吳升光，陳 彪，倪建偉

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312000； 2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 3.浙江赫能環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

SCR(選擇性催化還原)方法是目前火電廠脫硝最成熟有效的一種方法[1-3]，在一定溫度(290～430 ℃)及催化劑的作用下，NOx和氨(NH3)反應(yīng)將NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)?N2)和水(H2O)以減少NOx排放[4-5]。通常，NH3和NOx之間的反應(yīng)效率可大于95%，未反應(yīng)的NH3則被稱為氨逃逸[6-7]。

當(dāng)噴氨不足時，脫硝效率不足，無法滿足污染物排放控制的要求。但噴氨量過大，氨逃逸率過高，則NH3、H2O和SO3會反應(yīng)生成較多的硫酸氫銨結(jié)晶[8]。一方面，硫酸氫銨具有很強(qiáng)的粘性，容易堵塞催化劑導(dǎo)致催化劑失活，此外，還會造成下游空氣預(yù)熱器換熱管表面氨鹽沉積，導(dǎo)致排煙不暢，爐膛超壓，甚至是下游煙道腐蝕加劇[9-10]。

按照現(xiàn)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)SCR脫硝反應(yīng)器出口煙氣的氨逃逸控制在3 μmol/mol以內(nèi)時，可以延長空氣預(yù)熱器的檢修周期，確保相關(guān)設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸濃度進(jìn)行連續(xù)、準(zhǔn)確的監(jiān)測是十分必要的。

由于脫硝氨逃逸濃度的量級為ppm級，國內(nèi)多采用在線儀器分析法(CEMS)監(jiān)測[11]，主要包括直接測量法、抽取法。直接測量法成本低，但因?yàn)榘惭b于煙道內(nèi)，粉塵、氣體溫度和負(fù)荷變化對測量設(shè)備的準(zhǔn)直影響大，導(dǎo)致測量精度受干擾；抽取法通過對抽取煙氣進(jìn)行預(yù)處理，從而提高測量品質(zhì)。在分析方法上，主要有電化學(xué)、色譜[12]、質(zhì)譜和光譜學(xué)測量方法。其中，光譜學(xué)方法具有分析速度快、采樣預(yù)處理簡單、選擇性好、靈敏度高、樣品損壞少等優(yōu)點(diǎn)，符合實(shí)時在線分析和現(xiàn)場快速檢測的要求，應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹了一種基于UV(紫外)光譜法的高溫抽取式FFT(快速傅里葉變換)氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用效果。

1 基于UV法的高溫抽取式FFT氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)

正常運(yùn)行下，煙道中氨逃逸量極低，僅為3 μmol/mol以內(nèi)，對儀器測量精度要求較高。NH3極易與煙氣中的H2O和SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨，再加上氨氣的吸附性強(qiáng)且極易溶于水，對采樣預(yù)處理部分有較高的要求。

高溫抽取式FFT氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)通過全程高溫抽取方式，并對煙氣進(jìn)行有效預(yù)處理，通過高精度的UV光譜測量，使用快速傅里葉變化算法，具有響應(yīng)快、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)以及非接觸式測量等特點(diǎn)，使得該技術(shù)成為氨逃逸在線測量的一種相對適合的方法之一。

1.1 分析儀測量原理

分析儀使用UV光譜法，利用了物質(zhì)的不同波長響應(yīng)實(shí)現(xiàn)同時測量幾種氣體，而且NH3、SO2、NO、CS2、甲醛和乙炔等氣體都具有周期性吸收光譜譜圖，因此，通過對譜圖信號利用FFT(快速傅里葉變換)算法[13]進(jìn)行處理，在確保測量因子具有極佳選擇性的同時大幅提升計(jì)算效率和分析速率。固態(tài)電路設(shè)計(jì)的UV光譜法使得測量系統(tǒng)具有極高的可靠性，并且?guī)缀鯚o需維護(hù)。

分析儀測量原理如圖1所示。

圖1 分析儀系統(tǒng)測量原理Fig.1 Measuring principle of the analyzer system

根據(jù)測量出UV光的吸收量，利用比耳-朗伯定律計(jì)算煙氣組分濃度：

(1)

其中，各項(xiàng)物理意義為：[C]—樣氣組分濃度；K—指定氣體在特定波長下的吸光系數(shù)；Iref—零氣光強(qiáng)度；Igas—樣氣光強(qiáng)度[14-15]。

為了最大程度降低光學(xué)機(jī)電設(shè)計(jì)難度，光譜儀設(shè)計(jì)主要基于一個凹面格柵。光譜被記錄在512或2 048像素二極管陣列或CCD上。基準(zhǔn)信號可以通過空氣或者氮?dú)膺M(jìn)行自動校準(zhǔn)，校準(zhǔn)周期一般為2 h或4 h。

除被測組分NOx、SO2和NH3外，煙氣成分主要還有水、CO、CO2、O2和CH4等。其中CO、CO2、O2和CH4沒有UV吸收，因此它們不干擾被測氣體。水在UV波長范圍內(nèi)僅有微弱吸收，通常煙氣濕度在5%～20%之間，干擾甚微，其影響可忽略。

常規(guī)測量因子的光譜圖如圖2所示。

圖2 常規(guī)測量因子的光譜圖Fig.2 Spectrogram of conventional measurement factors

1.2 分析儀氣路原理圖

分析儀氣路如圖3所示。

圖3 分析儀氣路原理圖Fig.3 Gas path schematic diagram of the analyzer

樣氣進(jìn)口和零氣進(jìn)口通過一個三通電磁閥連接，當(dāng)自動調(diào)零啟動時，電磁閥切換到零點(diǎn)空氣管路。從壓力傳感器讀出樣氣壓力及流量，同時對氣體測量進(jìn)行壓力補(bǔ)償。高溫取樣泵安裝在流通池前端。為防止微量的氨氣吸附，所有氣路都安裝在一個加熱的密封倉內(nèi)，加熱溫度在190～240 ℃范圍內(nèi)可調(diào)，變化在±0.5 ℃以內(nèi)。

1.3 采樣預(yù)處理系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)煙氣預(yù)處理采用全程高溫抽取式系統(tǒng)，可有效解決抽取式氨逃逸系統(tǒng)采樣預(yù)處理部分的NH3吸附問題。

采樣探桿、探頭具有全自動加熱取樣及反吹功能，獨(dú)立于下游系統(tǒng)運(yùn)行。通過探頭自帶控制面板設(shè)置探頭加熱溫度，溫度可達(dá)280 ℃，有效防止煙氣冷凝或銨鹽結(jié)晶。探頭配置雙級粉塵過濾器，前置過濾器采用高精度不銹鋼過濾器，保證僅極微小的顆粒物可進(jìn)入采樣系統(tǒng)，內(nèi)置過濾器的過濾精度較前置過濾器低，需定期更換前置濾芯保證以防止系統(tǒng)阻力過大。采樣探頭煙氣接觸部分均采用316 L不銹鋼材料，減少NH3在管壁上的吸附。

系統(tǒng)采樣管線具有自動溫度控制功能，加熱溫度控制在190～220 ℃，加之采用特制的耐NH3吸附的PTFE管線，可有效減少氨在傳輸過程中的損耗。

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)儀器具有極低的維護(hù)量和高度穩(wěn)定的測量結(jié)果。UV氙燈的壽命為109頻閃次數(shù)，若按連續(xù)測量模式，氙燈壽命大約為3年；若每分鐘測量一次，壽命可達(dá)10年，因此，維護(hù)成本相對較低。

(2)基于高速DSP(數(shù)字信號處理器)的超快速電子設(shè)計(jì)裝置，確保分析儀能夠在200 ms內(nèi)測量試樣濃度。

(3)系統(tǒng)采用全程高溫且耐NH3吸附的氣路設(shè)計(jì)，有效避免NH3在傳輸過程中的損耗，最大限度保持煙氣的真實(shí)性。

(4)利用了有專利權(quán)的FFT算法，準(zhǔn)確識別煙氣中不同組分的UV吸收光譜譜圖，可同時測量NH3、SO2和NOx，因而，能夠代替現(xiàn)有的脫硝CEMS系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。

2 應(yīng)用情況

為驗(yàn)證該系統(tǒng)在脫硝氨逃逸測量中的運(yùn)行情況，將該系統(tǒng)安裝于某電廠脫硝出口。

2.1 測量單元氨逃逸檢測精度驗(yàn)證

現(xiàn)場將標(biāo)準(zhǔn)氣體直接通入分析儀，儀器的重復(fù)性及線性度檢測結(jié)果如表1～2所示。

表1 儀器重復(fù)性測試

表2 儀器線性度測試

由上述檢測結(jié)果可知，儀器重復(fù)性為0.69%，相關(guān)系數(shù)為0.999 2，具有很好的重復(fù)性及較高的線性度。

2.2 采樣系統(tǒng)中氨逃逸損失率驗(yàn)證

將標(biāo)準(zhǔn)氣體通入采樣探頭進(jìn)氣口，使標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)過采樣探桿、采樣探頭濾芯和采樣管線后進(jìn)入分析儀。檢測結(jié)果如表3所示。

表3 系統(tǒng)氨逃逸損失率驗(yàn)證

由上表3可知，標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)過采樣探桿、采樣探頭濾芯和采樣管線后的測量結(jié)果與表2中直接測量的結(jié)果十分接近，表明系統(tǒng)預(yù)處理過程中NH3的損失率極低，平均損耗為0.15 μmol/mol，結(jié)果較為理想。

2.3 曲線一致性檢驗(yàn)

為檢測系統(tǒng)測得結(jié)果是否能準(zhǔn)確反映實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對噴氨量進(jìn)行調(diào)整，將氨逃逸檢測曲線與NOx濃度曲線進(jìn)行對比，結(jié)果詳見圖4。

圖4 氨逃逸與NOx曲線Fig.4 The measuring curve of the Ammonia escape and NOx

由圖4可見，當(dāng)脫硝噴氨量增加后，NOx數(shù)值降低，氨逃逸數(shù)值明顯增加，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確反映脫硝裝置出口氨逃逸的變化。

3 結(jié)論

采用基于UV法的高溫抽取式FFT氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)，儀器重復(fù)性為0.69%，相關(guān)系數(shù)為0.999 2，采樣系統(tǒng)平均損耗為0.15 μmol/mol，完全滿足測量要求，可以準(zhǔn)確反映脫硝裝置出口氨逃逸的變化，且系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中長期、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，維護(hù)量少，完全滿足現(xiàn)有SCR脫硝工藝中氨逃逸檢測的要求。