基于原位取樣技術的氨逃逸分布式在線監測儀表應用

劉瑞鋒，周佩麗，劉天慶，賈志軍，彭志敏

(1.內蒙古京能康巴什熱電有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017010；2.清華大學能源與動力工程系，北京 100084;3.北京新葉科技有限公司，北京 100083)

隨著經濟的快速發展，環境污染日益嚴重[1]，國家對環保的重視程度越來越高，GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中明確要求,燃煤電廠大氣污染物中NOx排放質量濃度不高于100 mg/m3，部分地區的NOx排放質量濃度不高于50 mg/m3[2]。為滿足逐漸嚴格的環保要求，目前電廠脫硝多采用選擇性催化還原技術(SCR)來控制NOx的排放[3-4]。在催化劑作用下，通過注入NH3與NOx反應生成沒有污染的N2和H2O，該過程的化學反應如下[5]。

4NO+ 4NH3+O2→4N2+ 6H2O

6NO+ 4NH3→5N2+ 6H2O

6NO2+ 8NH3→7N2+12H2O

2NO2+ 4NH3+O2→3N2+ 6H2O

由以上反應式可知，當注入的氨氣量過少，會因還原劑不足造成反應不完全,使NOx的脫除率降低[6-7]，因此為保證較高的脫硝效率，勢必需要注入足夠的氨氣與NOx充分反應。實際運行中，入口NOx的分布不均勻或局部催化劑性能較差,都會造成脫硝出口NOx過高，但受目前技術無法評估NOx不均勻度及催化劑活性的限制，大部分電廠會采用增大噴氨量的方式，來盡量提高脫硝反應效率，保證NOx排放達標，從而造成過量的氨逃逸。過量的逃逸NH3會與煙氣中的SO3和H2O在低溫時發生反應生成NH4HSO4，NH4HSO4具有高黏性和中度酸性，可黏結在催化劑表面造成催化劑中毒使脫硝效率降低，同時還會引發空預器堵塞和腐蝕[4,7-9]，進一步引起排煙溫度升高，增大引風機負荷甚至引發不必要的機組停機，嚴重影響脫硝機組的安全穩定運行[10-11]。因此為保護環境、降低電廠運行成本，在保證NOx排放達標的前提下控制氨逃逸量在火電機組運行中極為重要，目前環保要求一般不大于2.28 mg/m3[12-14]。

目前SCR脫硝系統一般分為A、B側2個煙道，參與SCR脫硝反應的氨氣通過2個支路閥門控制總噴氨量，經過多個分支管道進入噴氨格柵，實際運行時受各支路管路特性、SCR流場分布及催化劑性能變化的影響，煙道中NOx分布不均勻[15]，為降低局部氨逃逸，同時保證脫硝反應充分進行，需根據流場分布及噴氨格柵對煙道進行分區，針對各分區NOx值定期對各分支管路手動閥門進行調整或直接升級自動閥門，根據出入口NOx值自動調整噴氨量以保證各分區氨氮摩爾比處于正常范圍[7]。

因現有NOx測量儀表均采用抽取式測量，造成延遲較大、現有氨逃逸測量技術受現場工況影響較大，難以保證測量數據準確可靠，且大截面煙道單點式測量不具代表性，造成總閥門開度調整滯后嚴重且支路閥門調整無據可依，因此具有快速響應的高精度分布式氨逃逸在線監測成為精細化噴氨的關鍵和前提。

不同于原位對穿式測量儀表和傳統抽取式測量儀表，基于原位取樣技術的分布式氨逃逸監測儀表因采用原位取樣測量方式，可保證測量工況與煙氣相同、測量數據不失真且取樣路徑極短，可保證響應速度快，測量延遲小，同時配合多通道取樣探頭可同時測量不同分區的同步數據，通過各通道對應分區氨逃逸測量值與各噴氨閥門所控制分區的對應關系配合自動閥門可實現對目標噴氨閥門精細調整，保證各分區NOx反應中所需的足夠氨氣，且氨逃逸量保持在較低水平。另外，本文提出基于原位取樣技術的氨逃逸分布式測量方法和分區NOx的噴氨閥門自動控制策略，為優化資源利用，降低電廠運行成本提供一定參考。

1 高精度氨逃逸測量技術研究

1.1 現有氨逃逸測量技術

與NOx測量不同，SCR出口的氨逃逸量極小，文獻[16]中規定應小于2.5 mg/m3，因此對氨逃逸的測量精度提出更高要求。可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)測量技術是利用窄帶激光掃描待測氣體分子的特征吸收譜線來檢測痕量氣體的光學檢測技術，具有無需預處理、選擇性強、靈敏度高、響應速度快等優點，可實現非接觸式測量[17]，因此目前主流氨逃逸測量儀表均采用該測量技術，但在測量方式上不盡相同，目前常見的測量方式主要有3種：原位對穿式、抽取式和滲透管式測量方式[18]。由于氨氣本身具有易溶于水、易反應、吸附性較強的特性，同時考慮國內機組工況較為復雜，SCR出口煙氣粉塵含量較高，因此，氨逃逸的精確測量仍較為困難[10]，3種測量方式在實際運行時也存在諸多問題。

1.1.1 原位對穿儀表分析

原位對穿式儀表測量原理如圖1所示，主要包括激光發射端、激光接收端和數據處理單元(分析儀)。激光發射單元和激光接收單元分別焊接在煙道兩側的安裝法蘭上，通過調整發射模塊，使激光直接穿過煙氣后由接收單元進行探測，經光電轉換后傳輸至分析儀的數據處理單元進行分析計算，完成非接觸測量。由于國內燃煤電廠SCR出口粉塵含量較高，原位對穿儀表在實際應用時，經常出現激光無法穿過煙道的情況[10]，使激光接收單元無法探測到激光光強，同時由于煙道壁震動較大，也使該測量方式調光困難，維護量極大。為解決以上問題，部分現場將原位對穿設備安裝在煙道一角通過縮短光程，同時增加中間管道的方式來降低煙氣中粉塵及煙道壁震動對測量造成的影響。但由于煙道角落易成為煙氣死區，煙氣不更新或更新較慢，會使測量結果失去代表性，原位對穿儀表現場改進情況如圖2所示。

圖1 原位對穿測量原理

圖2 原位對穿儀表現場改進示意圖

1.1.2 傳統抽取式儀表分析

傳統抽取式測量儀表測量原理如圖3所示，主要包括裝有過濾器的取樣單元、伴熱管線、多次反射池和分析儀4部分，取樣探頭與煙氣直接接觸，經過濾器過濾后，通過伴熱管線將煙氣傳輸至分析儀，經多次反射測量腔體。因一般伴熱管線的伴熱溫度最高只能到220 ℃左右，而氨氣在低于300 ℃時，易與煙氣中的H2O和SO3反應生成NH4HSO4[19]，同時因氨氣易吸附在伴熱管線內，使實際測量結果失真。另外，由于取樣管路較長，也會造成測量的延遲[5]。

圖3 抽取式儀表測量原理

1.1.3 滲透管式測量儀表

滲透管取樣測量儀表測量原理如圖4所示，采用原位式測量可保證測量樣氣與煙氣工況一致，利用自然滲透更新煙氣，因整個測量腔體采用類似濾芯結構，比表面積大，造成實際運行時氨氣吸附嚴重，且吸附量與煙道內部溫度相關：當溫度較低時，氨氣吸附在濾芯小孔內表面，造成實際測量值偏低；當溫度上升后，吸附于濾芯的氨氣又被釋放出來，造成測量值升高，最終測量結果與負荷存在一定相關性；另外，隨使用時間延長，滲透管堵塞會造成樣氣更新速率降低，使測量結果出現延遲。

圖4 滲透管式儀表測量原理

1.2 基于原位取樣技術的分布式在線測量技術

通過對3種測量方式的分析，對比原位對穿及傳統抽取式測量方案的優缺點，介紹了由清華大學和北京新葉科技有限公司聯合研制基于原位取樣技術的分布式氨逃逸在線監測儀表(NLAM1512-2)，該監測儀表包括多通道測量分析單元及多路取樣探頭[20-23]。各路取樣探頭焊接于煙道壁的安裝法蘭上，保證取樣單元位于煙道內部，多通道測量分析單元通過激光控制器發出特定波長的激光，經過激光分束器分束后，一束激光進入參比單元實時鎖定氨氣對應的中心波長，另外幾束激光由光纖傳輸至各通道對應取樣探頭的激光發射模塊后進入測量腔體，經過氨氣吸收后被置于探頭頂部的高精度反射鏡返回再次經過氨氣吸收，最終被激光接收單元探測后經光電轉換將測量信號傳輸至測量分析單元進行檢測，通過分析測量腔體側數據，同時對比參比模塊數據反演計算出各通道對應分區煙氣中氨氣的質量濃度。該測量原理如圖5所示。

圖5 原位取樣式儀表測量原理

與上文3種測量方式對比，該原位取樣測量方式結合了原位對穿儀表同工況測量、滲透管測量方式光路穩定的優點，同時避免了原位對穿儀表激光透過率低、光路不穩定的缺點，消除了氨氣管路吸附的影響，大大降低了長伴熱管路造成的測量失真及延遲；與滲透管測量方式對比，采用了極小的煙氣過濾裝置，比表面積小，且內置自動吹掃單元定期對濾芯進行吹掃，進一步減少了儀表的維護量；同時測量腔體與煙氣接觸部分采用了對氨氣低吸附的內襯，大大降低了氨氣取樣過程中表面吸附造成的測量誤差。

另外，因各通道對應的取樣探頭均采用原位取樣方式，內置無動力抽氣裝置，取樣路徑極短且無外部氣路，取樣速度快，響應時間短，可對各分區氨逃逸的波動迅速做出響應，為后續噴氨閥門的自動控制提供了測量基礎。且各路探頭共用同一個數據分析單元，通過信號線纜連接，因此可保證各個取樣探頭測量數據為同一時間數據，且無設備差異造成的測量偏差，進一步保證了測量值的同步性、對比性和有效性，反映出同一時刻不同分區的氨逃逸分布。該測量方案如圖6所示。

圖6 分布式測量方案

2 工程應用

2.1 項目概況

為保證測量數據具有代表性，測點一般選取位置為脫硝后直管段，避開彎管、變徑煙道以保證流場及煙氣成分分布更均勻，根據2臺機組設計情況選取SCR脫硝后豎直段煙道，其截面尺寸長11 m、寬5 m，綜合考慮噴氨閥門及噴氨格柵管路布置，最終確定每臺機組單側煙道安裝2個氨逃逸測點，電廠1號、2號共2臺機組各安裝2套一拖二型號儀表，其安裝位置為煙道截面寬度11 m壁面的三等分點處，安裝測點位置如圖7所示。

圖7 儀表安裝位置

2.2 運行效果

儀表完成安裝調試后，將數據傳輸至DCS，通過調取歷史運行曲線，如圖8—圖11所示，分別對應1號機組A側、B側數據，2號機組A側、B側數據。對比各測點及NOx出口、NOx入口數據和噴氨量可看出各個測點均可精確反饋出氨逃逸的測量趨勢，相關性明顯。

a.如圖8所示，當噴氨量及出口NOx工況穩定時，氨逃逸測量值與入口NOx成反比；未噴氨時測試數據為零，氨氣過噴工況儀表也可精確捕捉到且趨勢明顯。

b.如圖9—圖11所示，當出口NOx和入口NOx穩定時，氨逃逸測量值與噴氨量成正比。

c.如圖8—圖11所示，2臺機組測點2的氨逃逸值均高于測點1，氨逃逸分布不均勻，且規律相似，可能受流場影響較大；且同機組同一時間不同煙道分布也不均勻。

圖8 1號機組A側數據

圖9 1號機組B側數據

圖10 2號機組A側數據

圖11 2號機組B側數據

3 基于氨逃逸測量的噴氨閥門自動控制策略

在脫硝系統中，為保證脫硝效率穩定在較高水平，一般根據機組負荷及出入口NOx參數對噴氨總閥門開度進行調整，但是由于取樣方式(單點、抽取式測量)和自動控制系統存在的延遲性及非線性的特點，SCR出入口的NOx質量濃度無法準確及時進行測量[20]，且單一的回路控制很難滿足脫硝精細化噴氨的需求，目前，為深度控制NOx排放，很多電廠已升級改造NOx分區同步測量系統[19]，通過流場模擬技術對噴氨格柵進行網格劃分，改造噴氨閥門為自動調節閥門，并與SCR出口分區測點一一對應，對脫硝出口NOx進行分區同步測量反饋后，對各分區對應自動噴氨閥門開度進行閉環校正，以保證每個分區的NOx排放值均處在環保限值內，為進一步優化資源利用，同時降低因氨逃逸率較高引起的催化劑活性降低及空預器堵塞造成的運行成本升高，可增加基于原位取樣技術的分區氨逃逸率監測對各分區噴氨閥門開度進行進一步閉環校正，因原位取樣儀表響應速度快，可最大程度降低因NOx監測儀表測量延遲造成的控制滯后帶來的波動，其控制策略如圖12所示。

圖12 基于分區NOx和分區氨逃逸控制策略

4 結論

a.NLAM1512-2型氨逃逸分布式在線監測儀表采用原位取樣方式進行測量，結合原位對穿式、傳統抽取式及滲透管測量方式的優點，對電廠SCR脫硝出口高粉塵、震動工況環境有很好的適用性。

b.該應用因采用分布式多點取樣方案對煙道截面不同分區同步采樣可反映各分區的實時同步測量結果，通過分析測量數據證明同一機組不同煙道，同一煙道不同位置氨逃逸表現不均勻，此測量數據可精確反映脫硝后各分區氨逃逸率，使測量結果更具代表性。

c.通過對1號、2號機組數據進行分析，氨逃逸測量值與脫硝入口NOx、脫硝出口NOx及噴氨量相關性較為明顯，可為后期脫硝優化分區噴氨控制提供數據參考，進一步指導精細化噴氨，降低NOx排放。

d.可對脫硝系統故障(催化劑中毒、噴氨管路堵塞等)的原因分析提供參考，進一步降低因氨逃逸率過大造成硫酸氫銨生成后引起的運行及維護成本。