基于UV法的FFT氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

吳升光，陳 彪，倪建偉

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責任公司，浙江 紹興 312000； 2.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 3.浙江赫能環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

SCR(選擇性催化還原)方法是目前火電廠脫硝最成熟有效的一種方法[1-3]，在一定溫度(290～430 ℃)及催化劑的作用下，NOx和氨(NH3)反應將NOx轉化為氮氣(N2)和水(H2O)以減少NOx排放[4-5]。通常，NH3和NOx之間的反應效率可大于95%，未反應的NH3則被稱為氨逃逸[6-7]。

當噴氨不足時，脫硝效率不足，無法滿足污染物排放控制的要求。但噴氨量過大，氨逃逸率過高，則NH3、H2O和SO3會反應生成較多的硫酸氫銨結晶[8]。一方面，硫酸氫銨具有很強的粘性，容易堵塞催化劑導致催化劑失活，此外，還會造成下游空氣預熱器換熱管表面氨鹽沉積，導致排煙不暢，爐膛超壓，甚至是下游煙道腐蝕加劇[9-10]。

按照現(xiàn)有運行經驗，當SCR脫硝反應器出口煙氣的氨逃逸控制在3 μmol/mol以內時，可以延長空氣預熱器的檢修周期，確保相關設備的正常穩(wěn)定運行。因此，對脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸濃度進行連續(xù)、準確的監(jiān)測是十分必要的。

由于脫硝氨逃逸濃度的量級為ppm級，國內多采用在線儀器分析法(CEMS)監(jiān)測[11]，主要包括直接測量法、抽取法。直接測量法成本低，但因為安裝于煙道內，粉塵、氣體溫度和負荷變化對測量設備的準直影響大，導致測量精度受干擾；抽取法通過對抽取煙氣進行預處理，從而提高測量品質。在分析方法上，主要有電化學、色譜[12]、質譜和光譜學測量方法。其中，光譜學方法具有分析速度快、采樣預處理簡單、選擇性好、靈敏度高、樣品損壞少等優(yōu)點，符合實時在線分析和現(xiàn)場快速檢測的要求，應用越來越廣泛。本文介紹了一種基于UV(紫外)光譜法的高溫抽取式FFT(快速傅里葉變換)氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)及其應用效果。

1 基于UV法的高溫抽取式FFT氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)

正常運行下，煙道中氨逃逸量極低，僅為3 μmol/mol以內，對儀器測量精度要求較高。NH3極易與煙氣中的H2O和SO3反應生成硫酸氫銨，再加上氨氣的吸附性強且極易溶于水，對采樣預處理部分有較高的要求。

高溫抽取式FFT氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)通過全程高溫抽取方式，并對煙氣進行有效預處理，通過高精度的UV光譜測量，使用快速傅里葉變化算法，具有響應快、靈敏度高、抗干擾能力強以及非接觸式測量等特點，使得該技術成為氨逃逸在線測量的一種相對適合的方法之一。

1.1 分析儀測量原理

分析儀使用UV光譜法，利用了物質的不同波長響應實現(xiàn)同時測量幾種氣體，而且NH3、SO2、NO、CS2、甲醛和乙炔等氣體都具有周期性吸收光譜譜圖，因此，通過對譜圖信號利用FFT(快速傅里葉變換)算法[13]進行處理，在確保測量因子具有極佳選擇性的同時大幅提升計算效率和分析速率。固態(tài)電路設計的UV光譜法使得測量系統(tǒng)具有極高的可靠性，并且?guī)缀鯚o需維護。

分析儀測量原理如圖1所示。

圖1 分析儀系統(tǒng)測量原理Fig.1 Measuring principle of the analyzer system

根據(jù)測量出UV光的吸收量，利用比耳-朗伯定律計算煙氣組分濃度：

(1)

其中，各項物理意義為：[C]—樣氣組分濃度；K—指定氣體在特定波長下的吸光系數(shù)；Iref—零氣光強度；Igas—樣氣光強度[14-15]。

為了最大程度降低光學機電設計難度，光譜儀設計主要基于一個凹面格柵。光譜被記錄在512或2 048像素二極管陣列或CCD上。基準信號可以通過空氣或者氮氣進行自動校準，校準周期一般為2 h或4 h。

除被測組分NOx、SO2和NH3外，煙氣成分主要還有水、CO、CO2、O2和CH4等。其中CO、CO2、O2和CH4沒有UV吸收，因此它們不干擾被測氣體。水在UV波長范圍內僅有微弱吸收，通常煙氣濕度在5%～20%之間，干擾甚微，其影響可忽略。

常規(guī)測量因子的光譜圖如圖2所示。

圖2 常規(guī)測量因子的光譜圖Fig.2 Spectrogram of conventional measurement factors

1.2 分析儀氣路原理圖

分析儀氣路如圖3所示。

圖3 分析儀氣路原理圖Fig.3 Gas path schematic diagram of the analyzer

樣氣進口和零氣進口通過一個三通電磁閥連接，當自動調零啟動時，電磁閥切換到零點空氣管路。從壓力傳感器讀出樣氣壓力及流量，同時對氣體測量進行壓力補償。高溫取樣泵安裝在流通池前端。為防止微量的氨氣吸附，所有氣路都安裝在一個加熱的密封倉內，加熱溫度在190～240 ℃范圍內可調，變化在±0.5 ℃以內。

1.3 采樣預處理系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)煙氣預處理采用全程高溫抽取式系統(tǒng)，可有效解決抽取式氨逃逸系統(tǒng)采樣預處理部分的NH3吸附問題。

采樣探桿、探頭具有全自動加熱取樣及反吹功能，獨立于下游系統(tǒng)運行。通過探頭自帶控制面板設置探頭加熱溫度，溫度可達280 ℃，有效防止煙氣冷凝或銨鹽結晶。探頭配置雙級粉塵過濾器，前置過濾器采用高精度不銹鋼過濾器，保證僅極微小的顆粒物可進入采樣系統(tǒng)，內置過濾器的過濾精度較前置過濾器低，需定期更換前置濾芯保證以防止系統(tǒng)阻力過大。采樣探頭煙氣接觸部分均采用316 L不銹鋼材料，減少NH3在管壁上的吸附。

系統(tǒng)采樣管線具有自動溫度控制功能，加熱溫度控制在190～220 ℃，加之采用特制的耐NH3吸附的PTFE管線，可有效減少氨在傳輸過程中的損耗。

1.4 系統(tǒng)特點

該系統(tǒng)具有以下特點：

(1)儀器具有極低的維護量和高度穩(wěn)定的測量結果。UV氙燈的壽命為109頻閃次數(shù)，若按連續(xù)測量模式，氙燈壽命大約為3年；若每分鐘測量一次，壽命可達10年，因此，維護成本相對較低。

(2)基于高速DSP(數(shù)字信號處理器)的超快速電子設計裝置，確保分析儀能夠在200 ms內測量試樣濃度。

(3)系統(tǒng)采用全程高溫且耐NH3吸附的氣路設計，有效避免NH3在傳輸過程中的損耗，最大限度保持煙氣的真實性。

(4)利用了有專利權的FFT算法，準確識別煙氣中不同組分的UV吸收光譜譜圖，可同時測量NH3、SO2和NOx，因而，能夠代替現(xiàn)有的脫硝CEMS系統(tǒng)，經濟性較強。

2 應用情況

為驗證該系統(tǒng)在脫硝氨逃逸測量中的運行情況，將該系統(tǒng)安裝于某電廠脫硝出口。

2.1 測量單元氨逃逸檢測精度驗證

現(xiàn)場將標準氣體直接通入分析儀，儀器的重復性及線性度檢測結果如表1～2所示。

表1 儀器重復性測試

表2 儀器線性度測試

由上述檢測結果可知，儀器重復性為0.69%，相關系數(shù)為0.999 2，具有很好的重復性及較高的線性度。

2.2 采樣系統(tǒng)中氨逃逸損失率驗證

將標準氣體通入采樣探頭進氣口，使標準氣體經過采樣探桿、采樣探頭濾芯和采樣管線后進入分析儀。檢測結果如表3所示。

表3 系統(tǒng)氨逃逸損失率驗證

由上表3可知，標準氣體經過采樣探桿、采樣探頭濾芯和采樣管線后的測量結果與表2中直接測量的結果十分接近，表明系統(tǒng)預處理過程中NH3的損失率極低，平均損耗為0.15 μmol/mol，結果較為理想。

2.3 曲線一致性檢驗

為檢測系統(tǒng)測得結果是否能準確反映實際運行狀態(tài)，對噴氨量進行調整，將氨逃逸檢測曲線與NOx濃度曲線進行對比，結果詳見圖4。

圖4 氨逃逸與NOx曲線Fig.4 The measuring curve of the Ammonia escape and NOx

由圖4可見，當脫硝噴氨量增加后，NOx數(shù)值降低，氨逃逸數(shù)值明顯增加，系統(tǒng)可以準確反映脫硝裝置出口氨逃逸的變化。

3 結論

采用基于UV法的高溫抽取式FFT氨逃逸在線監(jiān)測系統(tǒng)，儀器重復性為0.69%，相關系數(shù)為0.999 2，采樣系統(tǒng)平均損耗為0.15 μmol/mol，完全滿足測量要求，可以準確反映脫硝裝置出口氨逃逸的變化，且系統(tǒng)在實際應用中長期、穩(wěn)定、可靠運行，維護量少，完全滿足現(xiàn)有SCR脫硝工藝中氨逃逸檢測的要求。