激光抽取式氨逃逸在线监测设备在电厂脱硝系统上的应用

郭景晨，严海川，韩世亮，王晶冰

(1.内蒙古国华准格尔发电有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017000;2.北京华创泰博节能环保科技研究院，北京102206)

氮氧化物(NOx)是燃煤电厂烟气排放的三大污染物之一，选择性催化还原法(SCR)是目前应用在燃煤电站锅炉上相对成熟的一种烟气脱硝技术，其具有较高的脱硝效率。SCR法是指在催化剂的作用下，还原剂(NH3或尿素等)有选择性地与烟气中的NOx反应并生成N2和H2O［1-2］，其主要反应为:

由化学反应式可以得出喷氨量与NOx成正比，NH3量不足会导致脱硝率降低，出口NOx浓度增大。而NH3过量时，虽然脱硝效率、出口NOx浓度等均能满足要求，但多余的NH3又会带来一系列的危害。首先，多余的NH3会与烟气中的SO3反应生成NH4HSO4，NH4HSO4附着于催化剂的表面会阻塞催化剂并影响其活性;而NH4HSO4黏附在空预器蓄热元件的表面，会使蓄热元件积灰，造成蓄热元件的换热效率下降［3］。其次，过量的NH3会吸附在飞灰上，改变飞灰的化学性质［4］，影响除尘器所捕获的粉煤灰的再利用价值。而且含有NH3的未被除尘器清除的少量的飞灰会进入到FGD系统，对FGD的废水系统存在一定的影响，导致脱硫废水量有少量提高［5］。再者，氨泄漏到大气中又会对大气造成新的污染，同时它也是影响大气能见度、区域空气质量的重要因素。因此，环保部门在脱硝工程验收以及脱硝运行监管过程中越来越关注氨逃逸的运行数据，其历史曲线也作为脱硝环保核查的一项重要佐证参数，安装氨逃逸在线监测系统并确保其准确、稳定的运行显得尤为重要。

1 现有氨逃逸测量技术

目前，氨逃逸测量技术包括化学发光分析法、激光测量法，而激光测量法根据取样方式又分为激光原位测量法和激光抽取测量法等。本文着重以激光原位法和激光抽取法进行对比分析。

1.1 化学发光分析法

采用化学发光法测量NH3通常是将NH3先转化为NO，NO与O3混合时会生成激发态的NO2和O2，激发态的NO2在返回基态时发出红外光，这种发光的强度与NO的浓度成线性比例关系。光电倍增管将会检测这种发光，转而产生成比例的电信号。此电信号将由微处理器处理成NO浓度读数，再转换成NH3的测量值。由于需转化炉进行转换，存在转换效率的问题，难以保证测量的准确性。

1.2 激光测量法

激光测量法多采用TDLAS技术。TDLAS技术本质上是一种吸收光谱技术，通过分析激光被气体的选择性吸收来获得气体的浓度。它与传统红外光谱吸收技术的不同之处在于，半导体激光光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽。因此，TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术。

激光原位测量法是将发射端与接收端直接安装在烟道的一侧或两侧对烟气中的NH3进行测量，无需采样，也不存在转换器的转换效率问题。但若安装条件比较恶劣，如烟道的振动、膨胀及收缩等，将影响仪器测量时的对光，直接影响测量系统的稳定性与精度。为解决这一问题，提出在脱硝反应器出口烟道处设置小截面烟气旁路，将激光测量仪器安装在烟气旁路上。采用这种测量方式虽可减小烟道振动对测量准确性的影响，但另设旁路烟道需增加投资，且安装困难，施工周期长。

激光抽取测量法采用抽取采样方式，将烟气由烟道中抽取出并经除尘、净化后进入气体分析室，利用TDLAS技术进行检测。该装置可用标准气检测标定和调零，修正输出曲线，保证检测的准确性、及时性。它有效地避免了烟道振动、热膨胀等因素对激光检测的影响，适用于环境恶劣、工况复杂的烟气污染源检测。

2 激光抽取式氨逃逸在线监测设备

激光抽取式氨逃逸在线监测设备由探头、伴热管线、NH3分析模块、数据显示模块等部分组成，测量流程如图1所示。

图1 抽取式氨逃逸监测仪测量流程图

在射流泵的作用下，烟气全程高温拌热，经采样探头初级过滤器过滤，将烟气中的大量粉尘去除，再经二次过滤净化样气，由伴热管线引入NH3分析模块(气体室)中，利用TDLAS技术对气体进行分析，测得NH3的浓度输出至DCS系统。氨逃逸在线监测设备会定时进入反吹或调零、标定状态，保证监测设备运行稳定，测量准确。

3 激光抽取式与原位式氨逃逸在线监测设备在电厂应用中的对比分析

内蒙古国华准格尔电厂装机容量为4×330 MW。其中，1#机组A、B两侧脱硝反应器上原来使用的氨逃逸监测设备为德国某品牌，采用激光原位式测量，以角对穿方式安装。运行一段时间后，由于受烟道振动、烟气中粉尘浓度过高等方面的影响，测量数据出现跳变等现象，测量不稳定，无法满足现场使用要求。其后，准格尔电厂在1#机组B侧安装一台激光抽取式氨逃逸在线监测设备，监测点在原氨逃逸监测设备监测点附近，两台设备同时使用。抽取式氨逃逸监测设备安装调试完毕后进行喷氨量调整试验，各参数变化趋势曲线如图2所示。

喷氨量调整试验从上午9点38分开始至12点38分结束，共3小时，NH3由尿素制备得到。试验开始之前，1#机组发电机功率为160～180 MW，喷氨调门开度为68%，入口NOx浓度为300～440 mg/Nm3，出口NOx为160～240 mg/Nm3，出口NH3值为1.2×10-6～2×10-6。试验期间1#机组发电机功率在160～200 MW之间，入口NOx在250～440 mg/Nm3之间。

上午9点50分喷氨量调整试验开始，1#机组B侧脱硝反应器喷氨调门开度增大，由68%增大到91%，B侧喷氨量增大。此时，出口NH3值曲线有明显的上升趋势，出口NOx浓度开始下降，NH3值由1.3×10-6慢慢增大到5.7×10-6，出口 NOx由160 mg/Nm3下降到18 mg/Nm3。随着反应的逐渐稳定，出口NH3值维持在5×10-6～6×10-6之间，出口NOx维持在20～35 mg/Nm3之间。

图2 喷氨量调整试验时各参数变化趋势曲线图

至11点05分，喷氨调门开度由91%重新调回到56%，出口NH3值开始慢慢下降，出口NOx浓度上升，逐渐恢复到试验前状态。随着出口NOx浓度的稳定，出口NH3值也逐渐稳定。

从11点45分开始，减小喷氨调门开度，由56%减小到13%，降低 B侧喷氨量。此时，出口NH3值曲线变化趋势开始降低，其值由1.8×10-6降低到0.7×10-6，并稳定在0.7×10-6～1×10-6之间。出口NOx浓度曲线变化趋势则开始升高，其值由150 mg/Nm3上升到400 mg/Nm3，并维持在300～400 mg/Nm3之间。

至12点23分喷氨量调整试验结束，喷氨量恢复至试验之前的值，各参数值也逐渐恢复至试验之前的值。

通过喷氨量调整试验可看出，当喷氨量发生变化时，激光抽取式氨逃逸仪在线监测设备监测得到的出口NH3值也随之发生变化，变化趋势与喷氨量相吻合。

图3、图4分别为B侧脱硝反应器正常运行情况下两台氨逃逸监测设备监测得到的NH3值变化趋势曲线图，反应器入口NOx浓度较稳定，喷氨量也无较大的变化。从图3、图4中可看出，激光原位式氨逃逸监测设备监测得到的NH3值有跳变现象出现，测量不稳定;而抽取式氨逃逸在线监测设备监测得到的NH3值比较稳定，无数据跳变现象，满足现场脱硝系统运行监视的要求。

图3 B侧脱硝反应器出口NH3值变化趋势曲线图(原位式)

图4 B侧脱硝反应器出口NH3值变化趋势曲线图(抽取式)

4 结论

激光抽取式氨逃逸监测设备由于设有烟气预处理单元及气体分析室，克服了原位式测量方法中固有的一些问题，例如:

(1)大截面、微浓度烟道检测失真;

(2)烟道振动、环境温度变化，造成烟道应力改变等因素引发的对光不准;

(3)高粉尘、高水分对激光检测的影响;

(4)烟气粉尘和腐蚀性气体吸附在镜片表面，造成镜片结焦、结垢影响激光检测;

(5)无法进行在线标定;

(6)其他复杂工况的影响。

因此，激光抽取式氨逃逸监测设备更适用于工况复杂、环境恶劣的火电厂脱硝氨逃逸的监测。通过现场喷氨量调整试验和曲线对比观察，氨逃逸监测值的变化趋势与喷氨量的变化趋势吻合，测量数据真实可靠，满足现场脱硝系统运行监视的要求。

［1］ 吴碧君，王述刚，方志兴，等.烟气脱硝工艺及其化学反应原理分析［J］.热力发电，2006，(11):59-60.

［2］ 范红梅，仲兆平，金保升，等.V2O5-WO3/TiO2催化剂氨法SCR脱硝反应动力学研究［J］.燃料化学学报，2006，(3):377-380.

［3］ 马双忱，金鑫，孙云雪，等.SCR烟气脱硝过程硫酸氢铵的生成机理与控制［J］.热能基础研究，2010，(8):12-17.

［4］ 陈海林，宋新南，江海斌，等.SCR脱硝性能影响因素及维护［J］.山东建筑大学学报，2008，(2):145-147.

［5］ 刘建民，薛建明，王小明，等.火电厂氮氧化物控制技术［M］.北京:中国电力出版社，2012:110-115.