氨逃逸现场移动测试技术研究及问题分析

程金武

（大唐华中电力试验研究所，郑州 450000）

氨逃逸现场移动测试技术研究及问题分析

程金武

（大唐华中电力试验研究所，郑州 450000）

燃煤机组超净排放改造后，脱硝系统喷氨量整体增加，区域氨逃逸质量浓度增大。为进行基于氨逃逸浓度场的喷氨优化调整试验，需分区域实时测试氨逃逸质量浓度。结合大量测试经验，对M－NH3便携式氨逃逸分析仪现场测试中出现的光路校正、光谱信号强度弱、过滤器堵塞、静电干扰、硫酸铵盐沉积、反射探杆及光学元件污染等问题进行了分析，总结了仪器维护措施，为提高氨逃逸测试的准确性和稳定性奠定基础。

脱硝系统；氨逃逸；便携式分析仪；光谱信号；反射探杆

0 引言

目前，燃煤机组烟气脱硝系统普遍采用选择性催化还原（SCR）法，SCR系统在反应过程中不可避免地会出现氨逃逸现象。当氨逃逸质量浓度较高时，会与烟气中SO3反应生成（NH4）2SO4和NH4HSO4等酸性物质堵塞空气预热器，造成炉膛负压波动、烟风系统阻力增大、负荷受限等一系列问题［1－2］。

为解决以上问题，保障脱硝系统经济、高效运行，发电企业通常采取喷氨优化试验，对SCR反应器出口氨逃逸浓度场进行分区优化调整［3－4］，以提高喷氨系统氨氮摩尔比的均匀性，减少氨逃逸质量浓度。目前，测量SCR系统出口氨逃逸的方法主要有便携式在线仪器分析法和化学取样法［5］，化学取样法在优化调整时无法做到实时测量、实时调整，而便携式氨气体分析仪得到了越来越多的应用，已经成为喷氨优化调整工作中氨逃逸的主要测量方式。

1 便携式氨逃逸测量技术

目前，主流便携式氨逃逸测量技术分为激光原位测量法和激光抽取测量法两种［6］。两者均以可调式二极管激光吸收光谱（TDLAS）［7］技术为基础，不同的是激光抽取法通过高温伴热管线将烟气抽入外置的高温检测池中，结合多光程反射，实现对氨逃逸质量浓度的测量。该类仪器以某公司的LDAS－3000型直接抽取式氨逃逸分析仪为代表，特点是探枪较轻便，取样管采用全程高温伴热，仪器使用前无需校光，解决了易受水汽、液滴、烟道振动等因素干扰的问题，但取样管路容易产生硫酸氢铵沉积，主机质量较大，使用前需进行预热。

激光原位法的测量腔室布置在探杆内部，测试时将探杆插入烟道，利用烟道高温烟气加热探枪至300℃以上，连接在探杆末端的抽气泵将烟气抽入探枪内部，通过激光单次反射测量氨逃逸质量浓度［8］。该类仪器以某公司的M－NH3型便携式氨逃逸分析仪为代表，特点是光学元件与探杆一体化设计，探杆体积较大，使用前需要进行光路校准工作，但主机较为轻便，仪器整体便于维护，使用前无需预热。

本文对加拿大Unisearch公司生产的M－NH3便携式氨气体分析仪的工作原理和结构进行介绍，结合大量的使用经验，对仪器在现场测试中出现的常见问题进行分析。

2 M－HN3便携式氨逃逸分析仪简介

M－HN3便携式氨气体分析仪是一款TDLAS气体分析仪，采用原位法激光测量技术。整套仪器包含便携式反射探杆、气体采样泵、同轴信号线缆、光纤信号线以及分析仪主机，如图1所示。其中反射式探杆采取全密封设计，前端内置有高精度不锈钢过滤器，可以有效过滤烟气中的灰尘，可根据测量需求增加延长杆。使用中将反射式探杆插入烟道内部，抽气泵将气体抽入反射式探杆中，利用高温烟气加热，保证探杆中样气温度维持在300℃以上。

分析仪主机使用波长约为1500 nm的近红外二极管激光器为光源，工作时将采集的校准池光谱作为基准光谱，计算校准池实时测量光谱与基准光谱的偏差并反馈到控制中心，通过调节激光器的温度以及注入电流来锁定激光束的波长［2－3］。如图2所示，激光束通过光纤传输到检测光学端，穿过反射探杆中的被检测气体后，被棱镜反射回轴抛物面并聚焦到光电信号检测器，后者将吸收光谱信号通过同轴电缆传回分析仪，分析仪通过分析计算吸收光谱得到检测气体的质量浓度，分析仪内置标准氨气参比模块，实时锁住氨气吸收谱线，系统处于实时校正状态，试验前无需标定。

图1 分析仪测量示意

图2 光学系统原理

3 现场测试常见问题

3.1 光路校正问题

M－NH3便携式氨气体分析仪使用中经常需要对反射探杆光路进行校准，光路的校准水平直接关系到分析仪能否长时间稳定工作。校准时通过图3中两个光路调节旋钮进行X，Y方向的调试。关于光路校正，需要注意以下两个方面。

图3 光路校正平台

（1）仪器在冷态情况下需进行初始校准。首先将红色可见光源激光发射器接入光纤中，使红色反射光投射至轴抛物面反射镜上，根据实际应用中的经验，一般选择抛物面的上半部分最佳；然后接入分析仪正式光源，由于分析仪发出的光源为不可见近红外光，与可见红光源有一定差异，需要进一步调整X方向或Y方向旋钮，使检测器在校准可调节范围有最大电流输出，最大输出电流正常范围为0.5～2.0 mA。

（2）正式开始测量时，由于烟气温度高达300℃以上，反射探枪在烟道内存在热变形量，需再次调整X，Y方向旋钮，保持检测器有一个较高的稳定电流输出值。应当注意的是，当烟道法兰测孔水平安装时，枪体由于自重的影响在Y方向上变形量较大，调校时电流波动范围较大，给调整带来很大难度，因此调整前需对反射探杆进行固定，以保证测量顺利进行。

3.2 过滤器堵塞

反射探杆的前置过滤器采用过玻璃纤维滤筒、碳化硅陶瓷滤芯和不锈钢烧结滤芯3种材质，现在根据使用过程中出现的问题对这3种材质过滤器进行比较分析。

玻璃纤维滤筒主要成分是特种超细玻璃棉，是烟尘的高效捕集过滤装置，由于高温下玻璃纤维韧性差、易破损，需要频繁更换，而在300℃高温下更换滤筒较为繁琐，对试验进度影响较大，特别是滤筒在试验过程中意外破损时，烟尘进入探枪内部，导致光路信号强度减弱，使得试验无法顺利进行。由于以上弊端，目前玻璃纤维滤筒已不再作为过滤器使用。

碳化硅陶瓷滤芯作为玻璃纤维滤筒的替代品，使用中性能较为稳定，但在测量过程中需要定期进行反吹清灰。由于碳化硅陶瓷导热性能较差［9］，当使用冷源空气吹扫后，再次抽取烟气进行测试时，碳化硅陶瓷滤芯温升较慢，会导致烟气中的硫酸氢铵在滤芯中沉积［10］，使得过滤器使用一段时间后出现堵塞，影响仪器正常使用。而碳化硅陶瓷本身强度较差，在搬运过程中容易出现碰撞破损，目前已逐渐被导热性能好、耐高温、强度高的不锈钢烧结滤芯所替代。

3.3 反射棱镜的污染与腐蚀

反射棱镜安装于探杆端部、过滤器尾部，使用一段时间后灰尘以及铁锈等杂质会附着在棱镜表面，造成镜面污染。此外，每次测试结束后，反射探杆需继续进行一段时间的反吹，将探杆内部的残余烟气清扫掉，防止烟气中腐蚀性气体在棱镜表面凝结而腐蚀反射面，减弱光谱信号强度。

3.4 光学隔离窗口污染

光学隔离窗口安装于反射探杆出气端，用于隔离烟气、投射光信号。使用中由于烟气中的水汽冷凝会导致窗口污染，在光学窗口内部埋设电加热圈加热镜片，避免水汽凝结，需外接24 V电源对电加热圈供电。需要注意的是，由于电加热圈导线较细，频繁使用后可能会出现电源接触不良的情况，当仪器使用过程中反射光谱信号逐渐降为零时，应检查电加热圈是否工作正常。

现场测试时，窗口镜片表面灰尘污染会影响光信号强度，先用干净的软布进行清理，然后用另一块干净的软布蘸取适量异丙醇擦拭镜面，擦拭时应特别小心，防止镜片被擦花而导致反射信号减弱。

3.5 烟道内静电干扰

当烟道内烟气静电较大时，会对分析仪主机产生静电干扰，导致测量值异常波动，因此，在氨逃逸测试过程中，要注意反射探杆的接地措施，当测试法兰孔打开后需要把密封胶或密封垫片清除掉，使反射探杆和法兰孔有效接触，静电直接通过金属法兰传导出去，起到接地作用。

当法兰孔径较大，需要用堵布对探杆和孔内壁间的缝隙进行填充时，应注意使用专用接地线接地，否则探杆与堵布摩擦产生的静电会对仪器主机产生更大的危害，严重时可能会导致电路元件损坏［11］。

3.6 主机高温过热

主机外壳采用密闭结构，以防止外部灰尘进入仪器内部。正常工作状态下，通过改变激光器的温度和注入电流来锁定激光束的波长，主机内部电器元件散热量较小，激光器温度能保持稳定，但在夏季，脱硝烟道附近温度较高时，主机工作状态下散热不良，会导致内部激光器达到高温报警值，仪器会自动停止工作。测试中应注意主机散热问题，避免直接放置在烟道保温上或有阳光暴晒的区域，使用中注意观察激光器温度曲线，当温度曲线大幅升高时应停止使用，将主机放置于通风阴凉处进行冷却。

3.7 采样泵流量低

仪器配置的采样泵流量出力为5 L/min，真空度为75 kPa，泵体密封性能较强。试验过程中采样泵内部会有硫酸铵盐沉积，逐渐堵塞泵体，导致抽气量明显降低，影响试验测试速度。试验过程中若发现分析仪氨逃逸值变化明显较慢，可将采样泵直接抽水进行内部冲洗，冲洗后采样泵可立即恢复正常抽力。

4 氨逃逸分析仪的维护注意事项

4.1 定期反吹反射探杆

仪器使用过程中，要定期对反射探杆进行反吹清扫，操作时将抽气采样泵管路抽气口与排气口反接，将空气通入枪室内，清除枪体内的残余烟气并对过滤器进行反吹清灰。

在进行喷氨优化试验时，烟道内不同区域氨逃逸质量浓度差别较大，特别是当测量完某一个氨逃逸质量浓度较高区域后，在切换到下一个区域前需要进行反吹，直到氨逃逸质量浓度降至仪器检出下限（0.38 mg/m3）以下，起到仪器归零的作用。实际操作中由于反吹清零过程较为缓慢，需要根据负荷工况时间计划以及实际烟道氨逃逸质量浓度水平，适当调整归零的下限值，以保证试验进度。

4.2 定期清理反射探杆

当测试烟道内氨逃逸质量浓度较高时，硫酸铵盐容易在反射探杆内部沉积。若探杆内部有硫酸铵盐沉积，再次插入烟道进行测试时，硫酸铵盐受热会分解生成气态NH3［12－13］，导致测量结果异常偏高，影响测量值的准确性。

此外，测试中还应注意酸性腐蚀气体对枪体内部的腐蚀。由于SO3在高温环境（315～370℃）下呈气态强酸性质，化学性质活泼、吸附性强，极易被枪体壁面吸附［14］，当测试现场燃煤硫分较高时，烟气中的SO3体积浓度也相应较高，枪体虽然采用316SS耐腐蚀材质，但在强腐蚀性气氛下枪体内仍会产生一定腐蚀，如图4所示。

图4 枪体内腐蚀情况

日常维护中应定期对探杆内部进行清理，清理时将探枪两段进行拆卸解体，用细铁刷等清理硫酸氢铵或铁锈等杂质，必要时可用热水冲洗探杆内部，冲洗后用稀盐酸进行擦拭，用干净抹布擦干后回装探杆拆卸部件，最后调光合格备用。

4.3 光学元件清理

（1）棱镜清理。仪器每使用3～5个现场后，需要对棱镜进行拆卸清理，保持棱镜表面清洁，有利于热态时保证反射光谱信号强度。应注意的是，在拆卸回装过程中，石墨密封圈要进行更换，否则法兰缝隙处密封不好，烟气中的飞灰会未经过滤直接进入枪体内，会在5～10 min内在棱镜表面附着，导致反射信号丢失。

（2）光纤接口清理。当用可见红光源完成对光后，若仪器在使用中出现反射光信号强度突然减弱，特别是在按压光纤接口，反射光信号强度又会突然增强时，很有可能是因为光纤接口被灰尘污染，光信号接触不良。因此，在仪器平常使用中，对光纤头及主机接口处要注意擦拭和维护，在仪器整理时需扣上光纤头保护帽，避免污染。

5 结束语

超净排放改造后脱硝系统的喷氨量会整体增加，由于氨氮摩尔比分布不均匀，脱硝出口区域氨逃逸质量浓度偏差会进一步增大，实时、准确地测量氨逃逸质量浓度，是脱硝系统喷氨优化调整的工作中重要的一环。本文对M－NH3便携式氨逃逸分析仪在现场试验中出现的各类问题进行分析，总结了相应的仪器维护措施。熟悉氨逃逸分析仪的工作原理及结构，掌握仪器各项操作细节，不仅能快速、准确完成氨逃逸的测试，同时也大大降低了试验人员的工作量和劳动强度，使得喷氨优化调整试验的工作效率有了很大的提升。

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（本文责编：刘芳）

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1674－1951（2016）10－0033－04

程金武（1985—），男，河南洛阳人，工程师，工学硕士，从事燃煤电厂锅炉及脱硝系统试验技术研究（E-mail：cjw_ hnepri＠163.com）。

2016－08－18；

2016－09－09