲入到樣氣系統(tǒng)中。加熱采樣管線允許在220℃的條件下滿足兩倍于標(biāo)準氣體輸送壓力下連續(xù)無泄漏運行，長度一般1～2m盡可能短，減少煙氣傳輸過程中氨吸附失真的可能性。煙氣采樣子系統(tǒng)使得進煙氣全程在220℃以上，防止氨的吸附和硫酸氫銨的結(jié)晶，保證了采樣的真實性。

(2)高溫預(yù)處理子系統(tǒng)：包括加熱塊、高溫球閥、高溫精過濾芯、金屬彎曲延長管等。加熱塊保證煙氣采樣子系統(tǒng)過來的煙氣或校準時的標(biāo)氣能充分伴熱后送到氨分析儀，高溫球閥和金屬彎曲延長管保證了高溫下氣路在取樣、校準和吹掃之間的無縫切換，高溫精過濾芯使得煙氣進入氨分析儀前經(jīng)過三級過濾，確保測量結(jié)果的準確性。

(3)恒溫氨分析子系統(tǒng)：是整個系統(tǒng)的核心部分，包括氨分析儀、恒溫控制單元。由于氨分析儀對環(huán)境溫度的敏感性，為了確保氨分析儀長期工作的穩(wěn)定性和可靠性，恒溫控制單元將通過風(fēng)冷卻方式保證氨分析儀始終處在設(shè)定的恒定溫度環(huán)境條件下，如圖3所示。

圖3 恒溫控制單元

(4)數(shù)據(jù)采集與分析子系統(tǒng)：包括底板、主控板等。數(shù)據(jù)采集與分析子系統(tǒng)控制部分主要由底板來實現(xiàn)，主要分為取樣、反吹、校零/校驗以及報警等。數(shù)據(jù)采集與分析子系統(tǒng)顯示部分主要由主控板來實現(xiàn)，包括實時數(shù)據(jù)、曲線、系統(tǒng)狀態(tài)等的顯示和存儲。

2.2 系統(tǒng)特點

(1)多點取樣。通過安裝多套煙氣采樣子系統(tǒng)，可實現(xiàn)多點取樣功能，更真實的反映煙道中氨逃逸場分布情況。

(2)工況適應(yīng)性強。采用全程高溫伴熱直接抽取法，保證煙氣取樣的真實性，防止氨吸附和硫酸氫銨結(jié)晶；定期脈沖反吹，保證長時間工作的穩(wěn)定性。

(3)準確度高。采用基于波長調(diào)制的TDLAS技術(shù)和長光程多次反射技術(shù)，集成氨和水含量互耦反演算法，消除主要干擾物質(zhì)水汽的影響，實現(xiàn)微量氨的準確測量。

(4)抗干擾性強、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高。三級煙塵過濾，并在恒溫恒壓下對氨進行檢測，消除外部環(huán)境變化的影響，抗干擾性和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更強。

(5)快速在線校準。具備在線校準功能，可分別對分析單元和全系統(tǒng)進行零點、量程校準，消除長時間運行零點漂移、量程漂移等帶來的測量偏差，保證系統(tǒng)長時間工作的測量精度。

(6)安裝方便?？芍苯影惭b在煙道測點附近，無需搭建平臺，節(jié)省安裝空間。

(7)具有RS232、TCP/IP等多種數(shù)據(jù)通訊方式，實現(xiàn)遠程監(jiān)控；具有實時輸出和數(shù)據(jù)保存以及歷史曲線查詢功能，方便對測量數(shù)據(jù)進行分析。

3 實驗室測試

3.1 試驗工況

試驗儀器采用南京國電環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)LDAS-4000氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)、日本HORLBA公司SEC-Z500型質(zhì)量流量計，試驗工況條件如表1所示。

表1 試驗工況條件

3.2 性能指標(biāo)測試

3.2.1 系統(tǒng)零點漂移

對氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)通高純氮氣，檢測系統(tǒng)零點漂移，連續(xù)24h測試結(jié)果如圖4所示。最大偏差為0.15μL/L，零點漂移為0.75%/24h。

3.2.2 系統(tǒng)量程漂移

對氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)通入高純氮零點氣體穩(wěn)定后，通入20μL/L標(biāo)準氨氣，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄儀器顯示值，撤去標(biāo)準氨氣。重復(fù)上述過程，連續(xù)運行24h，每間隔1h重復(fù)上述步驟一次，檢測系統(tǒng)量程漂移，結(jié)果見圖5。最大偏差為-0.22μL/L，量程漂移為-1.1%/24h。

3.2.3 系統(tǒng)準確度

為了驗證系統(tǒng)的測量準確度，使用高精度質(zhì)量流量計混合氨氣與氮氣，將20μL/L的標(biāo)準氨氣按10%的間隔，等比例切割出十個濃度，進行系統(tǒng)準確度測試，結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，準確度均控制在±0.2μL/L以內(nèi)。

圖4 系統(tǒng)零點漂移

圖5 系統(tǒng)量程漂移

圖6 系統(tǒng)準確度

4 現(xiàn)場應(yīng)用

本文介紹的氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)已在多個電廠使用。圖7為某電廠實時調(diào)整噴氨量，脫硝出口氮氧化物和氨逃逸濃度對比曲線。圖8、圖9和圖10為電廠長期運行脫硝出口氮氧化物、噴氨量與氨逃逸濃度對比曲線?？梢钥闯觯S著噴氨量的增加，脫硝出口氮氧化物濃度降低，而氨逃逸濃度增加，反之亦然，二者對應(yīng)趨勢吻合。

圖7 實時調(diào)整噴氨量脫硝出口氮氧化物及氨逃逸

圖8 脫硝出口氮氧化物與氨逃逸對比曲線(24h)

圖9 脫硝出口氮氧化物與氨逃逸對比曲線(長期運行)

圖10 噴氨量與氨逃逸對比曲線(長期運行)

現(xiàn)場應(yīng)用表明，本文介紹的氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)工況適應(yīng)性好，無論是短期還是長期連續(xù)監(jiān)測，脫硝出口氮氧化物與氨逃逸兩者變化趨勢吻合，可以有效指導(dǎo)脫硝噴氨控制。

5 結(jié)語

通過基于TDLAS技術(shù)的氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)的實驗室性能測試和現(xiàn)場應(yīng)用，氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)具有較強的環(huán)境適應(yīng)性，測量準確度高，脫硝出口氮氧化物與氨逃逸變化趨勢吻合，可以滿足火電廠超低排放條件下SCR脫硝裝置氨逃逸檢測需求。

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