脫硝系統(tǒng)氨逃逸分析儀測量技術(shù)存在的問題及優(yōu)化方案

密大奎，張傳艮

(中國華電科工集團有限公司，北京 100070)

0 引言

自2006年開始，為適應(yīng)更為嚴(yán)格的環(huán)保要求，我國燃煤機組已逐步加裝了脫硝系統(tǒng)。作為典型的脫硝、除塵、脫硫三大火電機組煙氣凈化環(huán)保設(shè)施之一，脫硝裝置是煙氣凈化的第一級裝置，主要用于限制NOx的排放[1]。

原始的脫硝裝置采用的是粗放式運行，為了控制NOx，脫硝裝置往往噴氨過量，造成氨逃逸。逃逸的氨與煙氣中的SO3反應(yīng)生成NH4HSO4，當(dāng)煙溫在后續(xù)煙道降低時NH4HSO4就會附著在空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)和飛灰顆粒物表面，從而造成空預(yù)器的腐蝕和堵塞[2-4]。NH4HSO4還會沉積并積聚在催化劑表面，引起催化劑的失活[5]。氨逃逸還造成一定的資源浪費。因此，氨逃逸率作為脫硝運行狀況的重要指標(biāo)須由氨逃逸分析儀準(zhǔn)確測量。

1 氨逃逸分析儀基本原理

氨逃逸分析儀大多采取激光光譜測量或化學(xué)發(fā)光法測量技術(shù)。

1.1 激光光譜測量技術(shù)

激光光譜測量技術(shù)采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)[6]進行測量。當(dāng)激光二極管的光通過被測量氣體時，其波長可調(diào)諧成被測氣體的吸收波長，此光被調(diào)諧波長掃描，并由光二極管把透過的光信號記錄下來，由計算單元計算吸收光的信號大小，進而得到氣體的濃度[7-8]。

1.2 化學(xué)發(fā)光法測量技術(shù)

使用化學(xué)發(fā)光法測量的分析儀取樣探頭包含多個測量通道，分別為NO，NOx和NO-NO2-NH3通道[9]。NOx通道配置了轉(zhuǎn)換器，在325 ℃高溫下可將NO2轉(zhuǎn)換為NO。NO-NO2-NH3通道配置了轉(zhuǎn)換模塊，在750 ℃高溫下可將NO2和NH3轉(zhuǎn)換為NO。首先，外置蠕動泵抽取樣氣至3個不同的測量通道中，NO，NO2，NH3組分在對應(yīng)的測量通道內(nèi)轉(zhuǎn)化為NO后分別進入分析儀反應(yīng)室，轉(zhuǎn)換過程如式(1)—(3)，在反應(yīng)室中和分析儀內(nèi)部臭氧發(fā)生器生成的臭氧混合，NO與臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生受到激勵的NO2和一種特有的光hv，這種光的強度與NO的含量呈線性關(guān)系：當(dāng)受到激勵的NO2分子衰減至較低的能量狀態(tài)時便會發(fā)光，分析儀內(nèi)光電倍增管將會檢測這種光，轉(zhuǎn)而產(chǎn)生成比例的電信號，此電信號將由微處理器處理成NO含量讀數(shù)。通過3個測量通道，分別可以獲得NO，NOx(NO+NO2)和NOt(NO+NO2+NH3)的含量。此可以推得：NO2的含量由NOx通道獲得的含量減去NO通道獲得的含量；NH3含量由NO-NO2-NH3通道獲得的NOt含量減去NOx通道獲得的NOx含量。

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2 激光光譜測量技術(shù)及存在的問題

激光光譜測量技術(shù)又分為原位式安裝測量法和抽取冷凝測量法。

2.1 原位式安裝測量法

原位式安裝測量法利用發(fā)射端發(fā)出一束光源(如紅外光或紫外光)穿過被測介質(zhì)，根據(jù)其另一端接收或反射的情況進行測量?？v觀國外脫硝技術(shù)發(fā)展歷程，原位式安裝測量法的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但在實際應(yīng)用上還存在以下幾個方面的問題。

(1)由氨逃逸檢測裝置的測點位于電除塵器前，煙氣中粉塵量大、儀表的激光透射率不足，無法準(zhǔn)確測量。

(2)為解決在煙氣流動通道中透射率不足的問題，很多原位式分析儀采用了斜角安裝的方式。由于煙道在斜角處的流動性不強，存在煙氣流場分布不均等問題，加之儀表的激光光程短，使得測量數(shù)據(jù)忽高忽低，測量效果較差。

(3)分析儀包括發(fā)射端和反射端，振動、熱膨脹或沉降等原因會造成發(fā)射端與反射端不在同一直線上，出現(xiàn)激光對射不準(zhǔn)、儀表無讀數(shù)或數(shù)據(jù)跳變等情況，影響儀表的正常使用。

(4)煙氣通道粉塵含量大，分析儀的發(fā)射端與反射端探頭表面容易積灰，造成發(fā)射端與接收端鏡片堵塞，增加維護量(維護周期一般為1～2周)。

(5)原位測量需要對激光進行反射，而反射鏡片就安裝在探入煙氣通道內(nèi)部的分析儀前端，煙氣通道內(nèi)溫度變化頻繁會導(dǎo)致分析儀前端密封元件產(chǎn)生形變，容易使儀表前端鏡片磨損，分析儀的正常運行需要頻繁更換鏡片，鏡片壽命最多為3個月，更換費用在2萬～4萬元/次，一般每臺機組1年的維護費在8萬～16萬元，分析儀后期運行維護費用較高[9]。

2.2 抽取冷凝測量法

抽取冷凝測量法首先將樣氣經(jīng)過一級預(yù)處理裝置，濾除煙氣中的粉塵和水汽。其取樣點的選擇比原位式安裝測量法靈活，受煙道尺寸和布置的限制少，不足點是含高濃度粉塵的樣氣在探頭部分進行過濾時，煙氣中的NH3會被粉塵吸收掉一部分，使所測數(shù)值偏低，部分機組只能觀察其變化趨勢。在沒有修正曲線時，該測量安裝法無法反推實際煙道中準(zhǔn)確的NH3含量。另外預(yù)處理裝置的管路電伴熱[10]要求持續(xù)穩(wěn)定運行，如果電伴熱不能長期保證可靠的加熱，將導(dǎo)致煙氣取樣管路發(fā)生結(jié)露，影響測量結(jié)果。

3 化學(xué)發(fā)光法測量技術(shù)及存在的問題

化學(xué)發(fā)光法測量通過對多通道測量數(shù)據(jù)的對比將得出NH3含量，見式(1)—(3)。其在應(yīng)用上主要存在以下問題。

(1)相對于激光光譜測量法，化學(xué)發(fā)光法測量精度相對較高，但分析儀表位置的選擇往往對測量結(jié)果影響較大。

(2)對比國內(nèi)一些電廠的應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)，化學(xué)發(fā)光法分析儀需定期進行校準(zhǔn)，受NO-NO2-NH3轉(zhuǎn)化效率、溫度條件等因素影響的較大。

(3)化學(xué)發(fā)光法測量系統(tǒng)復(fù)雜，傳感器等易損易耗件多，維護量大且運行成本較高。

(4)多通道內(nèi)的樣氣可能存在交叉干擾。

(5)樣氣管路多且復(fù)雜，樣氣中存在NO，NO2，SO2，CO等刺激性或有毒氣體，對操作要求高，維護人員操作不當(dāng)可能吸入有毒氣體。

(6)樣氣中粉塵含量高，容易造成取樣管路及分析儀反應(yīng)室管路堵塞，因此該方法需要對樣氣進行稀釋，一般稀釋至50 ∶1或100 ∶1，但降低管路堵塞風(fēng)險同時將增加測量難度。

4 氨逃逸測量技術(shù)的3種優(yōu)化解決方案

4.1 近位多通道測量

近位多通道測量技術(shù)是在原位測量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。由于煙道截面尺寸較大，為使測量更具有代表性，在煙道截面設(shè)置多個取樣分析單元同時進行測量，并配置1臺分析儀為測量控制中心，如圖1所示。

近位多通道測量技術(shù)特點：(1)分析儀和測量單元分離，分析儀放置在室內(nèi)，改善了惡劣的測量環(huán)境；(2)取樣單元抽取煙氣直接進入樣氣室，不需要經(jīng)過伴熱管線，煙氣接觸的流路全程無冷點，避免氨氣吸附和損失，保證樣氣的真實性；(3)濾芯采用覆膜工藝制造，采取后置安裝方式，方便更換和清理；(4)每個取樣分析單元都設(shè)置自動反吹控制，反吹間隔、反吹時間可根據(jù)工況設(shè)置，有效避免濾芯堵塞；(5)單個測量控制中心可以控制1～6路取樣分析單元，可根據(jù)用戶需求配置。近位多通道測量技術(shù)成功地克服了原位測量的諸多缺點，但配置多個取樣分析單元的前期投入較大。

圖1 近位多通道測量構(gòu)造Fig.1 Near-position multi-channel measurement structure

4.2 多點取樣再混合測量

多點取樣再混合測量技術(shù)給用戶提供一個兼顧多通道取樣和減少分析儀前期投入的方案。目前大多用于脫硝優(yōu)化噴氨工藝，為提高脫硝噴氨效率提供了經(jīng)濟實用的方案。此測量方案的測量構(gòu)造如圖2所示：可以根據(jù)煙道尺寸和業(yè)主的要求，靈活、合理地布置多個取樣點進行監(jiān)測，探桿插入深度也可根據(jù)煙道寬度進行調(diào)整，取樣具有代表性；可設(shè)定多個監(jiān)測點，也可分時輪流取樣，多個監(jiān)測點同時混合取樣分析；監(jiān)測點的數(shù)據(jù)可以通過模擬量實時傳輸?shù)椒稚⒖刂葡到y(tǒng)(DCS)；利用激光光譜多次反射技術(shù)，光程可達30 m，極大地提高了測量精度和檢測下限；采用獨特的樣氣室設(shè)計，預(yù)留維護窗口，可以在不影響光路的情況下，對污染的光學(xué)器件進行清潔，維護更加方便快捷。

圖2 多點取樣再混合測量構(gòu)造Fig.2 Multi-point samplingand remixing measurement structure

4.3 網(wǎng)絡(luò)取樣測量

網(wǎng)絡(luò)取樣測量技術(shù)針對的是出口煙道較大、煙道環(huán)境復(fù)雜、對煙道監(jiān)測有更高要求的大型機組脫硝反應(yīng)器。網(wǎng)絡(luò)取樣管數(shù)量根據(jù)煙道截面大小及煙氣在煙道內(nèi)流場確定。如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)取樣裝置安裝在脫硝反應(yīng)器出口煙道，經(jīng)過回流母管與電除塵入口煙道連接，通過壓差帶動煙氣流動，煙氣在回流母管內(nèi)進行混合后再進入測量裝置進行取樣測量。此測量技術(shù)取樣口背向煙氣流向，取樣口大小根據(jù)煙道煙氣流速等參數(shù)確定，并做防磨處理，可有效防止煙灰沖刷腐蝕。網(wǎng)絡(luò)取樣測量優(yōu)點是測量精度高、重復(fù)性好、設(shè)備調(diào)試后后期維護非常方便，不足之處是脫硝反應(yīng)器出口平臺需要有足夠空間去引接煙氣測量通道，前期投入成本較高[10]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)取樣測量構(gòu)造Fig.3 Network sampling measurement structure

5 結(jié)束語

脫硝設(shè)備粗放式運行帶來了噴氨過量、空預(yù)器等下游設(shè)備的腐蝕及堵塞問題，而且還增加運營成本。目前國內(nèi)火電廠脫硝設(shè)備基本已經(jīng)告別粗放式運行階段。要解決脫硝噴氨過量問題，需準(zhǔn)確、持續(xù)可靠地測量出氨逃逸量。本文分析了氨逃逸常規(guī)測量方法存在的問題，并提出目前氨逃逸測量的3種優(yōu)化解決方案。有脫硝噴氨優(yōu)化改造需求的用戶可根據(jù)電廠實際煙氣工況選擇恰當(dāng)?shù)陌碧右轀y量方案，減少因分析儀選型不當(dāng)而造成后期運行成本增加或資源浪費。