燃煤電廠脫硝氨逃逸檢測應用現(xiàn)狀與分析

劉曉萌 張冉 何永兵 魏宏鴿

摘 要：對火電廠脫硝氨逃逸監(jiān)測方法與現(xiàn)狀進行了介紹論述。分別介紹了氨逃逸在線檢測與離線檢測方法并分析對比各種檢測方法的優(yōu)缺點。通過對比14臺SCR脫硝反應器取樣實測氨逃逸率數(shù)值與在線氨逃逸率數(shù)值，發(fā)現(xiàn)取樣離線實測氨逃逸率準確性要遠大于在線檢測。分析造成這樣現(xiàn)象的原因得出在線檢測測點布置方式是影響在線氨逃逸率檢測準確性主要原因。并提出改進建議。為下一步SCR脫硝氨逃逸監(jiān)測方法改進提供支撐。

關鍵詞：氨逃逸；火力發(fā)電；SCR脫硝；檢測方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.160

0 前言

為響應國家節(jié)能減排號召，重點地區(qū)大中型燃煤火力電廠煙氣排放基本完成超低排放改造，煙氣脫硝技術均采用選擇性催化還原法（SCR）或非選擇性催化還原法（SNCR），使煙氣NOx排放濃度在50mg/m3（標態(tài)，干基，6%O2）以下[1]。其中采用SCR技術煙氣脫硝機組占全部機組90%以上[2]。SCR法脫硝技術是目前世界上應用最廣泛、技術最成熟的煙氣脫硝技術，具有脫硝效率高、維護方便、便于管理控制、運行可靠等技術優(yōu)點[3]。SCR法脫硝所用還原劑一般為氨氣（NH3），高溫條件下NH3在催化劑作用下，與煙氣中氮氧化物（NOx）反應將NOx還原成氮氣（N2）而將其脫出[4]。因此在保證脫硝效率前提下，脫硝系統(tǒng)要噴入足夠量的NH3。這就存在NH3反應不完全、超標逃逸問題（簡稱氨逃逸）。氨逃逸是目前SCR脫硝系統(tǒng)普遍存在的問題，當氨逃逸濃度較大時，NH3會和煙氣中三氧化硫（SO3）反應生成硫酸氫銨（NH4HSO4）。NH4HSO4的生成會嚴重影響下游設備如空預器的運行，有造成堵塞腐蝕潛在風險，使煙氣系統(tǒng)壓力阻力升高，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行[5]?？刂瓢碧右萋蚀笮。瑢τ跈C組控制氨耗量，減少空預器堵塞腐蝕，實現(xiàn)經濟穩(wěn)定運行至關重要。目前火電廠氨逃逸監(jiān)測手段主要分為在線監(jiān)測和離線分析監(jiān)測[6]。在線監(jiān)測方法主要有原位式激光分析方法、抽取式分析方法等，離線檢測方法主要有靛酚藍分光光度法、容量法、離子選擇電極法、離子色譜法等。火電廠為便于脫硝運行實時調整，SCR反應器氨逃逸監(jiān)測基本采用在線監(jiān)測方式[7]。

1 在線監(jiān)測方法介紹

1.1 原位式激光分析方法

原位式激光分析方法原理是應用可調二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術[8]。該技術是利用激光單色性對特定氣體吸收特性來對煙氣成分中的氨氣進行測定。該方法的選擇性與靈敏度極高[9]。具體應用到電廠氨逃逸檢測是在SCR系統(tǒng)出口煙道的對側或者對角安裝激光發(fā)射端和激光接收端，激光發(fā)射端發(fā)射出特定波長的激光，煙氣中的NH3吸收此特定波長激光形成吸收光譜，吸收光譜信息在激光接收端被捕捉，通過對吸收光譜的分析得出煙氣中NH3濃度。但是在電廠實際應用過程中，該方法卻有局限性。第一，SCR系統(tǒng)一般安裝在鍋爐省煤器與空氣預熱器之間（即除塵器之前），煙氣含塵量很高，大量灰塵會嚴重影響激光投射光程，造成分析精度的下降，同時大量高速飛灰嚴重磨損激光探頭，容易造成檢測系統(tǒng)損壞與失效；第二，激光發(fā)射端與激光接收端要求中心嚴格完全對稱。但在煙道實際安裝過程中很難保證，且鍋爐在運行過程中，風機運行產生震動造成發(fā)射探頭與接受探頭相互錯位，嚴重影響吸收光譜信息的捕捉；第三，隨著鍋爐負荷變化，煙氣溫度也有較大波動，造成分析檢測環(huán)境變化，也會影響分析準確度。

1.2 抽取式分析法

1.2.1 稀釋取樣轉化分析法

稀釋取樣轉化分析法是將煙氣分三路進入分析儀，一路將煙氣中HN3和NO2在750℃高溫爐中轉化成NO，分析測得TN總氮濃度；另一路將NOx在325℃高溫爐中轉化成NO，測得NOx濃度；最后一路不經處理直接測得NO濃度，則氨逃逸濃度為NT減去NOx濃度。此分析方法的優(yōu)點是傳輸速度快，分析儀器工作環(huán)境較好，測量精度較高[10]。但此法的缺陷是在抽樣過程中氨的損耗不便于控制，另外在高溫爐中的轉化效率并沒有達到百分之百，需要根據具體情況設定一定的修正系數(shù)[11]。

1.2.2 取樣激光分析法

取樣激光分析法又稱為抽取式激光分析法，該方法檢測原理與原位式激光分析方法原理相同[12]。都是利用激光的單色性對特定氣體的吸收特性來對煙氣成分中的氨氣進行測定。該方法的測試工藝一般由高溫取樣探頭、預處理單元、測試單元及清洗標定單元組成。該方法將高溫煙氣通過高溫區(qū)氧探頭全程伴熱（一般220℃以上）抽取，經過冷凝預處理之后在測量單元中通過TDLAS技術將氣體檢測分析，經過數(shù)據采集處理得到氨氣體的濃度。該方法優(yōu)點是幾乎沒有煙塵干擾，準確性比在線激光分析方法高。缺點是取樣過程故障率較高，維護工作量較大。

2 離線分析方法介紹

相比在線分析方法，氨逃逸離線分析方法則有更高準確性。在線分析方法準確性受制于檢測儀器工作環(huán)境因素影響，而離線采樣分析方法則完全在實驗室條件下進行，最大可能排除儀表工作環(huán)境影響，極大提高分析準確性，唯一缺陷是時效性比較差，不能及時得到機組氨逃逸率的數(shù)據信息，不便于及時調整控制SCR噴氨量大小。離線分析方法有靛酚藍分光光度法、離子選擇電極法、納氏試劑分光光度法、容量法等。火電廠氨逃逸率檢測離線分析方法應用最廣泛的是靛酚藍分光光度法。

2.1 靛酚藍分光光度法

靛酚藍分光光度法因其簡單快速準確而成為火電廠脫硝氨逃逸離線檢測最常用的方法。該方法的原理是利用稀硫酸吸收液（c（H2SO4）=0.05mol/L）將煙氣中的氨氣吸附反應生成硫酸銨，在亞硝基鐵氰化鈉和次氯酸鈉作用下，與水楊酸反應生成藍綠色靛酚藍染料，通過分光光度計比色定量吸收液中氨濃度大小。分析過程中一般加入檸檬酸鈉消除溶液中其它常規(guī)金屬離子干擾。該方法一般作為測量空氣中氨濃度的仲裁方法。在火電廠脫硝性能考核試驗時，一般采用該方法手工離線分析氨逃逸濃度[13]。該方法具有操作簡便，精確度高的優(yōu)點，其測試重點難點在取樣過程。取樣過程需要注意取樣過程應全程伴熱，且取樣管道盡可能短，防止水分凝結。同時在取樣前段前端或適當?shù)奈恢锰畛溥^濾材料。過濾材料應選用石英棉、無堿玻璃棉等不和煙氣成分發(fā)生化學反應的材質，過濾材料適用溫度應在400℃以上，防止煙氣中飛灰影響。同時應注意飛灰含氨量對整個測試結果的影響[14]。

2.2 其他分析方法

其他分析方法有容量法、離子選擇電極法[15]、離子色譜法[16]，每個分析方法都有各自特點。容量法檢測下限一般為0.005mg/m3，火電廠氨逃逸標準為2.28mg/m3（3μL/L），相差較大，所以一般不作為火電廠脫硝氨逃逸檢測的標準方法，離子選擇電極法具有極高準確性，同時操作方法簡單快速，但是存在檢測范圍非常窄的缺陷，火電廠氨逃逸濃度可以從微量波動到10mg/m3以上，所以同樣不適用于脫硝氨逃逸檢測與分析，而離子色譜法同樣由于檢測儀器的復雜貴重，很少用于火電廠氨逃逸檢測分析。

3 在線與離線分析方法對比

目前大型火電機組脫硝氨逃逸在線監(jiān)測大多采用原位式激光分析方法，單一測點布置方式，如圖2。該儀器因其較高靈敏度和快速響應能力，便于電廠實時進行SCR反應器噴氨運行調整。通過現(xiàn)場照片可以看出，該方法將發(fā)射器與接收器機械固定在SCR反應器出口煙道，該布置方式便于安裝與檢修。但是儀器現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，煙氣飛灰量大，而且下游緊靠空預器，機械振動大，極易造成發(fā)射器與接收器信號對接失準，而且該儀器一般安裝在靠近煙道拐角的相鄰兩個煙道壁上，該位置很容易成為煙氣流場的死角[17]，不宜作為代表整個煙道測點位置，因此亦會嚴重影響檢測儀器的準確性。通過火電廠SCR脫硝裝置性能試驗，本文對比從150MW到600MW共14臺SCR反應器氨逃逸在線檢測結果和靛酚藍分光光度法檢測結果，對比結果如表1和表2。

從表1和表2對比結果看出在線自動檢測與離線手工檢測有較大數(shù)值差距，無論機組在100%負荷率還是75%負荷率工況下，在線顯示氨逃逸值均遠小于現(xiàn)場采樣使用靛酚藍分光光度法檢測結果。100%負荷率工況下，14臺反應器采樣分析結果氨逃逸均值為2.02μL/L，而在線測量氨逃逸均值只有0.46μL/L，相差4倍有余；75%負荷率工況下，14臺反應器采樣分析結果氨逃逸均值為1.95μL/L，而在線測量氨逃逸均值只有0.40μL/L，數(shù)值差距依然較大。從兩個工況試驗結果對比來看，氨逃逸在線測量值結果與現(xiàn)場采樣分析測量數(shù)值結果均保持較大差距，說明在線測量氨逃逸濃度方法由于受在線檢測儀器現(xiàn)場工作環(huán)境與安裝位置的局限等影響，準確性被極大降低，非常不利于SCR反應器實時噴氨運行調整[18]，而現(xiàn)場采樣分析方法雖然準確性較高，但時效性不足，電廠運行班組采用根據現(xiàn)場取樣分析氨逃逸方法來進行SCR反應器噴氨實時調整亦不現(xiàn)實[19]。所以，SCR脫硝氨逃逸在線監(jiān)測首先應準確選取測點布置，其次應采取多測點布置方式，提高在線檢測準確性，同時進行噴氨優(yōu)化調整[20]，減小下游設備受腐蝕風險[21]，便于火電廠脫硝裝置更加經濟、穩(wěn)定、安全運行。

4 結論

（1）在線分析方法與離線分析方法各有特點，在線分析方法快速靈敏但準確度很低；離線分析方法準確度較高，但時效性較差。

（2）在線分析方法使用的檢測儀器受工作環(huán)境影響大，以及單測點布置方式極不利于噴氨運行調整，易導致機組長期處于高噴氨量運行，造成下游設備堵塞腐蝕。

（3）應建立更完善氨逃逸分析采樣方法，開發(fā)更先進氨逃逸檢測儀器儀表，如高敏度氨逃逸傳感器以及多點監(jiān)測智能控制在線分析系統(tǒng)，使氨逃逸問題得到有效控制，在保證NOx達標排放前提下，減少氨耗量，保護下游設備，實現(xiàn)機組經濟、穩(wěn)定、安全運行。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目（2016YFC0203704-2，高灰煤超低排放示范工程技術評估與優(yōu)化試驗研究）

作者簡介：劉曉萌（1990-），男，山東泰安人，碩士研究生，項目經理，研究方向：火電廠環(huán)境保護技術，從事燃煤電站環(huán)保設備性能測試工作。