摘 要: 介紹了目前 2 種常見的火電廠脫硝系統(tǒng)氨逃逸分析儀測(cè)量技術(shù)，著重分析了激光光譜測(cè)量和化學(xué)發(fā)光法測(cè)量技術(shù)中存在的問題和產(chǎn)生的原因，并提出了 3 種優(yōu)化解決方案。方案提高了氨逃逸分析儀測(cè)量技術(shù)的可靠性和精準(zhǔn)度，對(duì)日后氨逃逸分析儀的選型及運(yùn)行維護(hù)具有一定參考價(jià)值。
0 引言
自 2006 年開始，為適應(yīng)更為嚴(yán)格的環(huán)保要求，我國燃煤機(jī)組已逐步加裝了脫硝系統(tǒng)。作為典型的脫硝、除塵、脫硫三大火電機(jī)組煙氣凈化環(huán)保設(shè)施之一，脫硝裝置是煙氣凈化的第一級(jí)裝置，主要用于限制 NOx的排放。原始的脫硝裝置采用的是粗放式運(yùn)行，為了控制 NOx，脫硝裝置往往噴氨過量，造成氨逃逸。逃逸的氨與煙氣中的 SO3反應(yīng)生成 NH4HSO4，當(dāng)煙溫在后續(xù)煙道降低時(shí)NH4HSO4就會(huì)附著在空氣預(yù)熱器( 以下簡(jiǎn)稱空預(yù)器) 和飛灰顆粒物表面，從而造成空預(yù)器的腐蝕和堵塞。NH4HSO4還會(huì)沉積并積聚在催化劑表面，引起催化劑的失活。氨逃逸還造成一定的資源浪費(fèi)。因此，氨逃逸率作為脫硝運(yùn)行狀況的重要指標(biāo)須由氨逃逸分析儀準(zhǔn)確測(cè)量。
1 氨逃逸分析儀基本原理
氨逃逸分析儀大多采取激光光譜測(cè)量或化學(xué)發(fā)光法測(cè)量技術(shù)。
1. 1 激光光譜測(cè)量技術(shù)
激光光譜測(cè)量技術(shù)采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜( TDLAS)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)激光二極管的光通過被測(cè)量氣體時(shí)，其波長可調(diào)諧成被測(cè)氣體的吸收波長，此光被調(diào)諧波長掃描，并由光二極管把透過的光信號(hào)記錄下來，由計(jì)算單元計(jì)算吸收光的信號(hào)大小，進(jìn)而得到氣體的濃度。
1. 2 化學(xué)發(fā)光法測(cè)量技術(shù)
使用化學(xué)發(fā)光法測(cè)量的分析儀取樣探頭包含多個(gè)測(cè)量通道，分別為 NO，NOx和 NO - NO2- NH3通道。NOx通道配置了轉(zhuǎn)換器，在 325 ℃ 高溫下可將 NO2轉(zhuǎn)換為 NO。NO - NO2- NH3通道配置了轉(zhuǎn)換模塊，在 750 ℃ 高溫下可將 NO2和 NH3轉(zhuǎn)換為NO。首先，外置蠕動(dòng)泵抽取樣氣至 3 個(gè)不同的測(cè)量通道中，NO，NO2，NH3組分在對(duì)應(yīng)的測(cè)量通道內(nèi)轉(zhuǎn)化為 NO 后分別進(jìn)入分析儀反應(yīng)室，轉(zhuǎn)換過程如式( 1) —( 3) ，在反應(yīng)室中和分析儀內(nèi)部臭氧發(fā)生器生成的臭氧混合，NO 與臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生受到激勵(lì)的 NO2和一種特有的光 hv，這種光的強(qiáng)度與NO 的含量呈線性關(guān)系: 當(dāng)受到激勵(lì)的 NO2分子衰減至較低的能量狀態(tài)時(shí)便會(huì)發(fā)光，分析儀內(nèi)光電倍增管將會(huì)檢測(cè)這種光，轉(zhuǎn)而產(chǎn)生成比例的電信號(hào)，此電信號(hào)將由微處理器處理成 NO 含量讀數(shù)。通過 3個(gè)測(cè)量通道，分別可以獲得 NO，NOx( NO + NO2) 和NOt( NO + NO2+ NH3) 的含量。此可以推得: NO2的含量由 NOx通道獲得的含量減去 NO 通道獲得的含量; NH3含量由 NO - NO2- NH3通道獲得的 NOt含量減去 NOx通道獲得的 NOx含量。
2 激光光譜測(cè)量技術(shù)及存在的問題
激光光譜測(cè)量技術(shù)又分為原位式安裝測(cè)量法和抽取冷凝測(cè)量法。
2. 1 原位式安裝測(cè)量法
原位式安裝測(cè)量法利用發(fā)射端發(fā)出一束光源( 如紅外光或紫外光) 穿過被測(cè)介質(zhì)，根據(jù)其另一端接收或反射的情況進(jìn)行測(cè)量。縱觀國外脫硝技術(shù)發(fā)展歷程，原位式安裝測(cè)量法的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但在實(shí)際應(yīng)用上還存在以下幾個(gè)方面的問題。
( 1) 由氨逃逸檢測(cè)裝置的測(cè)點(diǎn)位于電除塵器前，煙氣中粉塵量大、儀表的激光透射率不足，無法準(zhǔn)確測(cè)量。
( 2) 為解決在煙氣流動(dòng)通道中透射率不足的問題，很多原位式分析儀采用了斜角安裝的方式。由于煙道在斜角處的流動(dòng)性不強(qiáng)，存在煙氣流場(chǎng)分布不均等問題，加之儀表的激光光程短，使得測(cè)量數(shù)據(jù)忽高忽低，測(cè)量效果較差。
( 3) 分析儀包括發(fā)射端和反射端，振動(dòng)、熱膨脹或沉降等原因會(huì)造成發(fā)射端與反射端不在同一直線上，出現(xiàn)激光對(duì)射不準(zhǔn)、儀表無讀數(shù)或數(shù)據(jù)跳變等情況，影響儀表的正常使用。
( 4) 煙氣通道粉塵含量大，分析儀的發(fā)射端與反射端探頭表面容易積灰，造成發(fā)射端與接收端鏡片堵塞，增加維護(hù)量( 維護(hù)周期一般為 1 ～ 2 周) 。
( 5) 原位測(cè)量需要對(duì)激光進(jìn)行反射，而反射鏡片就安裝在探入煙氣通道內(nèi)部的分析儀前端，煙氣通道內(nèi)溫度變化頻繁會(huì)導(dǎo)致分析儀前端密封元件產(chǎn)生形變，容易使儀表前端鏡片磨損，分析儀的正常運(yùn)行需要頻繁更換鏡片，鏡片壽命最多為 3 個(gè)月，更換費(fèi)用在 2 萬 ～ 4 萬元/次，一般每臺(tái)機(jī)組 1 年的維護(hù)費(fèi)在8 萬 ～ 16 萬元，分析儀后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。
2. 2 抽取冷凝測(cè)量法
抽取冷凝測(cè)量法首先將樣氣經(jīng)過一級(jí)預(yù)處理裝置，濾除煙氣中的粉塵和水汽。其取樣點(diǎn)的選擇比原位式安裝測(cè)量法靈活，受煙道尺寸和布置的限制少，不足點(diǎn)是含高濃度粉塵的樣氣在探頭部分進(jìn)行過濾時(shí)，煙氣中的 NH3會(huì)被粉塵吸收掉一部分，使所測(cè)數(shù)值偏低，部分機(jī)組只能觀察其變化趨勢(shì)。在沒有修正曲線時(shí)，該測(cè)量安裝法無法反推實(shí)際煙道中準(zhǔn)確的 NH3含量。另外預(yù)處理裝置的管路電伴熱要求持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，如果電伴熱不能長期保證可靠的加熱，將導(dǎo)致煙氣取樣管路發(fā)生結(jié)露，影響測(cè)量結(jié)果。
3 化學(xué)發(fā)光法測(cè)量技術(shù)及存在的問題
化學(xué)發(fā)光法測(cè)量通過對(duì)多通道測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比將得出 NH3含量，見式( 1) —( 3) 。其在應(yīng)用上主要存在以下問題。
( 1) 相對(duì)于激光光譜測(cè)量法，化學(xué)發(fā)光法測(cè)量精度相對(duì)較高，但分析儀表位置的選擇往往對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。
( 2) 對(duì)比國內(nèi)一些電廠的應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)，化學(xué)發(fā)光法分析儀需定期進(jìn)行校準(zhǔn)，受 NO - NO2- NH3轉(zhuǎn)化效率、溫度條件等因素影響的較大。
( 3) 化學(xué)發(fā)光法測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，傳感器等易損易耗件多，維護(hù)量大且運(yùn)行成本較高。
( 4) 多通道內(nèi)的樣氣可能存在交叉干擾。
( 5) 樣氣管路多且復(fù)雜，樣氣中存在 NO，NO2，SO2，CO 等刺激性或有毒氣體，對(duì)操作要求高，維護(hù)人員操作不當(dāng)可能吸入有毒氣體。
( 6) 樣氣中粉塵含量高，容易造成取樣管路及分析儀反應(yīng)室管路堵塞，因此該方法需要對(duì)樣氣進(jìn)行稀釋，一般稀釋至 50 :1 或 100:1，但降低管路堵塞風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)將增加測(cè)量難度。
4 氨逃逸測(cè)量技術(shù)的 3 種優(yōu)化解決方案
4. 1 近位多通道測(cè)量
近位多通道測(cè)量技術(shù)是在原位測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。由于煙道截面尺寸較大，為使測(cè)量更具有代表性，在煙道截面設(shè)置多個(gè)取樣分析單元同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，并配置 1 臺(tái)分析儀為測(cè)量控制中心，如圖 1 所示。
近位多通道測(cè)量技術(shù)特點(diǎn): ( 1) 分析儀和測(cè)量單元分離，分析儀放置在室內(nèi)，改善了惡劣的測(cè)量環(huán)境;
圖 1 近位多通道測(cè)量構(gòu)造
( 2) 取樣單元抽取煙氣直接進(jìn)入樣氣室，不需要經(jīng)過伴熱管線，煙氣接觸的流路全程無冷點(diǎn)，避免氨氣吸附和損失，保證樣氣的真實(shí)性;
( 3) 濾芯采用覆膜工藝制造，采取后置安裝方式，方便更換和清理;
( 4) 每個(gè)取樣分析單元都設(shè)置自動(dòng)反吹控制，反吹間隔、反吹時(shí)間可根據(jù)工況設(shè)置，有效避免濾芯堵塞;
( 5) 單個(gè)測(cè)量控制中心可以控制 1 ～ 6 路取樣分析單元，可根據(jù)用戶需求配置。
近位多通道測(cè)量技術(shù)成功地克服了原位測(cè)量的諸多缺點(diǎn)，但配置多個(gè)取樣分析單元的前期投入較大。
4. 2 多點(diǎn)取樣再混合測(cè)量
多點(diǎn)取樣再混合測(cè)量技術(shù)給用戶提供一個(gè)兼顧多通道取樣和減少分析儀前期投入的方案。目前大多用于脫硝優(yōu)化噴氨工藝，為提高脫硝噴氨效率提供了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案。此測(cè)量方案的測(cè)量構(gòu)造如圖2 所示: 可以根據(jù)煙道尺寸和業(yè)主的要求，靈活、合理地布置多個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探桿插入深度也可根據(jù)煙道寬度進(jìn)行調(diào)整，取樣具有代表性; 可設(shè)定多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，也可分時(shí)輪流取樣，多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)混合取樣分析; 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以通過模擬量實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒稚⒖刂葡到y(tǒng)( DCS) ; 利用激光光譜多次反射技術(shù)，光程可達(dá) 30 m，極大地提高了測(cè)量精度和檢測(cè)下限; 采用獨(dú)特的樣氣室設(shè)計(jì)，預(yù)留維護(hù)窗口，可以在不影響光路的情況下，對(duì)污染的光學(xué)器件進(jìn)行清潔，維護(hù)更加方便快捷。
4. 3 網(wǎng)絡(luò)取樣測(cè)量
網(wǎng)絡(luò)取樣測(cè)量技術(shù)針對(duì)的是出口煙道較大、煙道環(huán)境復(fù)雜、對(duì)煙道監(jiān)測(cè)有更高要求的大型機(jī)組脫硝反應(yīng)器。網(wǎng)絡(luò)取樣管數(shù)量根據(jù)煙道截面大小及煙氣在煙道內(nèi)流場(chǎng)確定。如圖 3 所示，網(wǎng)絡(luò)取樣裝置安裝在脫硝反應(yīng)器出口煙道，經(jīng)過回流母管與電除塵入口煙道連接，通過壓差帶動(dòng)煙氣流動(dòng)，煙氣在回流母管內(nèi)進(jìn)行混合后再進(jìn)入測(cè)量裝置進(jìn)行取樣測(cè)量。此測(cè)量技術(shù)取樣口背向煙氣流向，取樣口大小根據(jù)煙道煙氣流速等參數(shù)確定，并做防磨處理，可有效防止煙灰沖刷腐蝕。網(wǎng)絡(luò)取樣測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、重復(fù)性好、設(shè)備調(diào)試后后期維護(hù)非常方便，不足之處是脫硝反應(yīng)器出口平臺(tái)需要有足夠空間去引接煙氣測(cè)量通道，前期投入成本較高。
圖 2 多點(diǎn)取樣再混合測(cè)量構(gòu)造
圖 3 網(wǎng)絡(luò)取樣測(cè)量構(gòu)造
5 結(jié)束語
脫硝設(shè)備粗放式運(yùn)行帶來了噴氨過量、空預(yù)器等下游設(shè)備的腐蝕及堵塞問題，而且還增加運(yùn)營成本。目前國內(nèi)火電廠脫硝設(shè)備基本已經(jīng)告別粗放式運(yùn)行階段。要解決脫硝噴氨過量問題，需準(zhǔn)確、持續(xù)可靠地測(cè)量出氨逃逸量。本文分析了氨逃逸常規(guī)測(cè)量方法存在的問題，并提出目前氨逃逸測(cè)量的 3 種優(yōu)化解決方案。有脫硝噴氨優(yōu)化改造需求的用戶可根據(jù)電廠實(shí)際煙氣工況選擇恰當(dāng)?shù)陌碧右轀y(cè)量方案，減少因分析儀選型不當(dāng)而造成后期運(yùn)行成本增加或資源浪費(fèi)。
