燃煤電廠氨逃逸在線監測技術現狀及設備選型建議

吳曄

摘? 要：SCR脫硝工藝的氨逃逸監測是一個世界性的難題，尤其對于中國電廠的高粉塵工況下的煙氣，該文從燃煤電廠氨逃逸在線監測儀表使用現狀入手，闡述了氨逃逸在線儀表目前本土化應用中遇到的煙氣粉塵太大、ABS（NH4HSO4）、氨逃逸檢測靈敏度不夠、氨逃逸分析儀的校正、逃逸氨在煙氣中分布不均及氣體譜線交叉干擾這6類問題，從測量方法、取樣方式及監測點數等方面對氨逃逸在線監測技術發展情況進行了介紹，并給出設備選型建議。

關鍵詞：燃煤電廠? 氨逃逸? 在線監測? 技術現狀? 設備選型

中圖分類號：X773 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（b）-0055-02

燃煤鍋爐煙氣排放所含的氮氧化物是空氣污染的重要源頭之一，控制燃煤過程煙氣排放NOx總量是各國環保法規的重點。目前燃煤鍋爐煙氣脫硝主流技術是選擇性催化還原（SCR）和選擇性催化還原（SNCR）脫硝技術。其中SCR脫硝工藝提出在煙氣中噴入氨，在催化作用下，NH3與NOx發生化學反應，生成對環境無害的N2和H2O。

燃煤鍋爐SCR脫硝工藝中有部分NH3隨著煙氣逃逸出催化劑層。氨逃逸最大的危害在于逃逸氨與煙氣中的SO3反應生成NH4HSO4，簡稱ABS。ABS在一定溫度區間內呈液態，并具有粘性特征，液態的ABS易附著在SCR脫硝系統后空預器的表面，并吸附煙氣中的粉塵，造成空預器的前后壓差增大，嚴重時導致空預器堵塞，危害鍋爐的運行安全;逃逸氨還會造成催化劑失活，縮短使用壽命，同時會影響粉煤灰的綜合利用，影響除塵效率，并形成二次細顆粒物，加劇大氣污染。因此，實時檢測逃逸氨的濃度對指導SCR脫硝系統噴氨優化起著至關重要的作用。

1? 當前氨逃逸儀表存在的問題

眾多國內外品牌的氨逃逸在線監測儀表在燃煤電廠實際應用中存在各種問題，主要體現在如下幾點。

1.1 煙氣粉塵太大的問題

煙氣中高達20～50g/Nm3的粉塵導致對射式激光氣體分析儀的激光不能夠穿透整個煙道，尤其當鍋爐負荷增大時，激光光束就不能通過，導致檢測中斷。鍋爐吹灰也會導致激光光束不能通過。對于探桿式的激光分析儀，由于依靠煙氣滲透進入探桿的過濾管，在如此高的粉塵下，探桿過濾管易堵塞，維護量大[1]。

1.2 ABS的問題

燃煤電廠SO3含量通常在50ppm以上，有些電廠由于使用高硫煤，SO3含量甚至高達200ppm。SCR催化劑含有V2O5成份對SO2轉化到SO3起到催化作用，導致了SO3含量提高。研究表明，當氨逃逸3ppm，SO3在50～100ppm之間時，ABS生成溫度在220℃和230℃之間[2]。對于傳統抽取式分析系統而言，采樣管線和檢測池很難加熱到如此高的溫度，并且在采樣環節上任何細小位置的溫度低于此溫度區間都會導致ABS的生成，導致氨損失甚至完全消失。

1.3 氨逃逸檢測靈敏度不夠的問題

對于激光光譜分析儀而言，NH3的吸收光譜隨著溫度的提高吸收峰會減弱，靈敏度會隨之降低。在350℃～400℃的煙氣溫度下，每米光程的靈敏度大約在1.5ppm，對射式激光表由于煙氣粉塵過大通常會安裝在煙道對角位置，把光程控制在1～2m之內，這樣氨逃逸的檢測靈敏度最好的情況也只能達到大約1ppm，這對于0～3ppm的氨逃逸檢測范圍來說，顯然靈敏度是不夠的[3]。對于稀釋法的化學發光NOx分析儀法的氨逃逸分析系統而言，由于氨逃逸本身含量很低，通過10～100倍的稀釋以及氨氣轉換爐的轉化損失以及采樣管路的損失，基本上很難檢測到3ppm以下的氨逃逸。

1.4 氨逃逸分析儀的校正問題

標氣公司基本上不能提供10ppm以下的準確氨氣標準氣體，對于對射式激光分析儀而言，也很難進行在線校正。

1.5 逃逸氨在煙氣中分布不均的問題

逃逸氨的分布不均是造成空預器堵塞的主要原因之一。原因包括自噴氨噴嘴的故障以及噴嘴分布、催化劑層的安裝不嚴密等。無論是對射式激光表的平均濃度還是單點抽取式都不能很好地反映出真實的氨逃逸分布，從而給SCR的噴氨優化造成困難。

1.6 氣體譜線交叉干擾問題（H2O和CO2等）

由于氨逃逸測量儀表測量對象為氨氣，電廠煙道內煙氣含有高濃度水蒸氣及CO2、CO氣體，考慮市場化成本和測量精度問題，氨逃逸測量一般選擇的譜線均位于近紅外區，此區域內不可避免地存在H2O和CO2等氣體的干擾[4]。這些干擾氣體的吸收譜線往往同氨氣吸收譜線相互疊加，當氨氣濃度含量較低時，可能出現氨氣吸收譜線被覆蓋的情況，嚴重影響氨氣濃度檢測。

2? 技術發展情況

針對上述存在的問題和監測難點，該文從測量方法、取樣方式及監測點數等方面闡述氨逃逸在線監測技術發展情況。

2.1 測量方法

傳統的氨氣檢測技術分為化學分析法和光譜方法，每種測量方法的優缺點如表1所示。

從表1各種測量方法的對比中可以看出，TDLAS測量方法響應速度快、分辨率高、可實現NH3實時在線的檢測，這些優點大大促進了其在工業領域的廣泛使用。目前國際上主流的氨逃逸監測均為基于TDLAS技術的氨逃逸分析儀，代表品牌有西門子的LDS6、挪威NEO的LaserGasIISP、加拿大UNISEARCH（優勝）公司LasIR （SPSO）等。TDLAS技術成為當前氣體濃度在線監測技術的重要發展方向之一。

2.2 測量方式

經過近些年的發展，氨逃逸儀表本土化應用測量方式歷經三代變更。

第一代測量方式為稀釋取樣法，主要有日本Horiba和美國熱電等品牌。該路線抽取煙氣后，將NH3、NO2轉換成NO，在轉化過程中受氨吸附、氨去除器去除氨氣不夠徹底、氨轉化率的影響導致測量不準確，目前已基本被國內電廠淘汰。

第二代測量方式多采用原位激光對射式，代表廠家有加拿大優勝、西門子LDS6系列、ABBAO2000-LS25系列和仕富梅等，直測式安裝方便、維護簡單、成本低。這些儀表國產化應用時暴露了一些缺點（不能實現在線校準，高粉塵的環境下激光不能透過）;同時這種測量方式對煙道壁的振動強度也有一定的要求，煙道壁的振動過大會導致測量不準，甚至無法測量。在后期的應用過程中盡管采用了一些改進措施，比如，在煙道內搭設半圓管阻擋粉塵等措施，但都不能解決問題。目前國內電廠普遍反映這種方式測量不準，不能滿足現場測量需要。

第三代技術采用插入式原位或偽原位TDLAS技術，國內外廠家有西克、優勝、北京大方、北京新葉能源、鄭州光力等。第三代技術分析裝置一般貼煙道壁或直接在煙道內，集成了所有的高溫采樣、光學檢測組件于一體，不同于傳統抽取式檢測系統、該系統沒有傳統的采樣管線，煙氣被直接抽取到高溫多次反射檢測池并返回煙道，多次反射樣氣室，保證了測量精度與下限。部分品牌可多點采樣，測量更具代表性;在氣體組分之間在近紅外區產生交叉干擾問題方面，在中紅外譜線測量氨逃逸商業化應用成本高居不下的情況下，部分品牌通過同時檢測氣體中NH3和H2O，水分含量可一定程度上佐證氨逃逸測量的準確性，不失為一種較好的解決方案。

2.3 監測點數

由于煙道面積較大，氨逃逸檢測點所在區域相對于煙道本身而言僅僅只是很小一部分，無法反映整體氨逃逸情況。噴氨噴嘴的故障以及噴嘴分布，來自催化劑層的安裝不嚴密導致煙氣沒有通過催化劑層而進入下游煙道，這些因素都有可能造成逃逸氨的分布不均，從而給脫硝系統噴氨優化造成困難。但由于測量系統尺寸及成本問題，需考慮測點的布置方式以滿足逃逸氨分布測量的需求。

在此情況下，增加檢測點數對于運行控制十分必要。一般有兩種方案：（1）通過在煙道均布取樣探頭，通過取樣探頭抽取煙氣混合后送往測量單元，這種測量方案僅能反映煙道氨濃度平均狀態，對于各區域情況及是否分布均勻仍無法判斷。（2）通過在煙道均布獨立探頭，獨立取樣，獨立測量，這種測量方式可實現多點同步測量，能夠較好的反映煙道內各區域氨氣分布情況，一定程度上為運行調整提供了參考依據。

3? 選型建議

結合國內外技術發展現狀及國內儀表應用情況，提出以下選型建議。

3.1 在測量點數上，建議采取多點在線監測技術

隨著燃煤機組容量的不斷增大，煙道的面積越來越大，逃逸氨的濃度在煙道空間中分布愈發不均勻，單點方案只能取得氨表周邊很小范圍的局部氣樣，多點在線監測測量更具代表性。

3.2 在測量方式上，建議選取在線偽原位/原位檢測技術

傳統抽取式技術管線吸附氨嚴重，長伴熱管道易生成ABS，煙氣成分發生變化，使得測量結果偏離真值。對射式在現有情況下無法解決煙塵含量過大問題。在線偽原位/原位檢測采樣氣體可通過探桿直接進入過濾腔，過濾后的氣體直接進入多次反射檢測池，檢測出來的氣體直接返回煙道，氣體接觸部分在300℃左右，以保證采樣過程中沒有ABS生成，避免逃逸氨的采樣損失，從而最大限度地保證了采樣煙氣與原煙氣的工況一致。

3.3 在分析方法上，建議采取TDLAS技術

電化學、紫外和紅外因精度差、干擾因素多等因素均不適用于現場氨逃逸在線監測，而TDLAS技術具備抗干擾能力強、非接觸測量、響應速度快、靈敏度高。

綜上，氨逃逸在線監測技術建議選取多點測量，在線偽原位/原位TDLAS技術。

4? 結語

隨著技術進步和設備更新，更先進的測量技術不斷涌現，我們在日常設備改造時應密切關注最新技術發展動態，選取先進、準確的氨逃逸測量儀表，為現場運行人員提供燃煤電廠煙道截面氨氣濃度的分布信息，解決逃逸氨的不均勻性問題，大大提高燃煤電廠煙道逃逸氨濃度的監測能力，對電廠煙氣脫硝系統提供重要參數指標，減小NOx及NH3的過量排放而造成大氣環境污染。

參考文獻

[1] 陳昊.提高TDLAS高精度氣體檢測的關鍵技術研究[D].中國科學院大學，2018.

[2] 張進偉，陳生龍，程銀平.可調諧半導體激光吸收光譜技術在脫硝微量氨檢測系統中的應用[J].中國儀器儀表，2011（3）：26-29.

[3] 宜清正，湯光華，孟慶博，等.便攜式氨表在氨法脫硫氨逃逸監測中的應用[J].電力科技與環保，2017，33（3）：37-39.

[4] 許康.基于多光譜融合的氨氣和一氧化氮濃度測量方法研究[D].東南大學，2016.