脱硝烟气排放连续监测系统氨浓度的测量

应　靖　 闫　军

(1.南京化学工业园热电有限公司.南京. 210047；北京航天益来电子科技有限公司,北京.100041)



脱硝烟气排放连续监测系统氨浓度的测量

应靖1闫军2

(1.南京化学工业园热电有限公司.南京. 210047；北京航天益来电子科技有限公司,北京.100041)

摘要：针对脱硝烟气排放连续监测系统氨浓度测量存在的技术难题进行了技术改造，提出抽取式旁路测量装置的整体优化设计创新设计方案，工程试验结果表明，能够实现对氨浓度的稳定测量。

关键词：脱硝烟气排放连续监测系统氨逃逸抽取式旁路测量装置

1概 述

“十一五”期间，火电厂尾气排放氮氧化物占到全国氮氧化物排放总量的38%，在国家环境保护“十二五”规划中，环境保护主要目标要将氮氧化物排放总量降低10%(即从2010年的2273.6万吨降低到2015年的2046.2万吨)，因此，降低火电厂尾气氮氧化物排放，是治理和降低氮氧化物排放量的重中之重，火电厂实施脱硝改造是减少氮氧化物排放的主要措施。

当前，国内用于烟气脱硝的主要技术为选择性催化还原法(SCR)和非选择性催化还原法(SNCR)。

1.1选择性催化还原法(SCR)

选择性催化还原法原理是：向反应器内投放氨，使之在催化剂的作用下与氮氧化物发生反应，生成水和氮气。在这种情况下，控制好氨的注入量和氨在反应区空间的分布是脱硝效果好坏的关键。投放的氨量过少，烟气中大量的氮氧化物没有及时反应而排放到大气中，没有很好起到脱硝的目的；投放的氨量过大，就会有氨逃逸出反应区，并在工艺流程中与SO2、SO3、H2O反应生成硫酸铵和硫酸氢铵，堵塞催化剂，使催化剂失效，还有可能腐蚀和严重影响下游设备的安全运行，例如使空预器的阻力增大，甚至堵塞。

1.2非选择性催化还原法(SNCR)

非选择性催化还原法原理是：把含氨基的还原剂喷入到锅炉炉膛中,还原剂快速热解成NH3,将烟气中的NOx还原成N2和H2O。SNCR技术的NOx 脱除率较低(一般<30%) ,而氨的逃逸率却较高，会造成锅炉空预器堵塞。

根据中华人民共和国国家环境保护标准 HJ 562-2010《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法》8.2.2条款的规定：“反应器出口烟气连续检测装置至少应包含以下测量项目：NOx 浓度(以 NO计)、烟气含氧量、 氨逃逸浓度。”因此为保证锅炉及脱硝系统设备的安全、稳定运行，对脱硝系统出口的氨逃逸浓度进行连续、准确的监测十分必要。

2微量氨逃逸浓度测量技术

2.1原位安装激光光谱分析

原位安装激光光谱分析采用调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术。主要生产公司有：ABB公司(LS25，图1)、西门子公司(LDS6，图2)、挪威NEO公司(servomex 2930，图3)、加拿大优胜公司。日本的富士公司国内燃煤电厂在脱硝监测中广泛使用原位安装的激光分析仪。由于脱硝SCR出口烟道流通面积较大，再加上烟气中粉尘含量很高，缺乏均一性，导致原位安装的激光分析仪激光透过率很小，无法正常连续、准确检测烟气中逃逸氨浓度；有的地方采用角安装的方式，虽然可以保证激光透过率，但测量的数据的代表性降低。

图1　ABB　 LS25

图2　西门子　 LDS6

图3　servomex　2930

2.2原位安装插入式紫外光谱分析

原位安装插入式紫外光谱分析利用在一定波长的紫外光照射下，引起分子中电子能级的跃迁，从而产生分子的电子吸收光谱原理进行氨逃逸浓度的测量。主要生产公司有德国SICK公司(GM31，图4)。

图4　德国SICK　GM31

2.3高温完全抽取+化学发光差值计算法

高温完全抽取+化学发光差值计算法将烟气抽取出来后，然后通过转化器将NH3转化为NO，利用化学荧光法检测微量NO，再转换成氨的值。这种方法存在转化器转化效率问题，另外，在样气取样过程中，还存在水分对微量氨的吸收以及微量氨的反应转化等问题，主要生产公司有日本HORIBA公司(ENDA-C2000，图5)。

图5　日本HORIBA ENDA-C2000

2.4高温稀释抽取+化学发光差值计算法

高温稀释抽取+化学发光差值计算法的原理与高温完全抽取+化学发光差值计算法相同，只不过将烟气抽取出来并稀释后进行分析，主要生产公司有美国热电公司。

2.5高温抽取+傅里叶红外分析

可同时测量NO、NO2、O2、NH3,，但是系统复杂、造价高，对维护人员技术水平要求高。主要生产公司有：ABB公司。目前国内也有公司生产，例如南京霍普斯科技有限公司。

2.6高温射流抽取+激光光谱分析

将烟气抽取到旁路测量装置，通过安装在旁路测量装置上的激光光谱分析仪测量氨逃逸浓度。由于高温射流抽取，能确保样气不损失；由于采样无机械部件，能装置运行长久、可靠；由于烟道内探头处加装了过滤器，为此进入旁路测量装置的烟气克服了高粉尘对激光光谱分析仪器的干扰；旁路测量装置设置了标定口，可实现系统的在线标定功能，北京航天益来科技有限公司已研发成功该抽取式旁路测量装置并在部分电厂成功投入运行。

3氨逃逸浓度测量现状

目前市场上主流的氨逃逸率在线测量仪表测量原理有激光测量法和气体抽取法。激光测量法在大多数电厂选用的是西门子LDS6，但使用情况普遍反映不太理想，主要现象为测量数据呈恒定直线且不随喷氨量变化；不同运行工况(如：负荷、煤种、风量变化等)时需对仪表参数进行重新设定；仪表设置复杂，通常只能由西门子技术服务工程师完成；挪威产的NEO LaserGasII激光气体分析仪在上海漕泾电厂、平海电厂和台山电厂也有应用。

南京化学工业园热电有限公司4#机脱硝装置氨逃逸率表采用西门子LDS 6一拖二激光分析仪，仪表采用纤维光学和红外二极管激光技术进行测量，中心单元通过光纤与现场传感器分隔开无需采样，分析仪安装在远离现场的机柜中。2009年8月4#机组脱硝装置与主机一同投入商业运行，运行中发现氨逃逸率表测量不准，喷氨量改变时逃逸率表计输出没有变化。厂家人员多次进行改造后仍然未消除缺陷，实施的改造方法包括在烟道内加装一根有孔的管道，保证激光束在管道内；将测量装置从烟道两侧移至烟道一角，减少测量装置之间的距离等，但均未有效解决问题。

4氨逃逸浓度测量存在问题原因分析

通过对设备的反复观察及分析，认为造成氨逃逸率表测量不准的原因主要有如下两条：

(1)在不同负荷下烟道膨胀发生变化，造成安装在烟道上的发射端发出的激光射线未很好对准接收端。

(2)烟道中烟气含尘量大，造成激光穿透烟气困难。

5氨逃逸浓度测量技术改进

针对脱硝氨逃逸浓度测量存在的问题，国内许多单位进行了技术改进，主要试验情况如下：

(1)上海漕泾电厂采用在烟道上斜角安装方式(见图6)，从曲线(见图7)看调节阀在自动时，阀门开关波动幅度较大，氨逃逸率曲线基本符合调节阀开度变化。但由于无法实施在线校验，为此仪表测量准确性尚待验证。

图6　NEO LaserGasII激光气体分析仪安装示意图(上海漕泾电厂)

图7　上海漕泾电厂曲线图

(2)北京航天益来电子科技有限公司采用了气体抽取法进行测量，分析仪采用法国ESA公司生产的MIR9000H型GFC红外多气体分析仪，主要原理为将烟气加热并抽取到红外气体分析室对NH3进行测量。在我公司`2#炉脱硝进行了运行试验，通过试验发现由于NH3浓度低且易溶于水，再加上点测量，因此测量偏差较大。

(3)北京航天益来电子科技有限公司经过研究提出将烟气通过抽取式旁路测量装置进行测量的技术方案，并在我公司4#炉B侧脱硝SCR出口进行了运行试验，试验中发现西门子氨逃逸率仪表透光率(约230units)达到合格标准，仪表测量恢复，旁路测量装置具备在线校验功能，为判断仪表测量的准确性创造了条件。但由于西门子氨逃逸率表自身测量存在不稳定性，测量数据尚存在周期性的跳变现象。

6抽取式旁路测量装置

CYA-CMN01抽取式旁路测量装置有由北京航天益来电子科技有限公司研发，主要由采样探头、测量室、电控箱、手动球阀、气动采样泵、伴热管线等组成。各部分功能及特点如下：

(1)采样探头安装在烟道上，设计有一个高精度(0.3μm)、低气流阻力的疏水过滤器，对样气粉尘进行高效过滤处理，确保不污染测量室。采样探头采用过滤元件内置(过滤器安装在烟道内)，使得烟尘的过滤在烟气进入探头之前进行，同时充分利用烟道内部自身的烟气冲刷，免去了探头粉尘堵塞之苦，同时可以省去探头的反吹，减少了现场的使用维护量。

(2) 测量室是整套装置的核心部件，两端设计有法兰用来安装激光分析仪，中间段是测量腔，是激光分析仪进行检测的技术环节。测量腔一端连接手动球阀，是样气进口；一端连接气动采样泵，是样气出口。整个测量室、手动球阀及气动采样泵均放置于一个加热、保温箱内。

(3)电控箱主要用来控制采样探头和保温箱的加热与保温。

(4)动球阀主要功能是切换采样和标定，实现激光分析仪的在线手动标定。

(5)气动采样泵是整套装置的动力源，其作用是将烟道内烟气抽取到测量室内，以标准气般的品质供激光分析仪检测。

(6)伴热管线确保了样气在传输过程中处于加热状态。

(7)在激光分析仪防尘镜部分还加装了加热套，确保了激光分析仪部分不会有冷凝水析出污染防尘镜片。

CYA-CMN01抽取式旁路测量装置的样气流通路径均处于加热状态，确保了样气传输过程中不会因冷凝出水而导致样气中逃逸氨被吸收而流失；样气流经管线(无论是采样探头还是测量室)均经过特殊工艺处理，确保样气传输过程中不会发生逃逸氨的催化转化，保证了激光分析仪检测出来的数据能够真实反映烟道内烟气的逃逸氨含量，图8为原理图，图9为设备图，图10为设备内部图。

图8　烟气旁路测量装置原理图

图9　烟气旁路测量装置设备图

图10　烟气旁路测量装置设备内部图

为了对CYA-CMN01抽取式旁路测量装置的性能进行测试，2012年3月份我公司在4#炉B侧脱硝SCR出口同时安装了3套CYA-CMN01抽取式旁路测量装置，配装的激光分析仪分别为、ABB公司的LS25激光分析仪(图11)、富士公司的ZSS激光分析仪(图11)和西门子公司的LDS6激光分析仪(图12)。

图11　富士公司ZSS激光分析仪(上)、 ABB公司LS25激光分析仪(下)

图12　西门子公司LDS6激光分析仪

从西门子仪表数据看，光的透过率达到了230units，而在线式测量20units都是非常奢望的数值，可见烟尘的影响被完全排除了，这一技术进展非常重要，提高了分析仪稳定工作的能力。同时在实验期间(2012年3月～7月)，过滤器仅清理了一次，检查中发现透光镜片几乎没有污染，因此改造装置除尘效果非常理想，少维护始终是本行业集中关注和长期追求的工程应用目标，见图13。

图13　西门子氨逃逸率表试验数据

在3家设备同时测量期间，发现富士的ZSS氨逃逸测量设备在绝大多数的时间里是测量不到数据的，这样的情况在向厂家反映后，他们也来现场检查过，最终确定设备可能存在一些技术问题，需要回厂再调试。图14为3套氨逃逸率仪表试验期间测量值，图15为试验曲线，ABB的LS25从图上反映的数据来看是比较平稳的。图15中最上方曲线为西门子的氨逃逸历史曲线，中间一松曲线为ABB的氨逃逸历史曲线，最下面曲线为富士的氨逃逸历史曲线。

图14　3套氨逃逸率仪表试验期间测量值

图15　试验曲线

2012年5月9日氨浓度、喷氨流量及喷氨调整门开度的对应关系曲线见图16。

图16　氨浓度与喷氨量曲线

2012年5月26日氨浓度、喷氨流量及出口氮氧化物值的对应关系见图17。

图17　氨浓度与氮氧化物曲线

2012年7月5日对分析仪进行了标定检查(测量光程：1.1m；测量温度：250℃；透光率：约230units)，标定数据及曲线见表1。

表1　表名

图18为氨逃逸率表旁路测量装置标定曲线，图中的坐标系Y轴最大30×10-6。这是一个完整的标定曲线，可以非常明显的看到标气通入的上升沿和下降沿，标气流经的曲线非常清晰。标气在通入标定池一端时间后达到了稳定的状态，波动范围很小。

图18　氨逃逸率表旁路测量装置标定曲线

7结 论

根据国务院2011年8月印发的《“十二五”节能減排綜合性工作方案》，我国氮氧化物排放总量將控制在2046.2万吨，比2010年的2273.6万吨下降10%，因此对脱销CEMS装置的监管力度势必将不断增加。脱硝装置氨逃逸浓度长期无法准确测量已对锅炉的安全稳定运行造成影响，同时也不利于脱硝系统的长期稳定运行，为此必须尽快解决脱硝氨逃逸浓度测量问题，我公司通过对北京航天益来电子科技有限公司CYA-CMN01抽取式旁路测量装置的试验运行，可以得出如下技术结论：

(1)CYA-CMN01抽取式旁路测量装置配合激光光谱分析仪可实现对SCR出口逃逸氨浓度的在线连续监测，解决了氨逃逸率仪表受粉尘影响无法正常工作的技术难题，具有重要意义。

(2)CYA-CMN01抽取式旁路测量装置中的高精度疏水过滤器的粉尘过滤精度高、且气流阻力小，可高效滤除样气粉尘，为激光分析仪的长期稳定运行创造了良好条件。

(3)CYA-CMN01抽取式旁路测量装置可以实现现场激光分析仪的在线标定，便于现场校准激光分析仪，减少维护工作量，突破了目前氨逃逸率仪表无法比对的技术难题。

抽取式旁路测量装置的成功研制，为脱硝SCR出口微量逃逸氨的在线连续、准确监测提供了一种全新的创造性的解决方案，已在多个工程现场应用中被多家知名企业认可，有望成为今后SCR出口微量逃逸氨在线连续、准确监测的主流方案之一。

收稿日期：2015-05-27

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

作者简介：应靖，男，工程师，南京化学园热电有限公司，E-mail：yj928156@sina.com 。