應(yīng)　靖　 閆　軍

(1.南京化學(xué)工業(yè)園熱電有限公司.南京. 210047；北京航天益來(lái)電子科技有限公司,北京.100041)

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脫硝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氨濃度的測(cè)量

應(yīng)靖1閆軍2

(1.南京化學(xué)工業(yè)園熱電有限公司.南京. 210047；北京航天益來(lái)電子科技有限公司,北京.100041)

摘要：針對(duì)脫硝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氨濃度測(cè)量存在的技術(shù)難題進(jìn)行了技術(shù)改造，提出抽取式旁路測(cè)量裝置的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，工程試驗(yàn)結(jié)果表明，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氨濃度的穩(wěn)定測(cè)量。

關(guān)鍵詞：脫硝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氨逃逸抽取式旁路測(cè)量裝置

1概 述

“十一五”期間，火電廠尾氣排放氮氧化物占到全國(guó)氮氧化物排放總量的38%，在國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃中，環(huán)境保護(hù)主要目標(biāo)要將氮氧化物排放總量降低10%(即從2010年的2273.6萬(wàn)噸降低到2015年的2046.2萬(wàn)噸)，因此，降低火電廠尾氣氮氧化物排放，是治理和降低氮氧化物排放量的重中之重，火電廠實(shí)施脫硝改造是減少氮氧化物排放的主要措施。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)用于煙氣脫硝的主要技術(shù)為選擇性催化還原法(SCR)和非選擇性催化還原法(SNCR)。

1.1選擇性催化還原法(SCR)

選擇性催化還原法原理是：向反應(yīng)器內(nèi)投放氨，使之在催化劑的作用下與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成水和氮?dú)?。在這種情況下，控制好氨的注入量和氨在反應(yīng)區(qū)空間的分布是脫硝效果好壞的關(guān)鍵。投放的氨量過(guò)少，煙氣中大量的氮氧化物沒有及時(shí)反應(yīng)而排放到大氣中，沒有很好起到脫硝的目的；投放的氨量過(guò)大，就會(huì)有氨逃逸出反應(yīng)區(qū)，并在工藝流程中與SO2、SO3、H2O反應(yīng)生成硫酸銨和硫酸氫銨，堵塞催化劑，使催化劑失效，還有可能腐蝕和嚴(yán)重影響下游設(shè)備的安全運(yùn)行，例如使空預(yù)器的阻力增大，甚至堵塞。

1.2非選擇性催化還原法(SNCR)

非選擇性催化還原法原理是：把含氨基的還原劑噴入到鍋爐爐膛中,還原劑快速熱解成NH3,將煙氣中的NOx還原成N2和H2O。SNCR技術(shù)的NOx 脫除率較低(一般<30%) ,而氨的逃逸率卻較高，會(huì)造成鍋爐空預(yù)器堵塞。

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn) HJ 562-2010《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范選擇性催化還原法》8.2.2條款的規(guī)定：“反應(yīng)器出口煙氣連續(xù)檢測(cè)裝置至少應(yīng)包含以下測(cè)量項(xiàng)目：NOx 濃度(以 NO計(jì))、煙氣含氧量、 氨逃逸濃度?！币虼藶楸ＷC鍋爐及脫硝系統(tǒng)設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)脫硝系統(tǒng)出口的氨逃逸濃度進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)十分必要。

2微量氨逃逸濃度測(cè)量技術(shù)

2.1原位安裝激光光譜分析

原位安裝激光光譜分析采用調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)。主要生產(chǎn)公司有：ABB公司(LS25，圖1)、西門子公司(LDS6，圖2)、挪威NEO公司(servomex 2930，圖3)、加拿大優(yōu)勝公司。日本的富士公司國(guó)內(nèi)燃煤電廠在脫硝監(jiān)測(cè)中廣泛使用原位安裝的激光分析儀。由于脫硝SCR出口煙道流通面積較大，再加上煙氣中粉塵含量很高，缺乏均一性，導(dǎo)致原位安裝的激光分析儀激光透過(guò)率很小，無(wú)法正常連續(xù)、準(zhǔn)確檢測(cè)煙氣中逃逸氨濃度；有的地方采用角安裝的方式，雖然可以保證激光透過(guò)率，但測(cè)量的數(shù)據(jù)的代表性降低。

圖1　ABB　 LS25

圖2　西門子　 LDS6

圖3　servomex　2930

2.2原位安裝插入式紫外光譜分析

原位安裝插入式紫外光譜分析利用在一定波長(zhǎng)的紫外光照射下，引起分子中電子能級(jí)的躍遷，從而產(chǎn)生分子的電子吸收光譜原理進(jìn)行氨逃逸濃度的測(cè)量。主要生產(chǎn)公司有德國(guó)SICK公司(GM31，圖4)。

圖4　德國(guó)SICK　GM31

2.3高溫完全抽取+化學(xué)發(fā)光差值計(jì)算法

高溫完全抽取+化學(xué)發(fā)光差值計(jì)算法將煙氣抽取出來(lái)后，然后通過(guò)轉(zhuǎn)化器將NH3轉(zhuǎn)化為NO，利用化學(xué)熒光法檢測(cè)微量NO，再轉(zhuǎn)換成氨的值。這種方法存在轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化效率問題，另外，在樣氣取樣過(guò)程中，還存在水分對(duì)微量氨的吸收以及微量氨的反應(yīng)轉(zhuǎn)化等問題，主要生產(chǎn)公司有日本HORIBA公司(ENDA-C2000，圖5)。

圖5　日本HORIBA ENDA-C2000

2.4高溫稀釋抽取+化學(xué)發(fā)光差值計(jì)算法

高溫稀釋抽取+化學(xué)發(fā)光差值計(jì)算法的原理與高溫完全抽取+化學(xué)發(fā)光差值計(jì)算法相同，只不過(guò)將煙氣抽取出來(lái)并稀釋后進(jìn)行分析，主要生產(chǎn)公司有美國(guó)熱電公司。

2.5高溫抽取+傅里葉紅外分析

可同時(shí)測(cè)量NO、NO2、O2、NH3,，但是系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高，對(duì)維護(hù)人員技術(shù)水平要求高。主要生產(chǎn)公司有：ABB公司。目前國(guó)內(nèi)也有公司生產(chǎn)，例如南京霍普斯科技有限公司。

2.6高溫射流抽取+激光光譜分析

將煙氣抽取到旁路測(cè)量裝置，通過(guò)安裝在旁路測(cè)量裝置上的激光光譜分析儀測(cè)量氨逃逸濃度。由于高溫射流抽取，能確保樣氣不損失；由于采樣無(wú)機(jī)械部件，能裝置運(yùn)行長(zhǎng)久、可靠；由于煙道內(nèi)探頭處加裝了過(guò)濾器，為此進(jìn)入旁路測(cè)量裝置的煙氣克服了高粉塵對(duì)激光光譜分析儀器的干擾；旁路測(cè)量裝置設(shè)置了標(biāo)定口，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線標(biāo)定功能，北京航天益來(lái)科技有限公司已研發(fā)成功該抽取式旁路測(cè)量裝置并在部分電廠成功投入運(yùn)行。

3氨逃逸濃度測(cè)量現(xiàn)狀

目前市場(chǎng)上主流的氨逃逸率在線測(cè)量?jī)x表測(cè)量原理有激光測(cè)量法和氣體抽取法。激光測(cè)量法在大多數(shù)電廠選用的是西門子LDS6，但使用情況普遍反映不太理想，主要現(xiàn)象為測(cè)量數(shù)據(jù)呈恒定直線且不隨噴氨量變化；不同運(yùn)行工況(如：負(fù)荷、煤種、風(fēng)量變化等)時(shí)需對(duì)儀表參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定；儀表設(shè)置復(fù)雜，通常只能由西門子技術(shù)服務(wù)工程師完成；挪威產(chǎn)的NEO LaserGasII激光氣體分析儀在上海漕涇電廠、平海電廠和臺(tái)山電廠也有應(yīng)用。

南京化學(xué)工業(yè)園熱電有限公司4#機(jī)脫硝裝置氨逃逸率表采用西門子LDS 6一拖二激光分析儀，儀表采用纖維光學(xué)和紅外二極管激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，中心單元通過(guò)光纖與現(xiàn)場(chǎng)傳感器分隔開無(wú)需采樣，分析儀安裝在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)柜中。2009年8月4#機(jī)組脫硝裝置與主機(jī)一同投入商業(yè)運(yùn)行，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)氨逃逸率表測(cè)量不準(zhǔn)，噴氨量改變時(shí)逃逸率表計(jì)輸出沒有變化。廠家人員多次進(jìn)行改造后仍然未消除缺陷，實(shí)施的改造方法包括在煙道內(nèi)加裝一根有孔的管道，保證激光束在管道內(nèi)；將測(cè)量裝置從煙道兩側(cè)移至煙道一角，減少測(cè)量裝置之間的距離等，但均未有效解決問題。

4氨逃逸濃度測(cè)量存在問題原因分析

通過(guò)對(duì)設(shè)備的反復(fù)觀察及分析，認(rèn)為造成氨逃逸率表測(cè)量不準(zhǔn)的原因主要有如下兩條：

(1)在不同負(fù)荷下煙道膨脹發(fā)生變化，造成安裝在煙道上的發(fā)射端發(fā)出的激光射線未很好對(duì)準(zhǔn)接收端。

(2)煙道中煙氣含塵量大，造成激光穿透煙氣困難。

5氨逃逸濃度測(cè)量技術(shù)改進(jìn)

針對(duì)脫硝氨逃逸濃度測(cè)量存在的問題，國(guó)內(nèi)許多單位進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，主要試驗(yàn)情況如下：

(1)上海漕涇電廠采用在煙道上斜角安裝方式(見圖6)，從曲線(見圖7)看調(diào)節(jié)閥在自動(dòng)時(shí)，閥門開關(guān)波動(dòng)幅度較大，氨逃逸率曲線基本符合調(diào)節(jié)閥開度變化。但由于無(wú)法實(shí)施在線校驗(yàn)，為此儀表測(cè)量準(zhǔn)確性尚待驗(yàn)證。

圖6　NEO LaserGasII激光氣體分析儀安裝示意圖(上海漕涇電廠)

圖7　上海漕涇電廠曲線圖

(2)北京航天益來(lái)電子科技有限公司采用了氣體抽取法進(jìn)行測(cè)量，分析儀采用法國(guó)ESA公司生產(chǎn)的MIR9000H型GFC紅外多氣體分析儀，主要原理為將煙氣加熱并抽取到紅外氣體分析室對(duì)NH3進(jìn)行測(cè)量。在我公司`2#爐脫硝進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于NH3濃度低且易溶于水，再加上點(diǎn)測(cè)量，因此測(cè)量偏差較大。

(3)北京航天益來(lái)電子科技有限公司經(jīng)過(guò)研究提出將煙氣通過(guò)抽取式旁路測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)方案，并在我公司4#爐B側(cè)脫硝SCR出口進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)西門子氨逃逸率儀表透光率(約230units)達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，儀表測(cè)量恢復(fù)，旁路測(cè)量裝置具備在線校驗(yàn)功能，為判斷儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性創(chuàng)造了條件。但由于西門子氨逃逸率表自身測(cè)量存在不穩(wěn)定性，測(cè)量數(shù)據(jù)尚存在周期性的跳變現(xiàn)象。

6抽取式旁路測(cè)量裝置

CYA-CMN01抽取式旁路測(cè)量裝置有由北京航天益來(lái)電子科技有限公司研發(fā)，主要由采樣探頭、測(cè)量室、電控箱、手動(dòng)球閥、氣動(dòng)采樣泵、伴熱管線等組成。各部分功能及特點(diǎn)如下：

(1)采樣探頭安裝在煙道上，設(shè)計(jì)有一個(gè)高精度(0.3μm)、低氣流阻力的疏水過(guò)濾器，對(duì)樣氣粉塵進(jìn)行高效過(guò)濾處理，確保不污染測(cè)量室。采樣探頭采用過(guò)濾元件內(nèi)置(過(guò)濾器安裝在煙道內(nèi))，使得煙塵的過(guò)濾在煙氣進(jìn)入探頭之前進(jìn)行，同時(shí)充分利用煙道內(nèi)部自身的煙氣沖刷，免去了探頭粉塵堵塞之苦，同時(shí)可以省去探頭的反吹，減少了現(xiàn)場(chǎng)的使用維護(hù)量。

(2) 測(cè)量室是整套裝置的核心部件，兩端設(shè)計(jì)有法蘭用來(lái)安裝激光分析儀，中間段是測(cè)量腔，是激光分析儀進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)環(huán)節(jié)。測(cè)量腔一端連接手動(dòng)球閥，是樣氣進(jìn)口；一端連接氣動(dòng)采樣泵，是樣氣出口。整個(gè)測(cè)量室、手動(dòng)球閥及氣動(dòng)采樣泵均放置于一個(gè)加熱、保溫箱內(nèi)。

(3)電控箱主要用來(lái)控制采樣探頭和保溫箱的加熱與保溫。

(4)動(dòng)球閥主要功能是切換采樣和標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)激光分析儀的在線手動(dòng)標(biāo)定。

(5)氣動(dòng)采樣泵是整套裝置的動(dòng)力源，其作用是將煙道內(nèi)煙氣抽取到測(cè)量室內(nèi)，以標(biāo)準(zhǔn)氣般的品質(zhì)供激光分析儀檢測(cè)。

(6)伴熱管線確保了樣氣在傳輸過(guò)程中處于加熱狀態(tài)。

(7)在激光分析儀防塵鏡部分還加裝了加熱套，確保了激光分析儀部分不會(huì)有冷凝水析出污染防塵鏡片。

CYA-CMN01抽取式旁路測(cè)量裝置的樣氣流通路徑均處于加熱狀態(tài)，確保了樣氣傳輸過(guò)程中不會(huì)因冷凝出水而導(dǎo)致樣氣中逃逸氨被吸收而流失；樣氣流經(jīng)管線(無(wú)論是采樣探頭還是測(cè)量室)均經(jīng)過(guò)特殊工藝處理，確保樣氣傳輸過(guò)程中不會(huì)發(fā)生逃逸氨的催化轉(zhuǎn)化，保證了激光分析儀檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映煙道內(nèi)煙氣的逃逸氨含量，圖8為原理圖，圖9為設(shè)備圖，圖10為設(shè)備內(nèi)部圖。

圖8　煙氣旁路測(cè)量裝置原理圖

圖9　煙氣旁路測(cè)量裝置設(shè)備圖

圖10　煙氣旁路測(cè)量裝置設(shè)備內(nèi)部圖

為了對(duì)CYA-CMN01抽取式旁路測(cè)量裝置的性能進(jìn)行測(cè)試，2012年3月份我公司在4#爐B側(cè)脫硝SCR出口同時(shí)安裝了3套CYA-CMN01抽取式旁路測(cè)量裝置，配裝的激光分析儀分別為、ABB公司的LS25激光分析儀(圖11)、富士公司的ZSS激光分析儀(圖11)和西門子公司的LDS6激光分析儀(圖12)。

圖11　富士公司ZSS激光分析儀(上)、 ABB公司LS25激光分析儀(下)

圖12　西門子公司LDS6激光分析儀

從西門子儀表數(shù)據(jù)看，光的透過(guò)率達(dá)到了230units，而在線式測(cè)量20units都是非常奢望的數(shù)值，可見煙塵的影響被完全排除了，這一技術(shù)進(jìn)展非常重要，提高了分析儀穩(wěn)定工作的能力。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)期間(2012年3月～7月)，過(guò)濾器僅清理了一次，檢查中發(fā)現(xiàn)透光鏡片幾乎沒有污染，因此改造裝置除塵效果非常理想，少維護(hù)始終是本行業(yè)集中關(guān)注和長(zhǎng)期追求的工程應(yīng)用目標(biāo)，見圖13。

圖13　西門子氨逃逸率表試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在3家設(shè)備同時(shí)測(cè)量期間，發(fā)現(xiàn)富士的ZSS氨逃逸測(cè)量設(shè)備在絕大多數(shù)的時(shí)間里是測(cè)量不到數(shù)據(jù)的，這樣的情況在向廠家反映后，他們也來(lái)現(xiàn)場(chǎng)檢查過(guò)，最終確定設(shè)備可能存在一些技術(shù)問題，需要回廠再調(diào)試。圖14為3套氨逃逸率儀表試驗(yàn)期間測(cè)量值，圖15為試驗(yàn)曲線，ABB的LS25從圖上反映的數(shù)據(jù)來(lái)看是比較平穩(wěn)的。圖15中最上方曲線為西門子的氨逃逸歷史曲線，中間一松曲線為ABB的氨逃逸歷史曲線，最下面曲線為富士的氨逃逸歷史曲線。

圖14　3套氨逃逸率儀表試驗(yàn)期間測(cè)量值

圖15　試驗(yàn)曲線

2012年5月9日氨濃度、噴氨流量及噴氨調(diào)整門開度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線見圖16。

圖16　氨濃度與噴氨量曲線

2012年5月26日氨濃度、噴氨流量及出口氮氧化物值的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖17。

圖17　氨濃度與氮氧化物曲線

2012年7月5日對(duì)分析儀進(jìn)行了標(biāo)定檢查(測(cè)量光程：1.1m；測(cè)量溫度：250℃；透光率：約230units)，標(biāo)定數(shù)據(jù)及曲線見表1。

表1　表名

圖18為氨逃逸率表旁路測(cè)量裝置標(biāo)定曲線，圖中的坐標(biāo)系Y軸最大30×10-6。這是一個(gè)完整的標(biāo)定曲線，可以非常明顯的看到標(biāo)氣通入的上升沿和下降沿，標(biāo)氣流經(jīng)的曲線非常清晰。標(biāo)氣在通入標(biāo)定池一端時(shí)間后達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)，波動(dòng)范圍很小。

圖18　氨逃逸率表旁路測(cè)量裝置標(biāo)定曲線

7結(jié) 論

根據(jù)國(guó)務(wù)院2011年8月印發(fā)的《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，我國(guó)氮氧化物排放總量將控制在2046.2萬(wàn)噸，比2010年的2273.6萬(wàn)噸下降10%，因此對(duì)脫銷CEMS裝置的監(jiān)管力度勢(shì)必將不斷增加。脫硝裝置氨逃逸濃度長(zhǎng)期無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量已對(duì)鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，同時(shí)也不利于脫硝系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為此必須盡快解決脫硝氨逃逸濃度測(cè)量問題，我公司通過(guò)對(duì)北京航天益來(lái)電子科技有限公司CYA-CMN01抽取式旁路測(cè)量裝置的試驗(yàn)運(yùn)行，可以得出如下技術(shù)結(jié)論：

(1)CYA-CMN01抽取式旁路測(cè)量裝置配合激光光譜分析儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)SCR出口逃逸氨濃度的在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，解決了氨逃逸率儀表受粉塵影響無(wú)法正常工作的技術(shù)難題，具有重要意義。

(2)CYA-CMN01抽取式旁路測(cè)量裝置中的高精度疏水過(guò)濾器的粉塵過(guò)濾精度高、且氣流阻力小，可高效濾除樣氣粉塵，為激光分析儀的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好條件。

(3)CYA-CMN01抽取式旁路測(cè)量裝置可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)激光分析儀的在線標(biāo)定，便于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)激光分析儀，減少維護(hù)工作量，突破了目前氨逃逸率儀表無(wú)法比對(duì)的技術(shù)難題。

抽取式旁路測(cè)量裝置的成功研制，為脫硝SCR出口微量逃逸氨的在線連續(xù)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)提供了一種全新的創(chuàng)造性的解決方案，已在多個(gè)工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中被多家知名企業(yè)認(rèn)可，有望成為今后SCR出口微量逃逸氨在線連續(xù)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的主流方案之一。

收稿日期：2015-05-27

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.01.016

作者簡(jiǎn)介：應(yīng)靖，男，工程師，南京化學(xué)園熱電有限公司，E-mail：yj928156@sina.com 。