激光微量氨分析系统在脱硝逃逸氨检测中的应用

郑利武，赵国成，俞大海，任焱，邱梦春，顾海涛

(1.聚光科技(杭州)股份有限公司浙江杭州310052;2.杭州电子科技大学电子信息学院浙江杭州310018;3.沧州华润热电有限公司河北沧州061000)

激光微量氨分析系统在脱硝逃逸氨检测中的应用

郑利武1，赵国成3，俞大海1，任焱1，邱梦春1，顾海涛2

(1.聚光科技(杭州)股份有限公司浙江杭州310052;2.杭州电子科技大学电子信息学院浙江杭州310018;3.沧州华润热电有限公司河北沧州061000)

氮氧化物(NOx)是火电厂排放烟气中的主要污染物之一。烟气脱硝是采用氨作为还原剂，对燃烧后烟气中的NOx进行处理，以降低NOx排放量的技术。通过脱硝后烟气中逃逸氨气的浓度来控制脱硝反应中氨气的投放量，保证氮氧化物排放浓度满足环保法规要求。基于可调谐半导体吸收激光光谱技术，开发了旁路取样式激光逃逸氨分析系统，实现了我国电厂烟气脱硝微量逃逸氨的在线监测。现场应用证明，该系统在我国电厂烟气脱硝逃逸氨检测中得以成功应用。

烟气脱硝;逃逸氨分析系统;可调谐半导体激光光谱技术

0 引言

我国《节能减排“十二五”规划》中明确提出推进电力行业脱硫脱硝，要求电力行业新建燃煤机组综合脱硝效率达到75%以上，烟气脱硝成为我国火电厂NOx减排的重要手段。烟气脱硝是指对煤燃烧后的烟气进行处理，以降低烟气中NOx排放量的技术。烟气脱硝的主要反应式如下［1］:

为保证较高的脱硝效率，烟气脱硝工艺中多采用闭环控制脱硝工艺［2］，利用出口逃逸氨气的浓度来反馈控制脱硝反应中氨气的投放量，使氮氧化物脱除效率控制在合理水平，并且避免氨气投放过量。若氨投放过量，逃逸氨会与烟气中的SO3、H2O反应形成硫酸氢铵［3］，硫酸氢氨具有很强的粘性和强腐蚀性，造成空气预热器堵塞和腐蚀，带来昂贵的维护费用;另外，硫酸氢铵附着于飞灰上还影响飞灰的质量和销售，造成经济损失［4］。若氨投放不足，则会导致NOx排放浓度超标。因此，在脱硝反应器出口检测微量逃逸氨浓度被国内外认为是脱硝系统中的关键技术。

常规的实验室微量氨分析方法，由于烟气中含水量大，烟气取样后微量氨气迅速溶于冷凝出来的液体水中，根本无法测得氨气含量;红外分析方法，由于烟气中水分子的光谱吸收干扰，完全覆盖了氨气的吸收信号，而预处理除水则会造成微量氨的损失;化学荧光法，利用差分的原理来得到微量氨的浓度，烟气中NOx含量的变化会影响微量氨的测量浓度，同时系统复杂，耗材昂贵;而基于激光吸收光谱技术的原位分析方法，由于烟气中粉尘含量高，激光束无法稳定的穿透烟气，测量准确度非常低，波动大，并且仪器故障率高。

本文在大量实验室测试和实际现场应用的基础上，介绍了基于激光吸收光谱技术的旁路取样式微量氨分析方法。采用全流路高温伴热至180℃以上，确保微量氨气不与SO3等其他物质发生化学反应而损失，并且用高温精细过滤采样技术过滤粉尘和大流量引流技术进行不失真取样，对脱硝微量逃逸氨进行稳定、可靠地连续分析。

1 旁路式激光氨气分析系统介绍

聚光科技LGA系列氨在线分析系统是基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)开发的旁路取样式激光氨气分析系统，由采样预处理系统和激光分析仪表组成，如图1所示。

图1 系统组成示意

1.1 预处理系统

取样系统主要包含烟气精细过滤、探头反吹控制、高温伴热和大流路取样等功能模块。其中，烟气精细过滤采用一体化烧结过滤器技术，可以在高粉尘和大水分的恶劣工况条件长期工作;探头反吹采用内外双重反吹技术，通过定期反吹可以将滤芯表面的粉尘清除，保持过滤系统长期有效;整个取样系统采用电加热器全流路加热技术，使全部样气管路的温度保持在180℃以上;烟气采用采用高温大流量射流采样技术，样气的流量可达20L/min以上，同时射流泵自身温度保持在160℃以上，避免射流泵自身堵塞失效。

1.2 激光气体分析仪原理

样气分析系统基于TDLAS气体分析技术开发而成，包括仪表发射单元、仪表接收单元和测量室。TDLAS气体分析技术采用半导体激光光源，其光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽。因此，TDLAS技术具有非常高的光谱分辨率，利用不同频率的激光能量被气体选择性吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度。激光束通过长L度为的气体室中压力为P，浓度为X的气体介质，此时气体介质对激光的吸收满足Beer－Lambert关系［5］:

式中:Iv，0和Iv分别为频率为v的入射激光和透射激光强度;S(T)为谱线强度;g(v－v0)为线形函数，表征吸收谱线的形状，取决于气体温度和压力等。激光强度的衰减与被测气体含量成定量的关系，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。

利用半导体的光频率的可调谐性，给半导体激光器注入高频正弦波电流，调制后激光频率为［6］:

式(5)对正弦波调制后的气体透过率作谐波分解，各谐波分量均反映了气体吸收谱线的透过率信息。由于谐波信号幅度随着谐波次数的增加而减少(图1)，一般使用一次或二次谐波信号来测量气体的透过率。另外，由于二次谐波上的直流偏置比一次谐波小很多，且二次谐波信号的峰值与吸收谱线中心重合，DLAS仪器普遍通过测量二次谐波信号来检测气体浓度:

其中式(7)在小吸收情况下成立。对于某特定气体吸收谱线在特定环境条件(温度、压力和气体组成)和激光频率调制幅度a下，式(7)中积分项只是激光频率的函数，如图2中二次谐波波形所示。

从式(6)可得气体浓度X:

从上式可知，只需测得上述二次谐波信号与光强直流分量I0就可以分析获得气体的浓度，其中式(8)中比例系数K由通入已知浓度的气体进行标定获得。

图2 高分辨率气体“单线吸收光谱”信号波形示意

1.3 系统优点

根据以上系统结构和工作原理，系统在NH3分析单元具备以下优势:独有的“单线光谱”技术，能够具备对水分及背景气体抗干扰作用，TDLAS单光谱测氨光谱示意图如图3所示;测量值不受粉尘与视窗污染的影响，能够在线连续检测;自身带温度、压力传感器，能够进行自动补偿，提高测量精度;气体室的长度可以做到2m以上，提高光谱吸收能力，气体测量精度;全程高温伴热，不除水，微量氨无损检测，测量结果真实。

图3TDLAS单光谱测氨光谱示意

2 数据分析

2.1 性能测试

在实验室环境下，对激光微量氨分析系统的主要计量性能进行了测试。测试数据显示仪表具有很好的线性度和较低的探测下限(见图4)。

图4 仪表线性测试结果

从测试数据可知，分析系统量程为3.5×10－5，按照计量仪表检定规程，分别配置满量程气体浓度的100%、80%、50%、20%、0%的五种浓度的NH3通入系统进行测量，测试结果表明系统的最大线性偏差为0.26×10－6。

通常定义测量数据的标准方差为仪表探测下限，计算该仪表的探测下限为0.0196×10－6。

2.2 现场应用

基于激光气体吸收光谱技术而研制的取样式激光微量氨分析系统在我国电厂烟气脱硝设备微量氨的检测中应用效果良好。2011年在我国北方某燃煤电厂2×660MW机组脱硝设备中安装投运微量氨分析系统，运行至今，性能稳定，可靠性好。

3 结语

旁路取样式激光氨气分析系统实现我国电厂烟气脱硝微量逃逸氨的在线监测。系统所采用的全程高温伴热技术、氨分析仪无背景干扰激光微量氨分析技术、大流量取样技术、探头精密过滤及周期性内外自动反吹技术等，使得该系统具有测量精度高、样气无失真、维护量小的特点。其运行稳定，可靠性好，响应速度快，可实时连续反映脱硝工艺中逃逸氨浓度，满足了我国电厂烟气脱硝设备中对微量氨在线分析的迫切需要，对脱硝工艺参数调节和工艺控制起到了关键作用。

［1］Guo L F，Shu Y J，Gao J M.Present and future development of flue gas control technology of deNOxin the world［J］.Energy Procedia，2012，17(part A):397－403.

［2］Wang D Y，Yao S，Shost M，et al.Ammonia sensor for closed－loop SCR control［J］.SAE technical paper series，2009，1(1):323－333，

［3］Wilburn R T，.Wright T L.SCR ammonia slip distribution in coal plant effluents and dependence upon SO3［J］.Power Plant Chemistry，2004，(6)5:95－304.

［4］甄杨.基于可调谐激光吸收光谱技术的氨逃逸检测系统研究［D］.天津:天津大学，2011.

［5］Allen M G.Diode laser absorption sensors for gas－dynamic and combustion flows［J］.Measurement Science and Technology，1998，9(4):545－562.

［6］顾海涛，陈人，叶华俊，等.基于DLAS技术的现场在线气体浓度分析仪［J］.仪器仪表学报，2005，26(11):1123－1127.

Application of laser trace NH3analysis system in de－NOxslip NH3detection

Nitrogen oxides(NOx)is one of the main pollutants in the flue gas emissions from thermal power plants.Flue gas de－NOxtechnology usually uses ammonia(NH3)introduced to and mixed with the flue gases in the hot combustion zone where the reduction of NOxtakes place.Ammonia slip is measured after the De－NOxprocess to control the amount of NH3injected so that enough NH3is present to react with NOxto minimize the NOxemissions to meet environmental regulations.Extractive slip NH3analysis system based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)has been developed to realize the real－time and dynamic measurement of slip NH3in flue gas de－NOxprocess for coal－fired power plant of our country.Extractive slip NH3analysis system has been successfully applied in slip NH3detection in power plant of our country.

flue gas de－NOx;slip NH3analysis system;TDLAS

X701.7

B

1674－8069(2015)05－060－03

2015-03-22;

:2015-05-26

郑利武(1983-)，男，浙江杭州人，工程师，从事过程分析仪器开发与应用研究。E－mail:liwu_zheng@fpi－inc.com