燃煤电厂脱硝过程中逃逸氨激光检测

王 芳， 付作伟， 闫宝全， 邵 欣

(1.内蒙古阿拉善生态环境监测站，内蒙古 阿拉善盟 750306；2.中创精仪( 天津) 科技有限公司，天津 300301；3.天津中德应用技术大学，天津 300350)

引 言

研究表明，大气中的氮氧化物(NOx)有助于形成酸雨、光化学烟雾和破坏臭氧层，它们对环境极为有害。燃煤电厂的高温燃烧过程是NOx产生的重要来源之一。为了减少燃煤电厂在燃烧过程中释放氮氧化物(NOx)等污染物，已经开发了几种不同的NOx还原方法(脱硝工艺)，其中，最常见的脱硝工艺为选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)技术。在这个技术中对喷氨量、喷氨时间以及喷氨速度严格控制对于脱硝效率有着决定性的影响。因此，实时监测烟气中逃逸NH3浓度、H2O浓度以及温度是十分必要的[1]。

可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)具有高灵敏度和短响应时间等优点，已经被广泛应用于燃煤电厂脱硝氨逃逸的检测。Webber等[2]利用1.5 μm外腔二极管激光传感器，在2.4 m光程和465 K温度下测得NH3的最低检测限为22×10-6；然而，在高温和低NH3浓度环境下，CO2和H2O的跃迁对吸收光谱的干扰明显升高，传感器的性能也随之降低。Chuanliang Li等[3]利用1.53 μm的分布反馈二极管激光器，在15 m光程和415 K温度下测得NH3的最低检测限为0.16×10-6，然而该传感器在实际测量过程中需加热到一定温度以上，否则将出现氨吸附的情况，从而影响测量的准确性。Stritzke等[4-5]利用2.20 μmDFB激光传感器，在138 mm光程和800 K温度下测得NH3的检测限为50×10-6～70×10-6；之后，经过改进，在247 mm光程和高于800 K温度下测得NH3的检测限为10×10-6，然而，当待测气体浓度过低时， H2O和CO2会对该传感器造成强烈干扰导致测量失效。Chao等[6]利用2.25 μmDFB激光传感器，在3.58 m光程和620 K温度下测得NH3的最低检测限为15×10-6；实现了乙烯-空气燃烧器尾气中NH3和NO浓度的同时检测，然而，该波段中碳氢化合物中C-H键的光谱干扰会明显降低传感器的性能。Miller等[7]利用9.06 μmQCL开放式激光传感器，在30 m～60 m光程下测得大气中NH3的最低检测限为0.15×10-9；但该波段内极易受到温度波动和其他NH3谱线的干扰，故不适合用于工业领域。Peng W Y等[8]采用基于10.6 μm量子级联激光器(QCL)的直接吸收光谱方案，在1.79 m光程和600 K温度下测得NH3的最低检测限为2.815×10-6；该研究在不牺牲信噪比的情况下降低了H2O和CO2的干扰，对NH3的检测灵敏度比较高，但是中红外QCL方案成本很高。

根据市场上激光传感器系统的测量种类可知，便携式脱硝氨逃逸激光检测仪正在向小型化、多组分、多参量同时检测的方向发展，为满足燃煤电厂脱硝过程检测的实际需求，本文基于单个近红外的DFB激光器和波长调制光谱(WMS)技术，开发了一种小型化便携式的激光检测仪，实现逃逸氨浓度、水蒸气浓度以及温度的同时测量。并通过对该传感器进行实地检测，验证了系统的有效性和可靠性。

1 方法

1.1 WMS-2f/1f

目前，WMS技术在TDLAS激光检测系统被广泛采用，当扫描波长被频率为fm的高频调制信号调制时，激光器同时产生频率调制(FM)与强度调制(IM)6，如式(1)和式(2)所示[9]。

v(t)=v0+mcos(aπfmt)

(1)

(2)

根据朗伯-比尔定律[10]，对于光学薄的情况下[吸光度α(v)<0.05]，利用级数展开对透射率τ(v)进行近似描述，如式(3)所示。

τ(v)=exp[-α(v)]≈1-α(v)

=1-S(T)·P·χabs·L·φ(v)

(3)

吸光度α(v)傅立叶形式的改写表达式如式(4)所示。

(4)

其中，Hk(v0,m)分别为调制后的各项傅里叶系数。

WMS中可利用锁相放大器同时检测一次谐波(1f)信号和二次谐波(2f)，并使用1f对2f信号进行归一化处理，得到2f吸收信号峰值与1f吸收信号平均中值的比值Z2f / 1f，如式(5)所示。

由式(5)可以得出，WMS-2f/1f信号可以降低激光强度漂移和共模噪声以及无吸收损耗，可以提高激光的稳定性。当激光器通过波数校正得到参数i0、ψ1后，通过检测到的吸收信号与仿真信号进行多谱线拟合，即可得到待测气体的浓度和温度，实现无标测量。

1.2 WMS-2f/1f双线测温

WMS双线测温法[11]测量同一气体的两条吸收谱线，两条谱线的WMS-2f/1f信号峰高之比为温度的唯一单调单值函数，通过两条谱线的峰高比即可推断出所测气体的温度。由于两条WMS-2f/1f吸收谱线测量的是在同一压力、同一摩尔分数的气体，并且是在同一个光程下测得的，因此WMS-2f/1f信号峰高的比值R2f/1f可以由式(6)来表示。

当调制深度a取合适值使得两条谱线的调制指数m≤2.2[12]时，式(6)中的积分项近似相等，测得的信号峰高比在较大的温度范围内都可以简化为线强之比，即有式(7)。

(7)

其中，线性调制幅度i01和i02可以提前测量。因此，由测量的标准化的峰高比结合事先得到的线强温度函数就可以直接推算出待测温度。

1.3 谱线选择与分析

选择近红外吸收谱线波段6610.5 cm-1～6613.5 cm-1为目标测量谱段，如第51页图1所示，在该波段内，有4条H2O的谱线和丰富的NH3吸收谱线，单个近红外的DFB激光器可以很好地覆盖这些谱线。由吸光度表明，这些跃迁足够强，可以同时检测脱硝过程中的逃逸氨和水蒸气。而且在同等条件下CO、CO2、NO等气体在该波段内比NH3和H2O吸收线强低4个数量级，对测量的干扰可忽略不计。

1.4 气体浓度反演算法

选择NH3的吸收谱线以及H2O的第一条和第三条谱线的调制幅度，使其调制指数m都为2.2。同时采集到解调后的WMS-2f和1f信号，根据式(7)将H2O的两条谱线的WMS-2f和1f信号进行处理，测量出线强之比从而得到温度T，然后根据所得到的温度仿真出H2O和NH3在对应温度和压强下的WMS-2f/1f吸收信号，利用LM算法将测量得到H2O和NH3的WMS-2f/1f曲线与之进行最小二乘线性拟合，可得到H2O和NH3浓度，具体流程如第51页图2所示。

图1 吸收光谱及线强(数据来源：HITRAN)

图2 多谱线拟合算法流程图

2 激光检测仪系统构成

便携式激光检测仪分为主机和探枪两部分。主机部分包括一个DFB半导体激光器、激光驱动电路、锁相放大器、嵌入式处理器等模块，探枪包括光电探测器、光纤准直器和多光程气体池[13]。传感器总体方案设计原理如图3所示。

图3 传感器总体方案设计原理图

本激光检测仪工作的具体流程为：首先将探枪插入待测的SCR反应器后面的烟道测孔中。然后通过气泵将烟道内的烟气抽入到气室内，经过一段时间的冲洗和预热后，可以通过锁相放大模块检测到待测气体吸收信号的波形并对其进行波长调制，将调制后的信号输送给激光驱动模块，然后和温度控制模块一起驱动激光器将电流信号转化为所需要的光信号；将得到的光信号经过光纤准直器输入到多光程气体池的气室内，经过多次反射后通过光电探测器进行检测并将其转换为电信号，然后通过锁相放大模块进行解调，最后将解调后的信号输入到嵌入式处理器进行采集和处理后即可得到烟道内逃逸氨和水蒸汽的浓度还有烟道内的温度[15-18]。

3 现场测试

在某燃煤电厂进行实地现场测量以验证该传感器的性能。在现场测量时，首先调整好采样系统的光路部分，并将探枪外接2 m的延长杆之后通过SCR反应器后面烟道的预留测孔插入测点中，如图4所示，连接好线路后开启采样气泵，将烟道内的烟气抽入到气室内，约10 min后，待气室内壁的温度达到稳定时，开始测量NH3浓度、温度、H2O浓度等物理量[19-20]。

图4 便携式激光检测仪在燃煤电厂脱硝现场测量安装示意图

实验过程中采集的原始数据如图5所示，在一个锯齿扫描周期内同时覆盖了氨气和水的3个吸收峰，对应的WMS-1f和2f信号分别如图5a)和b)所示，将氨气和水的吸收线分别提取出来，并按照第二节中的理论进行处理得到WMS-2f/1f信号，按照图2的算法进行处理，实测结果和仿真结果的拟合如第52页图6所示，二者具有相当好的一致性，按照算法处理之后得到氨气和水蒸气的浓度以及温度值，并输出在显示屏截面显示，如第52页图7所示。

图5 实测WMS-1f信号a)和WMS-2f信号b)

图6 水和氨气的WMS-2f/1f信号的测量信号与仿真信号的拟合结果

图7 激光逃逸氨检测仪的显示界面

根据图2的算法流程反演H2O浓度和温度，通过对谱线进行解析可得，实际测量环境中的温度为426.1 K，水蒸气质量分数为7%。然后通过线性最小二乘法对该氨气吸收谱线进行反演，得到氨气质量分数2.78×10-6[21-23]。通过对现场连续的数据进行再分析，记录典型的8次NH3浓度、温度和H2O浓度测量参数的变化情况，如表1所示。

将上述现场测量结果与燃煤电厂在线式激光传感器的测量结果进行实时对比，在同一时刻，氨气浓度、水蒸气浓度和温度的最大测量偏差分别为2.5%、5.2%和15%。该结果证明本便携式传感器系统在燃煤电厂脱硝过程中对NH3浓度、温度、H2O浓度的测量误差在允许范围内，可用于现场应用。

表1 现场测量中8次测量结果

4 结语

本文基于可调谐激光吸收光谱技术，采用WMS技术，利用近红外DFB激光器开发了一套低成本的激光检测仪，通过将多谱线拟合算法与LM算法相结合，根据吸收谱线拟合得到了气体的温度和水蒸气浓度，并将WMS-2f/1f技术和线性最小二乘法相结合实现了对NH3浓度的无标测量。用于同时监测燃煤电厂脱硝尾气中氨气浓度、温度和水蒸气浓度。最后，对激光检测仪应用于燃煤电厂脱硝尾气的现场测试，得到NH3浓度、温度和H2O浓度的最大测量偏差分别为2.5%、5.2%和15%。实验结果表明，本激光传感器系统能够满足燃煤电厂的恶劣工况下对于脱硝逃逸NH3的实时检测要求。