郝志國，宋艷珂

(鄭州光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001)

基于TDLAS技術的氨逃逸檢測設備研究

郝志國，宋艷珂

(鄭州光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001)

針對SCR脫硝工藝中氨逃逸檢測現(xiàn)場高溫、高塵等復雜環(huán)境情況，分析了利用TDLAS技術的原位測量和抽取伴熱測量等方式的優(yōu)缺點，并介紹了AEMS10氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)的單端插入原位封閉腔測量方式的技術特點和現(xiàn)場應用對比驗證情況。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)完全滿足SCR脫硝工藝中氨逃逸檢測現(xiàn)場復雜工況的要求，可以長期、穩(wěn)定、可靠地運行。

脫硝；氨逃逸檢測；單端插入原位封閉腔式

1 背景

我國在《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》中明確提出了氮氧化物排放濃度不高于50 mg/m3的要求，作為火電廠氮氧化物減排主要手段之一的煙氣脫硝，就顯得尤為重要。

SCR煙氣脫硝工藝是一種對煤燃燒后的煙氣進行處理，以降低煙氣中氮氧化物排放量的技術，即通過在合適的溫度(300—420 ℃)下向有催化劑的反應器里噴入適量的氨，以減少氮氧化物的排放量。噴氨后會產(chǎn)生如下化學反應:

為保證較高的脫硝效率，煙氣脫硝工藝中多采用閉環(huán)控制脫硝工藝，利用出口逃逸氨氣的濃度來反饋控制脫硝反應中的噴氨量；這樣既可使氮氧化物脫除效率控制在合理水平，同時又避免噴入過量的氨。若噴入過量的氨，煙氣中的NH3，H2O和SO3等就會反應生成銨鹽——硫酸氫銨，即發(fā)生如下不良反應：

硫酸氫銨具有很強的粘性，易在設備表面形成液態(tài)懸浮顆粒。當溫度降低時，硫酸氫銨會吸收煙氣中的水分，形成腐蝕性溶液。在溫度較低的催化劑表面，煙氣中硫酸氫銨會堵塞催化劑，造成催化劑失活，增加反應器的壓損。煙氣中的硫酸氫銨在經(jīng)過后續(xù)設備時，會在溫度較低的空氣預熱器熱交換表面沉積，增大壓降，降低空氣預熱器的效率，進而影響機組的安全運行。

根據(jù)有關報告，當SCR脫硝反應器出口煙氣的氨逃逸控制在2—3 ppm(1 ppm=0.001 ‰)時，可延長空氣預熱器的檢修周期，確保相關設備的正常穩(wěn)定運行。故通過對SCR脫硝反應器出口煙氣中氨逃逸量進行實時在線精確測量，不僅可以判斷脫硝裝置是否發(fā)生故障，還可以在滿足氮氧化物排放的基礎上精準控制噴氨量，確保機組安全經(jīng)濟運行。

2 基于TDLAS技術的氨測量

由于煙道中氨逃逸量極低(僅為幾個ppm)，又極易與煙氣中的H2O和SO3反應生成硫酸氫銨，再加上氨氣的吸附性極強、極易溶于水，且脫硝裝置運行于振動、高塵、工控不穩(wěn)定等復雜環(huán)境下，使得普通的電化學、紅外和紫外等常規(guī)測量方法都不適用于氨逃逸檢測。

可調(diào)諧激光光譜分析(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)技術利用窄帶激光掃描氣體分子的吸收譜線，通過分析被氣體分子吸收后的激光強度得到待測氣體濃度等參數(shù)，如圖1所示。與傳統(tǒng)紅外光譜技術不同，半導體激光光源的光譜寬度遠小于特定氣體吸收譜線寬度，可以避免背景氣體間的交叉干擾。由于TDLAS技術具有抗干擾能力強、非接觸式測量、響應速度快和靈敏度高等特點，使得該技術已成為氨逃逸在線檢測的主流方法。

圖1 TDLAS技術窄帶激光掃描

2.1 TDLAS技術測量原理

根據(jù)Lambert-Beer吸收定律，激光器發(fā)出強度為I0，頻率為ν的單色激光，通過吸收介質(zhì)后，在接收端測得到的強度為：

其中：L為樣品長度；σ為吸收界面；c為吸收氣體的分子數(shù)濃度。

對于近紅外分子吸收，上式可近似為：

即通過吸收氣體之后，光強變化與被測氣體濃度和光程呈線性關系。

2.2 基于TDLAS技術的測量方法

目前，基于TDLAS的常用測量方法有直接測量法和波長調(diào)制技術測量法。

2.2.1 直接測量法

直接測量法是利用直接吸收方式進行檢測的一種傳統(tǒng)的基礎測量方法。為了達到調(diào)諧的目的，通過改變激光器調(diào)制電流的大小，激光器的輸出波長將隨之變化;通過測量衰減后的激光強度與參考光強進行對比，可確定光譜吸收率信號，最后得到氣體濃度。

但采用直接測量法時，檢測系統(tǒng)中存在多種系統(tǒng)噪聲，主要有探測器噪聲、激光額外噪聲以及隨機剩余幅度調(diào)制引起的偏移噪聲等。除系統(tǒng)噪聲外，還有光學系統(tǒng)中出現(xiàn)的干涉條紋，這些都會導致痕量氣體測量精確度降低。

2.2.2 波長調(diào)制技術測量法

波長調(diào)制光譜技術利用高頻正弦波作為載波，對調(diào)諧激光頻率的低頻率f0的鋸齒波電流進行調(diào)制，這樣得到的激光發(fā)射頻率為：

其中：ν為激光器瞬時頻率；ν0為激光器中心頻率；α為調(diào)制幅度；f為載波頻率；t為時間。

將式(6)代入式(4)后進行傅里葉級數(shù)展開，可得到各次諧波信號。隨著諧波次數(shù)的增加，諧波譜線加寬，將不利于分辨相鄰干擾譜線。在實際應用中，通常采用二次諧波技術。

在吸收度很小的情況下，二次諧波分量的表達式如下：

只要測得二次諧波信號與光強直流分量，就可以分析獲得氣體的濃度：

其中：K值可由標定得到;ν值大小與光強信號無關，與被測氣體濃度、光程成正比。

由上述可知，波長調(diào)制光譜技術通過選擇調(diào)制頻率來抑制激光噪聲帶寬，利用諧波檢測技術得到與被測氣體濃度成正比的諧波信號，再將檢測頻率移到噪聲較低的高頻處，這樣可以有效抑制外部干擾和低頻噪聲，從而實現(xiàn)較高的檢測靈敏度。

與直接檢測相比，采用波長調(diào)制技術可以將系統(tǒng)靈敏度提高100倍以上，檢測下限可達到10-8mV數(shù)量級。

3 基于TDLAS技術的氨逃逸分析系統(tǒng)

目前，基于TDLAS技術的氨逃逸分析系統(tǒng)主要有原位測量方式、抽取伴熱式等類型。

3.1 基于原位測量方式的氨逃逸分析系統(tǒng)

3.1.1 工作原理

分別將發(fā)射與接收探頭直接安裝在SCR出口被測煙道兩側(cè)，由發(fā)射探頭發(fā)出激光，接收探頭接收激光，再通過光電檢測器將接收到的激光信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過電纜輸出到中央處理器進行信號處理，如圖2所示。由于采用激光原位測量分析儀檢測微量氨的過程中無需采樣即可直接測量氨濃度，不需要考慮被測氣體取樣及傳輸帶來的影響，故在國內(nèi)燃煤機組中得到了廣泛應用。

3.1.2 系統(tǒng)缺點

(1) 由于SCR脫硝系統(tǒng)安裝在鍋爐省煤器煙氣出口之后、煙氣除塵系統(tǒng)之前，而氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)安裝在脫硝系統(tǒng)反應層出口煙道上，而該處煙氣中的粉塵濃度特別高，使得激光強度衰減嚴重，激光只能透過2—3 m距離，造成接收探頭無法獲得有效的光強度，進而導致測量結(jié)果偏差嚴重。高塵的工作環(huán)境還會使粉塵顆粒積聚在探頭上，雖然系統(tǒng)配備了反吹掃電機，但是當反吹掃電機出現(xiàn)故障或者反吹掃氣帶灰時，還是極易發(fā)生發(fā)射接收裝置堵灰的情況，大大降低了激光的透光率，直接影響氨含量的測量。

圖2 原位對射式安裝方式示意

(2) 發(fā)射探頭和接收探頭都是通過固定法蘭直接安裝在煙道壁上的。機組運行后，氨逃逸測量裝置所在的煙道壁振動較大，特別是在啟機前后，接收探頭位置會發(fā)生較大位移變化；同時鍋爐負荷變化時，煙道的溫度也會隨之發(fā)生較大變化，難免引起設備熱膨脹，很容易導致對光不準，影響激光透射到接收探頭光電池的信號，從而產(chǎn)生測量不穩(wěn)定或不應有的漂移，影響測量結(jié)果的準確性，嚴重時造成儀器將不能正常工作。

(3) 由于探頭安裝在鍋爐煙道上，無法對氨逃逸監(jiān)測設備進行有效標定，也就無法直觀地判斷氨逃逸的測量準確率。只能通過氨逃逸數(shù)值與供氨調(diào)節(jié)閥的開度是否成比例關系來判斷氨逃逸的測量是否準確，很明顯在實際情況下，這種判斷方法沒有太大的可信性。

3.1.3 改進措施

為了能夠使基于原位測量方式的氨逃逸分析系統(tǒng)能夠更好地適應現(xiàn)場測量的環(huán)境，部分電廠和生產(chǎn)廠家采取了一些改進措施。

(1) 加長襯管的光屏蔽法：把預埋的襯管延長，深入到煙道中，縮短有效測量光程。

(2) 斜角安裝法：把儀器的發(fā)射端和接收端安裝在煙道斜角上，以縮短實際測量光程。

但上述措施均不能改變系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行和準確測量的狀況，且運行維護工作量非常大。

3.2 基于抽取伴熱式的氨逃逸分析系統(tǒng)

3.2.1 工作原理

通過高溫取樣等氣體預處理方式，克服了原位激光法存在的高粉塵、高水分、煙道振動變形及光能量不足等問題。該系統(tǒng)典型組成部件包括：采取加熱過濾的專用高溫取樣探頭及高溫電加熱管線。從取樣探頭到高溫測量氣室采取全程加熱并保溫在脫硝煙氣的露點之上。脫硝測氨高溫取樣探頭工作溫度為180—220 ℃，探頭取樣管采用316 L不銹鋼，其探頭前置過濾器采用2 μm不銹鋼濾芯，探頭內(nèi)部采用加熱保溫的陶瓷內(nèi)芯，煙塵過濾精度不大于2 μm。加熱管線溫度為180 ℃。整個測量全程高溫，以確保煙氣微量氨的準確檢測。

3.2.2 系統(tǒng)缺點

因為對被測氣體采取了過濾保溫預處理等措施，基于抽取伴熱式氨逃逸分析系統(tǒng)具備了較高的測量精度和在線標定等優(yōu)點。但抽取伴熱的溫度較低(180—220 ℃)，遠低于被測煙氣溫度(350 ℃左右)，且當伴熱溫度低于250 ℃時，煙氣中的NH3，H2O和SO3還會反應生成NH4HSO4，堵塞采樣管路，嚴重時會導致系統(tǒng)無法正常工作。

此外，由于氨氣在管線表面有較強的粘附能力，且粘附量與當前氨氣濃度有關，這就氨氣濃度在抽取過程中容易發(fā)生改變，會使得測量結(jié)果不能代表煙氣中氨逃逸量的真實情況。

3.2.3 改進措施

部分電廠為了使監(jiān)測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，采取了如下改進方法。

(1) 采用具有耐高溫、耐腐蝕特性的PFA/PTFE材料作為樣氣管，以減少對樣氣、水分等的吸附，最大限度保持煙氣的真實性。

(2) 采用長壽命的進口加熱電熱絲，確保加熱溫度的均勻性。

(3) 加熱管抗拉能力強，彎曲半徑大，對其采用4層保護，保溫層厚度大于20 mm，熱損失小，溫度控制在±2 ℃，盡可能避免形成硫酸銨鹽造成管路堵塞。

但采樣管路(包括高精度的過濾裝置)容易堵塞等弊端，始終是限制基于抽取伴熱式氨逃逸分析系統(tǒng)廣泛應用的關鍵。

3.3 基于單端插入原位封閉腔式的氨逃逸分析系統(tǒng)

3.3.1 工作原理

在綜合原位測量方式和抽取伴熱式的氨逃逸分析系統(tǒng)優(yōu)點基礎上，鄭州光力科技股份有限公司研發(fā)出了AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)。該氨逃逸分析系統(tǒng)采用單端插入原位封閉腔式的測量方式，是一款專門針對氨法脫硝反應器后部高溫、高風速、高塵環(huán)境下氨氣逃逸量進行測量的新型原位式激光監(jiān)測設備，如圖3所示。

圖3 單端插入原位封閉腔式測量單元安裝示意

該系統(tǒng)主要由1臺控制柜和多個測量單元組成，系統(tǒng)組成及邏輯控制如圖4所示。測量單元通過固定法蘭安裝在煙道單側(cè)，1個煙道安裝1—2個測量單元，采用單端插入方式。測量氣室集成在測量單元內(nèi)部，隨測量單元插入煙道內(nèi)部，實現(xiàn)原位測量。測量單元為微負壓取氣，測量氣室采用密閉結(jié)構(gòu)，在進氣窗口安裝有高密度耐高溫過濾器，被測氣體可正常通過過濾器進入測量氣室，煙道中的飛灰完全被阻擋在過濾器外。此外，系統(tǒng)還具有自動反吹掃、自動溫度補償?shù)裙δ埽M一步確保系統(tǒng)可以長期、穩(wěn)定、可靠地運行。

該系統(tǒng)采用TDLAS技術和多次反射池技術相結(jié)合的氨逃逸檢測技術，如圖5所示。采用多次反射池技術后，激光的有效檢測光程可達到30 m，氨氣檢測靈敏度較對射式氨逃逸分析儀也提高了20倍，靈敏度可達到0.1 ppm以上。

3.3.2 AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)實際運行情況

為考核AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)中的測量單元在長期運行后的檢測準確性(運行時間約6個月)，進行了相應的驗證對比試驗。

3.3.2.1 曲線一致性檢驗

從圖6，7可以看出，在正常運行6個月后，氨逃逸監(jiān)測曲線與噴氨閥門開度曲線和發(fā)電機功率曲線有很強的一致性。

圖4 系統(tǒng)組成及邏輯控制

圖5 TDLAS技術和多次反射池技術示意

圖6 某公司1號機組A側(cè)煙道測量曲線1

圖7 某公司1號機組A側(cè)煙道測量曲線2

3.3.2.2 測量單元氨逃逸檢測精度的驗證

現(xiàn)場將標準氣樣通入測量單元內(nèi)部，在線檢驗測量單元的檢測準確度。對安裝在某公司1號機組AB兩側(cè)煙道的測量單元進行驗證，采用的標準氣體參數(shù)如表1所示?，F(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 采用的標準氣體參數(shù)

表2 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù) ppm

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)場通入標氣比對時，為使標氣可以充滿測量探管的氣室，通氣流量很大(約25 L/min)；常溫高壓的標氣快速進入高溫微負壓的測量單元，在測量單元內(nèi)部會有溫度不均勻的現(xiàn)象，同時流量的波動也會引起NH3的吸附脫附的動態(tài)過程，故現(xiàn)場使用標氣比對誤差0.89 ppm屬于工程現(xiàn)場理想范圍區(qū)間。

綜上所述，從氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)正常運行6個月后的氨逃逸動態(tài)監(jiān)測曲線一致性和使用標氣比對測量單元檢測準確度驗證等結(jié)果可以得出，現(xiàn)場安裝的AEMS10氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量結(jié)果可信。

4 結(jié)論

通過對幾種采用TDLAS技術進行氨逃逸在線監(jiān)測測量方式的綜合分析和對比，得出采用單端插入原位封閉腔式的AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)具有以下特點。

(1) 采用TDLAS技術和多次反射池技術相結(jié)合的檢測技術，對氨逃逸的檢測準確度和靈敏度是普通TDLAS技術的10倍以上。

(2) 被測氣體的檢測溫度均超過250 ℃，避免了因NH3與SO3反應產(chǎn)生NH4HSO4而導致的采樣損失。

(3) 采用單端插入原位封閉腔式的測量方式，沒有采樣管線，被測氣體直接進入多次反射池，避免了采樣損失。

(4) 采樣探頭安裝了超精細過濾器，過濾后的氣體非常潔凈，使得光學鏡片維護量低。

(5) 可任意設定系統(tǒng)控制的過濾器反吹時間，避免過濾器堵塞而使過濾器維護周期變長。

基于上述特點，AEMS10氨逃逸分析系統(tǒng)完全滿足了SCR脫銷工藝中氨逃逸檢測現(xiàn)場復雜環(huán)境的要求，確保機組長期、穩(wěn)定、可靠運行。

1 鄭利武，趙國成，俞大海，等．激光微量氨分析系統(tǒng)在脫硝逃逸氨檢測中的應用[J]．電力科技與環(huán)保，2015，31(5):60-62.

2 吳 浩．基于差分吸收光譜法的氨逃逸在線監(jiān)測技術研究[D]．北京：華北電力大學，2015.

2017-03-16。

郝志國(1978—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠氫冷發(fā)電機組和氫站的氫氣在線監(jiān)測系統(tǒng)、脫硝工藝過程中氨逃逸在線監(jiān)測等工作，email：15803898033@163.com。

宋艷珂(1985—)，男，助理工程師，主要從事氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)和便攜檢測儀器儀表等產(chǎn)品的研發(fā)設計工作。