基于原位取樣技術(shù)的氨逃逸分布式在線監(jiān)測(cè)儀表應(yīng)用

劉瑞鋒，周佩麗，劉天慶，賈志軍，彭志敏

(1.內(nèi)蒙古京能康巴什熱電有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084;3.北京新葉科技有限公司，北京 100083)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重[1]，國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視程度越來越高，GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求,燃煤電廠大氣污染物中NOx排放質(zhì)量濃度不高于100 mg/m3，部分地區(qū)的NOx排放質(zhì)量濃度不高于50 mg/m3[2]。為滿足逐漸嚴(yán)格的環(huán)保要求，目前電廠脫硝多采用選擇性催化還原技術(shù)(SCR)來控制NOx的排放[3-4]。在催化劑作用下，通過注入NH3與NOx反應(yīng)生成沒有污染的N2和H2O，該過程的化學(xué)反應(yīng)如下[5]。

4NO+ 4NH3+O2→4N2+ 6H2O

6NO+ 4NH3→5N2+ 6H2O

6NO2+ 8NH3→7N2+12H2O

2NO2+ 4NH3+O2→3N2+ 6H2O

由以上反應(yīng)式可知，當(dāng)注入的氨氣量過少，會(huì)因還原劑不足造成反應(yīng)不完全,使NOx的脫除率降低[6-7]，因此為保證較高的脫硝效率，勢(shì)必需要注入足夠的氨氣與NOx充分反應(yīng)。實(shí)際運(yùn)行中，入口NOx的分布不均勻或局部催化劑性能較差,都會(huì)造成脫硝出口NOx過高，但受目前技術(shù)無法評(píng)估NOx不均勻度及催化劑活性的限制，大部分電廠會(huì)采用增大噴氨量的方式，來盡量提高脫硝反應(yīng)效率，保證NOx排放達(dá)標(biāo)，從而造成過量的氨逃逸。過量的逃逸NH3會(huì)與煙氣中的SO3和H2O在低溫時(shí)發(fā)生反應(yīng)生成NH4HSO4，NH4HSO4具有高黏性和中度酸性，可黏結(jié)在催化劑表面造成催化劑中毒使脫硝效率降低，同時(shí)還會(huì)引發(fā)空預(yù)器堵塞和腐蝕[4,7-9]，進(jìn)一步引起排煙溫度升高，增大引風(fēng)機(jī)負(fù)荷甚至引發(fā)不必要的機(jī)組停機(jī)，嚴(yán)重影響脫硝機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[10-11]。因此為保護(hù)環(huán)境、降低電廠運(yùn)行成本，在保證NOx排放達(dá)標(biāo)的前提下控制氨逃逸量在火電機(jī)組運(yùn)行中極為重要，目前環(huán)保要求一般不大于2.28 mg/m3[12-14]。

目前SCR脫硝系統(tǒng)一般分為A、B側(cè)2個(gè)煙道，參與SCR脫硝反應(yīng)的氨氣通過2個(gè)支路閥門控制總噴氨量，經(jīng)過多個(gè)分支管道進(jìn)入噴氨格柵，實(shí)際運(yùn)行時(shí)受各支路管路特性、SCR流場(chǎng)分布及催化劑性能變化的影響，煙道中NOx分布不均勻[15]，為降低局部氨逃逸，同時(shí)保證脫硝反應(yīng)充分進(jìn)行，需根據(jù)流場(chǎng)分布及噴氨格柵對(duì)煙道進(jìn)行分區(qū)，針對(duì)各分區(qū)NOx值定期對(duì)各分支管路手動(dòng)閥門進(jìn)行調(diào)整或直接升級(jí)自動(dòng)閥門，根據(jù)出入口NOx值自動(dòng)調(diào)整噴氨量以保證各分區(qū)氨氮摩爾比處于正常范圍[7]。

因現(xiàn)有NOx測(cè)量?jī)x表均采用抽取式測(cè)量，造成延遲較大、現(xiàn)有氨逃逸測(cè)量技術(shù)受現(xiàn)場(chǎng)工況影響較大，難以保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，且大截面煙道單點(diǎn)式測(cè)量不具代表性，造成總閥門開度調(diào)整滯后嚴(yán)重且支路閥門調(diào)整無據(jù)可依，因此具有快速響應(yīng)的高精度分布式氨逃逸在線監(jiān)測(cè)成為精細(xì)化噴氨的關(guān)鍵和前提。

不同于原位對(duì)穿式測(cè)量?jī)x表和傳統(tǒng)抽取式測(cè)量?jī)x表，基于原位取樣技術(shù)的分布式氨逃逸監(jiān)測(cè)儀表因采用原位取樣測(cè)量方式，可保證測(cè)量工況與煙氣相同、測(cè)量數(shù)據(jù)不失真且取樣路徑極短，可保證響應(yīng)速度快，測(cè)量延遲小，同時(shí)配合多通道取樣探頭可同時(shí)測(cè)量不同分區(qū)的同步數(shù)據(jù)，通過各通道對(duì)應(yīng)分區(qū)氨逃逸測(cè)量值與各噴氨閥門所控制分區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系配合自動(dòng)閥門可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)噴氨閥門精細(xì)調(diào)整，保證各分區(qū)NOx反應(yīng)中所需的足夠氨氣，且氨逃逸量保持在較低水平。另外，本文提出基于原位取樣技術(shù)的氨逃逸分布式測(cè)量方法和分區(qū)NOx的噴氨閥門自動(dòng)控制策略，為優(yōu)化資源利用，降低電廠運(yùn)行成本提供一定參考。

1 高精度氨逃逸測(cè)量技術(shù)研究

1.1 現(xiàn)有氨逃逸測(cè)量技術(shù)

與NOx測(cè)量不同，SCR出口的氨逃逸量極小，文獻(xiàn)[16]中規(guī)定應(yīng)小于2.5 mg/m3，因此對(duì)氨逃逸的測(cè)量精度提出更高要求?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)測(cè)量技術(shù)是利用窄帶激光掃描待測(cè)氣體分子的特征吸收譜線來檢測(cè)痕量氣體的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，具有無需預(yù)處理、選擇性強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量[17]，因此目前主流氨逃逸測(cè)量?jī)x表均采用該測(cè)量技術(shù)，但在測(cè)量方式上不盡相同，目前常見的測(cè)量方式主要有3種：原位對(duì)穿式、抽取式和滲透管式測(cè)量方式[18]。由于氨氣本身具有易溶于水、易反應(yīng)、吸附性較強(qiáng)的特性，同時(shí)考慮國(guó)內(nèi)機(jī)組工況較為復(fù)雜，SCR出口煙氣粉塵含量較高，因此，氨逃逸的精確測(cè)量仍較為困難[10]，3種測(cè)量方式在實(shí)際運(yùn)行時(shí)也存在諸多問題。

1.1.1 原位對(duì)穿儀表分析

原位對(duì)穿式儀表測(cè)量原理如圖1所示，主要包括激光發(fā)射端、激光接收端和數(shù)據(jù)處理單元(分析儀)。激光發(fā)射單元和激光接收單元分別焊接在煙道兩側(cè)的安裝法蘭上，通過調(diào)整發(fā)射模塊，使激光直接穿過煙氣后由接收單元進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后傳輸至分析儀的數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行分析計(jì)算，完成非接觸測(cè)量。由于國(guó)內(nèi)燃煤電廠SCR出口粉塵含量較高，原位對(duì)穿儀表在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)激光無法穿過煙道的情況[10]，使激光接收單元無法探測(cè)到激光光強(qiáng)，同時(shí)由于煙道壁震動(dòng)較大，也使該測(cè)量方式調(diào)光困難，維護(hù)量極大。為解決以上問題，部分現(xiàn)場(chǎng)將原位對(duì)穿設(shè)備安裝在煙道一角通過縮短光程，同時(shí)增加中間管道的方式來降低煙氣中粉塵及煙道壁震動(dòng)對(duì)測(cè)量造成的影響。但由于煙道角落易成為煙氣死區(qū)，煙氣不更新或更新較慢，會(huì)使測(cè)量結(jié)果失去代表性，原位對(duì)穿儀表現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)情況如圖2所示。

圖1 原位對(duì)穿測(cè)量原理

圖2 原位對(duì)穿儀表現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)示意圖

1.1.2 傳統(tǒng)抽取式儀表分析

傳統(tǒng)抽取式測(cè)量?jī)x表測(cè)量原理如圖3所示，主要包括裝有過濾器的取樣單元、伴熱管線、多次反射池和分析儀4部分，取樣探頭與煙氣直接接觸，經(jīng)過濾器過濾后，通過伴熱管線將煙氣傳輸至分析儀，經(jīng)多次反射測(cè)量腔體。因一般伴熱管線的伴熱溫度最高只能到220 ℃左右，而氨氣在低于300 ℃時(shí)，易與煙氣中的H2O和SO3反應(yīng)生成NH4HSO4[19]，同時(shí)因氨氣易吸附在伴熱管線內(nèi)，使實(shí)際測(cè)量結(jié)果失真。另外，由于取樣管路較長(zhǎng)，也會(huì)造成測(cè)量的延遲[5]。

圖3 抽取式儀表測(cè)量原理

1.1.3 滲透管式測(cè)量?jī)x表

滲透管取樣測(cè)量?jī)x表測(cè)量原理如圖4所示，采用原位式測(cè)量可保證測(cè)量樣氣與煙氣工況一致，利用自然滲透更新煙氣，因整個(gè)測(cè)量腔體采用類似濾芯結(jié)構(gòu)，比表面積大，造成實(shí)際運(yùn)行時(shí)氨氣吸附嚴(yán)重，且吸附量與煙道內(nèi)部溫度相關(guān)：當(dāng)溫度較低時(shí)，氨氣吸附在濾芯小孔內(nèi)表面，造成實(shí)際測(cè)量值偏低；當(dāng)溫度上升后，吸附于濾芯的氨氣又被釋放出來，造成測(cè)量值升高，最終測(cè)量結(jié)果與負(fù)荷存在一定相關(guān)性；另外，隨使用時(shí)間延長(zhǎng)，滲透管堵塞會(huì)造成樣氣更新速率降低，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)延遲。

圖4 滲透管式儀表測(cè)量原理

1.2 基于原位取樣技術(shù)的分布式在線測(cè)量技術(shù)

通過對(duì)3種測(cè)量方式的分析，對(duì)比原位對(duì)穿及傳統(tǒng)抽取式測(cè)量方案的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了由清華大學(xué)和北京新葉科技有限公司聯(lián)合研制基于原位取樣技術(shù)的分布式氨逃逸在線監(jiān)測(cè)儀表(NLAM1512-2)，該監(jiān)測(cè)儀表包括多通道測(cè)量分析單元及多路取樣探頭[20-23]。各路取樣探頭焊接于煙道壁的安裝法蘭上，保證取樣單元位于煙道內(nèi)部，多通道測(cè)量分析單元通過激光控制器發(fā)出特定波長(zhǎng)的激光，經(jīng)過激光分束器分束后，一束激光進(jìn)入?yún)⒈葐卧獙?shí)時(shí)鎖定氨氣對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)，另外幾束激光由光纖傳輸至各通道對(duì)應(yīng)取樣探頭的激光發(fā)射模塊后進(jìn)入測(cè)量腔體，經(jīng)過氨氣吸收后被置于探頭頂部的高精度反射鏡返回再次經(jīng)過氨氣吸收，最終被激光接收單元探測(cè)后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將測(cè)量信號(hào)傳輸至測(cè)量分析單元進(jìn)行檢測(cè)，通過分析測(cè)量腔體側(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)比參比模塊數(shù)據(jù)反演計(jì)算出各通道對(duì)應(yīng)分區(qū)煙氣中氨氣的質(zhì)量濃度。該測(cè)量原理如圖5所示。

圖5 原位取樣式儀表測(cè)量原理

與上文3種測(cè)量方式對(duì)比，該原位取樣測(cè)量方式結(jié)合了原位對(duì)穿儀表同工況測(cè)量、滲透管測(cè)量方式光路穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了原位對(duì)穿儀表激光透過率低、光路不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，消除了氨氣管路吸附的影響，大大降低了長(zhǎng)伴熱管路造成的測(cè)量失真及延遲；與滲透管測(cè)量方式對(duì)比，采用了極小的煙氣過濾裝置，比表面積小，且內(nèi)置自動(dòng)吹掃單元定期對(duì)濾芯進(jìn)行吹掃，進(jìn)一步減少了儀表的維護(hù)量；同時(shí)測(cè)量腔體與煙氣接觸部分采用了對(duì)氨氣低吸附的內(nèi)襯，大大降低了氨氣取樣過程中表面吸附造成的測(cè)量誤差。

另外，因各通道對(duì)應(yīng)的取樣探頭均采用原位取樣方式，內(nèi)置無動(dòng)力抽氣裝置，取樣路徑極短且無外部氣路，取樣速度快，響應(yīng)時(shí)間短，可對(duì)各分區(qū)氨逃逸的波動(dòng)迅速做出響應(yīng)，為后續(xù)噴氨閥門的自動(dòng)控制提供了測(cè)量基礎(chǔ)。且各路探頭共用同一個(gè)數(shù)據(jù)分析單元，通過信號(hào)線纜連接，因此可保證各個(gè)取樣探頭測(cè)量數(shù)據(jù)為同一時(shí)間數(shù)據(jù)，且無設(shè)備差異造成的測(cè)量偏差，進(jìn)一步保證了測(cè)量值的同步性、對(duì)比性和有效性，反映出同一時(shí)刻不同分區(qū)的氨逃逸分布。該測(cè)量方案如圖6所示。

圖6 分布式測(cè)量方案

2 工程應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

為保證測(cè)量數(shù)據(jù)具有代表性，測(cè)點(diǎn)一般選取位置為脫硝后直管段，避開彎管、變徑煙道以保證流場(chǎng)及煙氣成分分布更均勻，根據(jù)2臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)情況選取SCR脫硝后豎直段煙道，其截面尺寸長(zhǎng)11 m、寬5 m，綜合考慮噴氨閥門及噴氨格柵管路布置，最終確定每臺(tái)機(jī)組單側(cè)煙道安裝2個(gè)氨逃逸測(cè)點(diǎn)，電廠1號(hào)、2號(hào)共2臺(tái)機(jī)組各安裝2套一拖二型號(hào)儀表，其安裝位置為煙道截面寬度11 m壁面的三等分點(diǎn)處，安裝測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。

圖7 儀表安裝位置

2.2 運(yùn)行效果

儀表完成安裝調(diào)試后，將數(shù)據(jù)傳輸至DCS，通過調(diào)取歷史運(yùn)行曲線，如圖8—圖11所示，分別對(duì)應(yīng)1號(hào)機(jī)組A側(cè)、B側(cè)數(shù)據(jù)，2號(hào)機(jī)組A側(cè)、B側(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)比各測(cè)點(diǎn)及NOx出口、NOx入口數(shù)據(jù)和噴氨量可看出各個(gè)測(cè)點(diǎn)均可精確反饋出氨逃逸的測(cè)量趨勢(shì)，相關(guān)性明顯。

a.如圖8所示，當(dāng)噴氨量及出口NOx工況穩(wěn)定時(shí)，氨逃逸測(cè)量值與入口NOx成反比；未噴氨時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)為零，氨氣過噴工況儀表也可精確捕捉到且趨勢(shì)明顯。

b.如圖9—圖11所示，當(dāng)出口NOx和入口NOx穩(wěn)定時(shí)，氨逃逸測(cè)量值與噴氨量成正比。

c.如圖8—圖11所示，2臺(tái)機(jī)組測(cè)點(diǎn)2的氨逃逸值均高于測(cè)點(diǎn)1，氨逃逸分布不均勻，且規(guī)律相似，可能受流場(chǎng)影響較大；且同機(jī)組同一時(shí)間不同煙道分布也不均勻。

圖8 1號(hào)機(jī)組A側(cè)數(shù)據(jù)

圖9 1號(hào)機(jī)組B側(cè)數(shù)據(jù)

圖10 2號(hào)機(jī)組A側(cè)數(shù)據(jù)

圖11 2號(hào)機(jī)組B側(cè)數(shù)據(jù)

3 基于氨逃逸測(cè)量的噴氨閥門自動(dòng)控制策略

在脫硝系統(tǒng)中，為保證脫硝效率穩(wěn)定在較高水平，一般根據(jù)機(jī)組負(fù)荷及出入口NOx參數(shù)對(duì)噴氨總閥門開度進(jìn)行調(diào)整，但是由于取樣方式(單點(diǎn)、抽取式測(cè)量)和自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的延遲性及非線性的特點(diǎn)，SCR出入口的NOx質(zhì)量濃度無法準(zhǔn)確及時(shí)進(jìn)行測(cè)量[20]，且單一的回路控制很難滿足脫硝精細(xì)化噴氨的需求，目前，為深度控制NOx排放，很多電廠已升級(jí)改造NOx分區(qū)同步測(cè)量系統(tǒng)[19]，通過流場(chǎng)模擬技術(shù)對(duì)噴氨格柵進(jìn)行網(wǎng)格劃分，改造噴氨閥門為自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，并與SCR出口分區(qū)測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，對(duì)脫硝出口NOx進(jìn)行分區(qū)同步測(cè)量反饋后，對(duì)各分區(qū)對(duì)應(yīng)自動(dòng)噴氨閥門開度進(jìn)行閉環(huán)校正，以保證每個(gè)分區(qū)的NOx排放值均處在環(huán)保限值內(nèi)，為進(jìn)一步優(yōu)化資源利用，同時(shí)降低因氨逃逸率較高引起的催化劑活性降低及空預(yù)器堵塞造成的運(yùn)行成本升高，可增加基于原位取樣技術(shù)的分區(qū)氨逃逸率監(jiān)測(cè)對(duì)各分區(qū)噴氨閥門開度進(jìn)行進(jìn)一步閉環(huán)校正，因原位取樣儀表響應(yīng)速度快，可最大程度降低因NOx監(jiān)測(cè)儀表測(cè)量延遲造成的控制滯后帶來的波動(dòng)，其控制策略如圖12所示。

圖12 基于分區(qū)NOx和分區(qū)氨逃逸控制策略

4 結(jié)論

a.NLAM1512-2型氨逃逸分布式在線監(jiān)測(cè)儀表采用原位取樣方式進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合原位對(duì)穿式、傳統(tǒng)抽取式及滲透管測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)電廠SCR脫硝出口高粉塵、震動(dòng)工況環(huán)境有很好的適用性。

b.該應(yīng)用因采用分布式多點(diǎn)取樣方案對(duì)煙道截面不同分區(qū)同步采樣可反映各分區(qū)的實(shí)時(shí)同步測(cè)量結(jié)果，通過分析測(cè)量數(shù)據(jù)證明同一機(jī)組不同煙道，同一煙道不同位置氨逃逸表現(xiàn)不均勻，此測(cè)量數(shù)據(jù)可精確反映脫硝后各分區(qū)氨逃逸率，使測(cè)量結(jié)果更具代表性。

c.通過對(duì)1號(hào)、2號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，氨逃逸測(cè)量值與脫硝入口NOx、脫硝出口NOx及噴氨量相關(guān)性較為明顯，可為后期脫硝優(yōu)化分區(qū)噴氨控制提供數(shù)據(jù)參考，進(jìn)一步指導(dǎo)精細(xì)化噴氨，降低NOx排放。

d.可對(duì)脫硝系統(tǒng)故障(催化劑中毒、噴氨管路堵塞等)的原因分析提供參考，進(jìn)一步降低因氨逃逸率過大造成硫酸氫銨生成后引起的運(yùn)行及維護(hù)成本。