燃煤電廠脫硝氨逃逸檢測(cè)應(yīng)用現(xiàn)狀與分析

劉曉萌 張冉 何永兵 魏宏鴿

摘 要：對(duì)火電廠脫硝氨逃逸監(jiān)測(cè)方法與現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹論述。分別介紹了氨逃逸在線(xiàn)檢測(cè)與離線(xiàn)檢測(cè)方法并分析對(duì)比各種檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比14臺(tái)SCR脫硝反應(yīng)器取樣實(shí)測(cè)氨逃逸率數(shù)值與在線(xiàn)氨逃逸率數(shù)值，發(fā)現(xiàn)取樣離線(xiàn)實(shí)測(cè)氨逃逸率準(zhǔn)確性要遠(yuǎn)大于在線(xiàn)檢測(cè)。分析造成這樣現(xiàn)象的原因得出在線(xiàn)檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置方式是影響在線(xiàn)氨逃逸率檢測(cè)準(zhǔn)確性主要原因。并提出改進(jìn)建議。為下一步SCR脫硝氨逃逸監(jiān)測(cè)方法改進(jìn)提供支撐。

關(guān)鍵詞：氨逃逸；火力發(fā)電；SCR脫硝；檢測(cè)方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.160

0 前言

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，重點(diǎn)地區(qū)大中型燃煤火力電廠煙氣排放基本完成超低排放改造，煙氣脫硝技術(shù)均采用選擇性催化還原法（SCR）或非選擇性催化還原法（SNCR），使煙氣NOx排放濃度在50mg/m3（標(biāo)態(tài)，干基，6%O2）以下[1]。其中采用SCR技術(shù)煙氣脫硝機(jī)組占全部機(jī)組90%以上[2]。SCR法脫硝技術(shù)是目前世界上應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的煙氣脫硝技術(shù)，具有脫硝效率高、維護(hù)方便、便于管理控制、運(yùn)行可靠等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[3]。SCR法脫硝所用還原劑一般為氨氣（NH3），高溫條件下NH3在催化劑作用下，與煙氣中氮氧化物（NOx）反應(yīng)將NOx還原成氮?dú)猓∟2）而將其脫出[4]。因此在保證脫硝效率前提下，脫硝系統(tǒng)要噴入足夠量的NH3。這就存在NH3反應(yīng)不完全、超標(biāo)逃逸問(wèn)題（簡(jiǎn)稱(chēng)氨逃逸）。氨逃逸是目前SCR脫硝系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)題，當(dāng)氨逃逸濃度較大時(shí)，NH3會(huì)和煙氣中三氧化硫（SO3）反應(yīng)生成硫酸氫銨（NH4HSO4）。NH4HSO4的生成會(huì)嚴(yán)重影響下游設(shè)備如空預(yù)器的運(yùn)行，有造成堵塞腐蝕潛在風(fēng)險(xiǎn)，使煙氣系統(tǒng)壓力阻力升高，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行[5]。控制氨逃逸率大小，對(duì)于機(jī)組控制氨耗量，減少空預(yù)器堵塞腐蝕，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。目前火電廠氨逃逸監(jiān)測(cè)手段主要分為在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和離線(xiàn)分析監(jiān)測(cè)[6]。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法主要有原位式激光分析方法、抽取式分析方法等，離線(xiàn)檢測(cè)方法主要有靛酚藍(lán)分光光度法、容量法、離子選擇電極法、離子色譜法等。火電廠為便于脫硝運(yùn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，SCR反應(yīng)器氨逃逸監(jiān)測(cè)基本采用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方式[7]。

1 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法介紹

1.1 原位式激光分析方法

原位式激光分析方法原理是應(yīng)用可調(diào)二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)[8]。該技術(shù)是利用激光單色性對(duì)特定氣體吸收特性來(lái)對(duì)煙氣成分中的氨氣進(jìn)行測(cè)定。該方法的選擇性與靈敏度極高[9]。具體應(yīng)用到電廠氨逃逸檢測(cè)是在SCR系統(tǒng)出口煙道的對(duì)側(cè)或者對(duì)角安裝激光發(fā)射端和激光接收端，激光發(fā)射端發(fā)射出特定波長(zhǎng)的激光，煙氣中的NH3吸收此特定波長(zhǎng)激光形成吸收光譜，吸收光譜信息在激光接收端被捕捉，通過(guò)對(duì)吸收光譜的分析得出煙氣中NH3濃度。但是在電廠實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該方法卻有局限性。第一，SCR系統(tǒng)一般安裝在鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間（即除塵器之前），煙氣含塵量很高，大量灰塵會(huì)嚴(yán)重影響激光投射光程，造成分析精度的下降，同時(shí)大量高速飛灰嚴(yán)重磨損激光探頭，容易造成檢測(cè)系統(tǒng)損壞與失效；第二，激光發(fā)射端與激光接收端要求中心嚴(yán)格完全對(duì)稱(chēng)。但在煙道實(shí)際安裝過(guò)程中很難保證，且鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生震動(dòng)造成發(fā)射探頭與接受探頭相互錯(cuò)位，嚴(yán)重影響吸收光譜信息的捕捉；第三，隨著鍋爐負(fù)荷變化，煙氣溫度也有較大波動(dòng)，造成分析檢測(cè)環(huán)境變化，也會(huì)影響分析準(zhǔn)確度。

1.2 抽取式分析法

1.2.1 稀釋取樣轉(zhuǎn)化分析法

稀釋取樣轉(zhuǎn)化分析法是將煙氣分三路進(jìn)入分析儀，一路將煙氣中HN3和NO2在750℃高溫爐中轉(zhuǎn)化成NO，分析測(cè)得TN總氮濃度；另一路將NOx在325℃高溫爐中轉(zhuǎn)化成NO，測(cè)得NOx濃度；最后一路不經(jīng)處理直接測(cè)得NO濃度，則氨逃逸濃度為NT減去NOx濃度。此分析方法的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，分析儀器工作環(huán)境較好，測(cè)量精度較高[10]。但此法的缺陷是在抽樣過(guò)程中氨的損耗不便于控制，另外在高溫爐中的轉(zhuǎn)化效率并沒(méi)有達(dá)到百分之百，需要根據(jù)具體情況設(shè)定一定的修正系數(shù)[11]。

1.2.2 取樣激光分析法

取樣激光分析法又稱(chēng)為抽取式激光分析法，該方法檢測(cè)原理與原位式激光分析方法原理相同[12]。都是利用激光的單色性對(duì)特定氣體的吸收特性來(lái)對(duì)煙氣成分中的氨氣進(jìn)行測(cè)定。該方法的測(cè)試工藝一般由高溫取樣探頭、預(yù)處理單元、測(cè)試單元及清洗標(biāo)定單元組成。該方法將高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)高溫區(qū)氧探頭全程伴熱（一般220℃以上）抽取，經(jīng)過(guò)冷凝預(yù)處理之后在測(cè)量單元中通過(guò)TDLAS技術(shù)將氣體檢測(cè)分析，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集處理得到氨氣體的濃度。該方法優(yōu)點(diǎn)是幾乎沒(méi)有煙塵干擾，準(zhǔn)確性比在線(xiàn)激光分析方法高。缺點(diǎn)是取樣過(guò)程故障率較高，維護(hù)工作量較大。

2 離線(xiàn)分析方法介紹

相比在線(xiàn)分析方法，氨逃逸離線(xiàn)分析方法則有更高準(zhǔn)確性。在線(xiàn)分析方法準(zhǔn)確性受制于檢測(cè)儀器工作環(huán)境因素影響，而離線(xiàn)采樣分析方法則完全在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，最大可能排除儀表工作環(huán)境影響，極大提高分析準(zhǔn)確性，唯一缺陷是時(shí)效性比較差，不能及時(shí)得到機(jī)組氨逃逸率的數(shù)據(jù)信息，不便于及時(shí)調(diào)整控制SCR噴氨量大小。離線(xiàn)分析方法有靛酚藍(lán)分光光度法、離子選擇電極法、納氏試劑分光光度法、容量法等。火電廠氨逃逸率檢測(cè)離線(xiàn)分析方法應(yīng)用最廣泛的是靛酚藍(lán)分光光度法。

2.1 靛酚藍(lán)分光光度法

靛酚藍(lán)分光光度法因其簡(jiǎn)單快速準(zhǔn)確而成為火電廠脫硝氨逃逸離線(xiàn)檢測(cè)最常用的方法。該方法的原理是利用稀硫酸吸收液（c（H2SO4）=0.05mol/L）將煙氣中的氨氣吸附反應(yīng)生成硫酸銨，在亞硝基鐵氰化鈉和次氯酸鈉作用下，與水楊酸反應(yīng)生成藍(lán)綠色靛酚藍(lán)染料，通過(guò)分光光度計(jì)比色定量吸收液中氨濃度大小。分析過(guò)程中一般加入檸檬酸鈉消除溶液中其它常規(guī)金屬離子干擾。該方法一般作為測(cè)量空氣中氨濃度的仲裁方法。在火電廠脫硝性能考核試驗(yàn)時(shí)，一般采用該方法手工離線(xiàn)分析氨逃逸濃度[13]。該方法具有操作簡(jiǎn)便，精確度高的優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)試重點(diǎn)難點(diǎn)在取樣過(guò)程。取樣過(guò)程需要注意取樣過(guò)程應(yīng)全程伴熱，且取樣管道盡可能短，防止水分凝結(jié)。同時(shí)在取樣前段前端或適當(dāng)?shù)奈恢锰畛溥^(guò)濾材料。過(guò)濾材料應(yīng)選用石英棉、無(wú)堿玻璃棉等不和煙氣成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材質(zhì)，過(guò)濾材料適用溫度應(yīng)在400℃以上，防止煙氣中飛灰影響。同時(shí)應(yīng)注意飛灰含氨量對(duì)整個(gè)測(cè)試結(jié)果的影響[14]。

2.2 其他分析方法

其他分析方法有容量法、離子選擇電極法[15]、離子色譜法[16]，每個(gè)分析方法都有各自特點(diǎn)。容量法檢測(cè)下限一般為0.005mg/m3，火電廠氨逃逸標(biāo)準(zhǔn)為2.28mg/m3（3μL/L），相差較大，所以一般不作為火電廠脫硝氨逃逸檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法，離子選擇電極法具有極高準(zhǔn)確性，同時(shí)操作方法簡(jiǎn)單快速，但是存在檢測(cè)范圍非常窄的缺陷，火電廠氨逃逸濃度可以從微量波動(dòng)到10mg/m3以上，所以同樣不適用于脫硝氨逃逸檢測(cè)與分析，而離子色譜法同樣由于檢測(cè)儀器的復(fù)雜貴重，很少用于火電廠氨逃逸檢測(cè)分析。

3 在線(xiàn)與離線(xiàn)分析方法對(duì)比

目前大型火電機(jī)組脫硝氨逃逸在線(xiàn)監(jiān)測(cè)大多采用原位式激光分析方法，單一測(cè)點(diǎn)布置方式，如圖2。該儀器因其較高靈敏度和快速響應(yīng)能力，便于電廠實(shí)時(shí)進(jìn)行SCR反應(yīng)器噴氨運(yùn)行調(diào)整。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)照片可以看出，該方法將發(fā)射器與接收器機(jī)械固定在SCR反應(yīng)器出口煙道，該布置方式便于安裝與檢修。但是儀器現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，煙氣飛灰量大，而且下游緊靠空預(yù)器，機(jī)械振動(dòng)大，極易造成發(fā)射器與接收器信號(hào)對(duì)接失準(zhǔn)，而且該儀器一般安裝在靠近煙道拐角的相鄰兩個(gè)煙道壁上，該位置很容易成為煙氣流場(chǎng)的死角[17]，不宜作為代表整個(gè)煙道測(cè)點(diǎn)位置，因此亦會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)儀器的準(zhǔn)確性。通過(guò)火電廠SCR脫硝裝置性能試驗(yàn)，本文對(duì)比從150MW到600MW共14臺(tái)SCR反應(yīng)器氨逃逸在線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果和靛酚藍(lán)分光光度法檢測(cè)結(jié)果，對(duì)比結(jié)果如表1和表2。

從表1和表2對(duì)比結(jié)果看出在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)與離線(xiàn)手工檢測(cè)有較大數(shù)值差距，無(wú)論機(jī)組在100%負(fù)荷率還是75%負(fù)荷率工況下，在線(xiàn)顯示氨逃逸值均遠(yuǎn)小于現(xiàn)場(chǎng)采樣使用靛酚藍(lán)分光光度法檢測(cè)結(jié)果。100%負(fù)荷率工況下，14臺(tái)反應(yīng)器采樣分析結(jié)果氨逃逸均值為2.02μL/L，而在線(xiàn)測(cè)量氨逃逸均值只有0.46μL/L，相差4倍有余；75%負(fù)荷率工況下，14臺(tái)反應(yīng)器采樣分析結(jié)果氨逃逸均值為1.95μL/L，而在線(xiàn)測(cè)量氨逃逸均值只有0.40μL/L，數(shù)值差距依然較大。從兩個(gè)工況試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來(lái)看，氨逃逸在線(xiàn)測(cè)量值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)采樣分析測(cè)量數(shù)值結(jié)果均保持較大差距，說(shuō)明在線(xiàn)測(cè)量氨逃逸濃度方法由于受在線(xiàn)檢測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境與安裝位置的局限等影響，準(zhǔn)確性被極大降低，非常不利于SCR反應(yīng)器實(shí)時(shí)噴氨運(yùn)行調(diào)整[18]，而現(xiàn)場(chǎng)采樣分析方法雖然準(zhǔn)確性較高，但時(shí)效性不足，電廠運(yùn)行班組采用根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣分析氨逃逸方法來(lái)進(jìn)行SCR反應(yīng)器噴氨實(shí)時(shí)調(diào)整亦不現(xiàn)實(shí)[19]。所以，SCR脫硝氨逃逸在線(xiàn)監(jiān)測(cè)首先應(yīng)準(zhǔn)確選取測(cè)點(diǎn)布置，其次應(yīng)采取多測(cè)點(diǎn)布置方式，提高在線(xiàn)檢測(cè)準(zhǔn)確性，同時(shí)進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整[20]，減小下游設(shè)備受腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[21]，便于火電廠脫硝裝置更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）在線(xiàn)分析方法與離線(xiàn)分析方法各有特點(diǎn)，在線(xiàn)分析方法快速靈敏但準(zhǔn)確度很低；離線(xiàn)分析方法準(zhǔn)確度較高，但時(shí)效性較差。

（2）在線(xiàn)分析方法使用的檢測(cè)儀器受工作環(huán)境影響大，以及單測(cè)點(diǎn)布置方式極不利于噴氨運(yùn)行調(diào)整，易導(dǎo)致機(jī)組長(zhǎng)期處于高噴氨量運(yùn)行，造成下游設(shè)備堵塞腐蝕。

（3）應(yīng)建立更完善氨逃逸分析采樣方法，開(kāi)發(fā)更先進(jìn)氨逃逸檢測(cè)儀器儀表，如高敏度氨逃逸傳感器以及多點(diǎn)監(jiān)測(cè)智能控制在線(xiàn)分析系統(tǒng)，使氨逃逸問(wèn)題得到有效控制，在保證NOx達(dá)標(biāo)排放前提下，減少氨耗量，保護(hù)下游設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFC0203704-2，高灰煤超低排放示范工程技術(shù)評(píng)估與優(yōu)化試驗(yàn)研究）

作者簡(jiǎn)介：劉曉萌（1990-），男，山東泰安人，碩士研究生，項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向：火電廠環(huán)境保護(hù)技術(shù)，從事燃煤電站環(huán)保設(shè)備性能測(cè)試工作。