氨逃逸現(xiàn)場移動測試技術研究及問題分析

程金武

（大唐華中電力試驗研究所，鄭州 450000）

氨逃逸現(xiàn)場移動測試技術研究及問題分析

程金武

（大唐華中電力試驗研究所，鄭州 450000）

燃煤機組超凈排放改造后，脫硝系統(tǒng)噴氨量整體增加，區(qū)域氨逃逸質(zhì)量濃度增大。為進行基于氨逃逸濃度場的噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗，需分區(qū)域?qū)崟r測試氨逃逸質(zhì)量濃度。結(jié)合大量測試經(jīng)驗，對M－NH3便攜式氨逃逸分析儀現(xiàn)場測試中出現(xiàn)的光路校正、光譜信號強度弱、過濾器堵塞、靜電干擾、硫酸銨鹽沉積、反射探桿及光學元件污染等問題進行了分析，總結(jié)了儀器維護措施，為提高氨逃逸測試的準確性和穩(wěn)定性奠定基礎。

脫硝系統(tǒng)；氨逃逸；便攜式分析儀；光譜信號；反射探桿

0 引言

目前，燃煤機組煙氣脫硝系統(tǒng)普遍采用選擇性催化還原（SCR）法，SCR系統(tǒng)在反應過程中不可避免地會出現(xiàn)氨逃逸現(xiàn)象。當氨逃逸質(zhì)量濃度較高時，會與煙氣中SO3反應生成（NH4）2SO4和NH4HSO4等酸性物質(zhì)堵塞空氣預熱器，造成爐膛負壓波動、煙風系統(tǒng)阻力增大、負荷受限等一系列問題［1－2］。

為解決以上問題，保障脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟、高效運行，發(fā)電企業(yè)通常采取噴氨優(yōu)化試驗，對SCR反應器出口氨逃逸濃度場進行分區(qū)優(yōu)化調(diào)整［3－4］，以提高噴氨系統(tǒng)氨氮摩爾比的均勻性，減少氨逃逸質(zhì)量濃度。目前，測量SCR系統(tǒng)出口氨逃逸的方法主要有便攜式在線儀器分析法和化學取樣法［5］，化學取樣法在優(yōu)化調(diào)整時無法做到實時測量、實時調(diào)整，而便攜式氨氣體分析儀得到了越來越多的應用，已經(jīng)成為噴氨優(yōu)化調(diào)整工作中氨逃逸的主要測量方式。

1 便攜式氨逃逸測量技術

目前，主流便攜式氨逃逸測量技術分為激光原位測量法和激光抽取測量法兩種［6］。兩者均以可調(diào)式二極管激光吸收光譜（TDLAS）［7］技術為基礎，不同的是激光抽取法通過高溫伴熱管線將煙氣抽入外置的高溫檢測池中，結(jié)合多光程反射，實現(xiàn)對氨逃逸質(zhì)量濃度的測量。該類儀器以某公司的LDAS－3000型直接抽取式氨逃逸分析儀為代表，特點是探槍較輕便，取樣管采用全程高溫伴熱，儀器使用前無需校光，解決了易受水汽、液滴、煙道振動等因素干擾的問題，但取樣管路容易產(chǎn)生硫酸氫銨沉積，主機質(zhì)量較大，使用前需進行預熱。

激光原位法的測量腔室布置在探桿內(nèi)部，測試時將探桿插入煙道，利用煙道高溫煙氣加熱探槍至300℃以上，連接在探桿末端的抽氣泵將煙氣抽入探槍內(nèi)部，通過激光單次反射測量氨逃逸質(zhì)量濃度［8］。該類儀器以某公司的M－NH3型便攜式氨逃逸分析儀為代表，特點是光學元件與探桿一體化設計，探桿體積較大，使用前需要進行光路校準工作，但主機較為輕便，儀器整體便于維護，使用前無需預熱。

本文對加拿大Unisearch公司生產(chǎn)的M－NH3便攜式氨氣體分析儀的工作原理和結(jié)構進行介紹，結(jié)合大量的使用經(jīng)驗，對儀器在現(xiàn)場測試中出現(xiàn)的常見問題進行分析。

2 M－HN3便攜式氨逃逸分析儀簡介

M－HN3便攜式氨氣體分析儀是一款TDLAS氣體分析儀，采用原位法激光測量技術。整套儀器包含便攜式反射探桿、氣體采樣泵、同軸信號線纜、光纖信號線以及分析儀主機，如圖1所示。其中反射式探桿采取全密封設計，前端內(nèi)置有高精度不銹鋼過濾器，可以有效過濾煙氣中的灰塵，可根據(jù)測量需求增加延長桿。使用中將反射式探桿插入煙道內(nèi)部，抽氣泵將氣體抽入反射式探桿中，利用高溫煙氣加熱，保證探桿中樣氣溫度維持在300℃以上。

分析儀主機使用波長約為1500 nm的近紅外二極管激光器為光源，工作時將采集的校準池光譜作為基準光譜，計算校準池實時測量光譜與基準光譜的偏差并反饋到控制中心，通過調(diào)節(jié)激光器的溫度以及注入電流來鎖定激光束的波長［2－3］。如圖2所示，激光束通過光纖傳輸?shù)綑z測光學端，穿過反射探桿中的被檢測氣體后，被棱鏡反射回軸拋物面并聚焦到光電信號檢測器，后者將吸收光譜信號通過同軸電纜傳回分析儀，分析儀通過分析計算吸收光譜得到檢測氣體的質(zhì)量濃度，分析儀內(nèi)置標準氨氣參比模塊，實時鎖住氨氣吸收譜線，系統(tǒng)處于實時校正狀態(tài)，試驗前無需標定。

圖1 分析儀測量示意

圖2 光學系統(tǒng)原理

3 現(xiàn)場測試常見問題

3.1 光路校正問題

M－NH3便攜式氨氣體分析儀使用中經(jīng)常需要對反射探桿光路進行校準，光路的校準水平直接關系到分析儀能否長時間穩(wěn)定工作。校準時通過圖3中兩個光路調(diào)節(jié)旋鈕進行X，Y方向的調(diào)試。關于光路校正，需要注意以下兩個方面。

圖3 光路校正平臺

（1）儀器在冷態(tài)情況下需進行初始校準。首先將紅色可見光源激光發(fā)射器接入光纖中，使紅色反射光投射至軸拋物面反射鏡上，根據(jù)實際應用中的經(jīng)驗，一般選擇拋物面的上半部分最佳；然后接入分析儀正式光源，由于分析儀發(fā)出的光源為不可見近紅外光，與可見紅光源有一定差異，需要進一步調(diào)整X方向或Y方向旋鈕，使檢測器在校準可調(diào)節(jié)范圍有最大電流輸出，最大輸出電流正常范圍為0.5～2.0 mA。

（2）正式開始測量時，由于煙氣溫度高達300℃以上，反射探槍在煙道內(nèi)存在熱變形量，需再次調(diào)整X，Y方向旋鈕，保持檢測器有一個較高的穩(wěn)定電流輸出值。應當注意的是，當煙道法蘭測孔水平安裝時，槍體由于自重的影響在Y方向上變形量較大，調(diào)校時電流波動范圍較大，給調(diào)整帶來很大難度，因此調(diào)整前需對反射探桿進行固定，以保證測量順利進行。

3.2 過濾器堵塞

反射探桿的前置過濾器采用過玻璃纖維濾筒、碳化硅陶瓷濾芯和不銹鋼燒結(jié)濾芯3種材質(zhì)，現(xiàn)在根據(jù)使用過程中出現(xiàn)的問題對這3種材質(zhì)過濾器進行比較分析。

玻璃纖維濾筒主要成分是特種超細玻璃棉，是煙塵的高效捕集過濾裝置，由于高溫下玻璃纖維韌性差、易破損，需要頻繁更換，而在300℃高溫下更換濾筒較為繁瑣，對試驗進度影響較大，特別是濾筒在試驗過程中意外破損時，煙塵進入探槍內(nèi)部，導致光路信號強度減弱，使得試驗無法順利進行。由于以上弊端，目前玻璃纖維濾筒已不再作為過濾器使用。

碳化硅陶瓷濾芯作為玻璃纖維濾筒的替代品，使用中性能較為穩(wěn)定，但在測量過程中需要定期進行反吹清灰。由于碳化硅陶瓷導熱性能較差［9］，當使用冷源空氣吹掃后，再次抽取煙氣進行測試時，碳化硅陶瓷濾芯溫升較慢，會導致煙氣中的硫酸氫銨在濾芯中沉積［10］，使得過濾器使用一段時間后出現(xiàn)堵塞，影響儀器正常使用。而碳化硅陶瓷本身強度較差，在搬運過程中容易出現(xiàn)碰撞破損，目前已逐漸被導熱性能好、耐高溫、強度高的不銹鋼燒結(jié)濾芯所替代。

3.3 反射棱鏡的污染與腐蝕

反射棱鏡安裝于探桿端部、過濾器尾部，使用一段時間后灰塵以及鐵銹等雜質(zhì)會附著在棱鏡表面，造成鏡面污染。此外，每次測試結(jié)束后，反射探桿需繼續(xù)進行一段時間的反吹，將探桿內(nèi)部的殘余煙氣清掃掉，防止煙氣中腐蝕性氣體在棱鏡表面凝結(jié)而腐蝕反射面，減弱光譜信號強度。

3.4 光學隔離窗口污染

光學隔離窗口安裝于反射探桿出氣端，用于隔離煙氣、投射光信號。使用中由于煙氣中的水汽冷凝會導致窗口污染，在光學窗口內(nèi)部埋設電加熱圈加熱鏡片，避免水汽凝結(jié)，需外接24 V電源對電加熱圈供電。需要注意的是，由于電加熱圈導線較細，頻繁使用后可能會出現(xiàn)電源接觸不良的情況，當儀器使用過程中反射光譜信號逐漸降為零時，應檢查電加熱圈是否工作正常。

現(xiàn)場測試時，窗口鏡片表面灰塵污染會影響光信號強度，先用干凈的軟布進行清理，然后用另一塊干凈的軟布蘸取適量異丙醇擦拭鏡面，擦拭時應特別小心，防止鏡片被擦花而導致反射信號減弱。

3.5 煙道內(nèi)靜電干擾

當煙道內(nèi)煙氣靜電較大時，會對分析儀主機產(chǎn)生靜電干擾，導致測量值異常波動，因此，在氨逃逸測試過程中，要注意反射探桿的接地措施，當測試法蘭孔打開后需要把密封膠或密封墊片清除掉，使反射探桿和法蘭孔有效接觸，靜電直接通過金屬法蘭傳導出去，起到接地作用。

當法蘭孔徑較大，需要用堵布對探桿和孔內(nèi)壁間的縫隙進行填充時，應注意使用專用接地線接地，否則探桿與堵布摩擦產(chǎn)生的靜電會對儀器主機產(chǎn)生更大的危害，嚴重時可能會導致電路元件損壞［11］。

3.6 主機高溫過熱

主機外殼采用密閉結(jié)構，以防止外部灰塵進入儀器內(nèi)部。正常工作狀態(tài)下，通過改變激光器的溫度和注入電流來鎖定激光束的波長，主機內(nèi)部電器元件散熱量較小，激光器溫度能保持穩(wěn)定，但在夏季，脫硝煙道附近溫度較高時，主機工作狀態(tài)下散熱不良，會導致內(nèi)部激光器達到高溫報警值，儀器會自動停止工作。測試中應注意主機散熱問題，避免直接放置在煙道保溫上或有陽光暴曬的區(qū)域，使用中注意觀察激光器溫度曲線，當溫度曲線大幅升高時應停止使用，將主機放置于通風陰涼處進行冷卻。

3.7 采樣泵流量低

儀器配置的采樣泵流量出力為5 L/min，真空度為75 kPa，泵體密封性能較強。試驗過程中采樣泵內(nèi)部會有硫酸銨鹽沉積，逐漸堵塞泵體，導致抽氣量明顯降低，影響試驗測試速度。試驗過程中若發(fā)現(xiàn)分析儀氨逃逸值變化明顯較慢，可將采樣泵直接抽水進行內(nèi)部沖洗，沖洗后采樣泵可立即恢復正常抽力。

4 氨逃逸分析儀的維護注意事項

4.1 定期反吹反射探桿

儀器使用過程中，要定期對反射探桿進行反吹清掃，操作時將抽氣采樣泵管路抽氣口與排氣口反接，將空氣通入槍室內(nèi)，清除槍體內(nèi)的殘余煙氣并對過濾器進行反吹清灰。

在進行噴氨優(yōu)化試驗時，煙道內(nèi)不同區(qū)域氨逃逸質(zhì)量濃度差別較大，特別是當測量完某一個氨逃逸質(zhì)量濃度較高區(qū)域后，在切換到下一個區(qū)域前需要進行反吹，直到氨逃逸質(zhì)量濃度降至儀器檢出下限（0.38 mg/m3）以下，起到儀器歸零的作用。實際操作中由于反吹清零過程較為緩慢，需要根據(jù)負荷工況時間計劃以及實際煙道氨逃逸質(zhì)量濃度水平，適當調(diào)整歸零的下限值，以保證試驗進度。

4.2 定期清理反射探桿

當測試煙道內(nèi)氨逃逸質(zhì)量濃度較高時，硫酸銨鹽容易在反射探桿內(nèi)部沉積。若探桿內(nèi)部有硫酸銨鹽沉積，再次插入煙道進行測試時，硫酸銨鹽受熱會分解生成氣態(tài)NH3［12－13］，導致測量結(jié)果異常偏高，影響測量值的準確性。

此外，測試中還應注意酸性腐蝕氣體對槍體內(nèi)部的腐蝕。由于SO3在高溫環(huán)境（315～370℃）下呈氣態(tài)強酸性質(zhì)，化學性質(zhì)活潑、吸附性強，極易被槍體壁面吸附［14］，當測試現(xiàn)場燃煤硫分較高時，煙氣中的SO3體積濃度也相應較高，槍體雖然采用316SS耐腐蝕材質(zhì)，但在強腐蝕性氣氛下槍體內(nèi)仍會產(chǎn)生一定腐蝕，如圖4所示。

圖4 槍體內(nèi)腐蝕情況

日常維護中應定期對探桿內(nèi)部進行清理，清理時將探槍兩段進行拆卸解體，用細鐵刷等清理硫酸氫銨或鐵銹等雜質(zhì)，必要時可用熱水沖洗探桿內(nèi)部，沖洗后用稀鹽酸進行擦拭，用干凈抹布擦干后回裝探桿拆卸部件，最后調(diào)光合格備用。

4.3 光學元件清理

（1）棱鏡清理。儀器每使用3～5個現(xiàn)場后，需要對棱鏡進行拆卸清理，保持棱鏡表面清潔，有利于熱態(tài)時保證反射光譜信號強度。應注意的是，在拆卸回裝過程中，石墨密封圈要進行更換，否則法蘭縫隙處密封不好，煙氣中的飛灰會未經(jīng)過濾直接進入槍體內(nèi)，會在5～10 min內(nèi)在棱鏡表面附著，導致反射信號丟失。

（2）光纖接口清理。當用可見紅光源完成對光后，若儀器在使用中出現(xiàn)反射光信號強度突然減弱，特別是在按壓光纖接口，反射光信號強度又會突然增強時，很有可能是因為光纖接口被灰塵污染，光信號接觸不良。因此，在儀器平常使用中，對光纖頭及主機接口處要注意擦拭和維護，在儀器整理時需扣上光纖頭保護帽，避免污染。

5 結(jié)束語

超凈排放改造后脫硝系統(tǒng)的噴氨量會整體增加，由于氨氮摩爾比分布不均勻，脫硝出口區(qū)域氨逃逸質(zhì)量濃度偏差會進一步增大，實時、準確地測量氨逃逸質(zhì)量濃度，是脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整的工作中重要的一環(huán)。本文對M－NH3便攜式氨逃逸分析儀在現(xiàn)場試驗中出現(xiàn)的各類問題進行分析，總結(jié)了相應的儀器維護措施。熟悉氨逃逸分析儀的工作原理及結(jié)構，掌握儀器各項操作細節(jié)，不僅能快速、準確完成氨逃逸的測試，同時也大大降低了試驗人員的工作量和勞動強度，使得噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗的工作效率有了很大的提升。

［1］陳飛.氨逃逸造成布袋除塵器糊袋的原因及解決措施［J］.熱電技術，2015（4）：45－48.

［2］馬雙忱，金鑫，孫云雪，等.SCR煙氣脫硝過程硫酸氫銨的生成機理與控制［J］.熱力發(fā)電，2010，39（8）：12－17.

［3］曹志勇，譚城軍，李建中，等.燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗［J］.中國電力，2011，44（11）：55－58.

［4］胡勁逸.基于氨逃逸濃度場的SCR噴氨協(xié)調(diào)優(yōu)化控制［D］.杭州：浙江大學，2015.

［5］周新剛，林曉，趙晴川，等.某電廠300 MW燃煤機組SCR噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2016，32（2）：43－46.

［6］陳志華，王富生.基于抽取式激光檢測方法的氨逃逸監(jiān)測系統(tǒng)及其關鍵技術研究［J］.科技經(jīng)濟導刊，2015（10）：156－158.

［7］李潘，汪冰冰，劉楨，等.脫硝工藝中氨逃逸在線監(jiān)測技術研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2015，41（10）：92－94.

［8］何瑩，張玉鈞，王立明，等.高溫氨逃逸激光原位監(jiān)測的濃度反演算法［J］.紅外與激光工程，2014，43（3）：897－901.

［9］曹俊倡，薛友祥，趙世凱.碳化硅質(zhì)陶瓷膜材料評價方法的選擇及材料評價［J］.現(xiàn)代技術陶瓷，2014，35（6）：3－7.

［10］龐海宇，趙峰，秦偉，等.CEMS系統(tǒng)缺陷分析處理及預防維護［J］.能源環(huán)境保護，2015，29（4）：27－29，51.

［11］馬強強.靜電放電對電子線路干擾的研究［D］.濟南：山東大學，2012.

［12］束航.SCR煙氣脫硝過程中硫酸（氫）銨細顆粒生成及分解特性研究［D］.南京：東南大學，2015.

［13］SI F Q，ROMERO C E，YAO Z，et al.Inferential sensor for on-line monitoring of ammonium bisulfate formation temperature in coal-fired power plants［J］.Fuel processing technology，2009，90（1）：56－66.

［14］羅漢成，潘衛(wèi)國，丁紅蕾，等.燃煤鍋爐煙氣中SO3的產(chǎn)生機理及其控制技術［J］.鍋爐技術，2015，46（6）：69－72.

（本文責編：劉芳）

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1674－1951（2016）10－0033－04

程金武（1985—），男，河南洛陽人，工程師，工學碩士，從事燃煤電廠鍋爐及脫硝系統(tǒng)試驗技術研究（E-mail：cjw_ hnepri＠163.com）。

2016－08－18；

2016－09－09