LGA—4500氨在线分析系统在脱硝微量氨检测中的应用

李阳山　赵俊鹏　陈生龙

摘 要：LGA-4500在线分析系统基于可调谐半导体激光吸收光谱技术，满足现代选择性催化还原（SCR）脱硝工艺中微量氨检测技术要求，可提供快速准确可靠的分析数据以确保烟气安全排放。此系统在锦州热电的成功应用对于我国改进烟气脱硝技术起到了推动作用。

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）；选择性催化还原；脱硝；分析系统

烟气排放中氮氧化物（NOx）是造成大气污染的主要物质之一，与发达国家相比，我国燃煤电厂在NOx排放控制方面起步相对较晚，以致NOx排放总量的快速增长抵消了对近年来卓有成效的二氧化硫控制效果[1，2]。目前我国已大量推广烟气脱硝技术，普遍采用比较成熟的选择性催化还原（SCR）工艺和选择性非催化还原法（SNCR）工艺[3]。然而，无论是选择使用SCR法或是SNCR法，掌握好注入到NOx上的氨总量和对于注入分布的控制是达到最小的氨逃逸率和最大的NOx脱除效率的关键所在。氨在线分析系统对脱硝工艺的正常运行和成本控制起关键作用，由于脱硝工艺内的温度、负压、粉尘、氨微量等条件限制，对分析系统及仪表的要求比较高。

1 锦州热电有限公司脱硝技术参数和氨检测系统测量难点

1.1 脱硝技术参数

锦州热电有限公司共安装了2台1025t/h汽包锅炉，4个脱硝烟道，采用选择性催化还原（SCR）工艺，应用聚光科技的LGA-4500氨在线分析系统进行检测，每个烟道脱硝出口安装1台氨逃逸分析系统，每台锅炉烟气脱硝技术参数都符合设计值。

SCR技术应用机理为：在催化剂作用下，还原剂（NH3、尿素）选择性地与NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，故称为“选择性”。主要的反应式见式（1）和式（2）：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O （1）

4NH3+2NO2+O2→7N2+6H2O （2）

根据化学反应方程，NH3/NOx摩尔比应该为1，但实际上都要比1大才能达到较理想的NOx还原率，已有的运行经验显示，NH3/NOx摩尔比一般控制在1.0～2.0之间，最大不要超过2.5。NH3/NOx摩尔比过大，虽然有利于NOx还原率增大，但氨逃逸加大又会造成新的环境污染，同时还增加了脱硝运行费用。

1.2 氨分析系统测量点的选择

根据每台锅炉烟气脱硝技术参数设计值的设计参数，要求催化剂出口的氨逃逸量≤3ppm，工况中的水、粉尘、温度比较高，而水、粉尘对氨具备吸附性，对分析系统及仪表的取样点选择、精度、伴热、非吸附要求比较高，为了使得取样具备代表性，首先取样点的选择非常重要，LGA-4500的取样点选择在SCR法催化剂出口20米内。

1.3 氨分析系统的测量难点

根据以上锅炉烟气技术参数，氨逃逸分析系统原设计采取的模式是直接原位工艺管路对穿方式测量，直接原位工艺管路对穿测量使用一段时间后出现的问题主要有以下几点：

测量困难：氨逃逸含量比较低（ppm级），如果提高测量下限，就需要提高对穿长路径。

仪表光强损失大：现场工艺管道中粉尘较大，导致仪器光强损失大，有时传感器接受不到光谱，没有测量值。

仪表透过率无法保证：现场温度和震动比较大，机组运行后烟道变形严重，导致激光器接收端无法接收，影响光路参数正常运行，透过率不能满足仪表运行要求。

仪表校准困难：原位安装，仪表气体标定比较困难，需要把取样管拨出对上才能把标准气体输入。

基于以上难点，在经过多次技术改进无效的情况下更改原设计，采用聚光科技LGA-45氨在线分析系统。

2 LGA-4500氨在线分析系统介绍

聚光科技LGA-4500氨在线分析系统是基于TDLAS技术开发的在线气体检测系统，具有快速取样、全程拌热、测量准确的特性，其在脱硝微量氨检测系统中已被广泛采用。

LGA-4500氨在线分析系统主要由取样探头单元、样品处理单元、检测单元（包含气体室，激光发射模块和光电传感模块）、电控箱、中央单元、上位机等几部分组成。

2.1 取样探头单元

取样位置：探头取样测量点在催化剂反应器之后。

取样点工况：压力为负压，温度约为320～400℃，典型运行温度为350℃，根据脱硝正常工艺要求，测量氨气浓度在0～5ppm之间。

系统安装位置：机柜尽量安装在测量点附近，采样探头箱到机柜的气路采用φ8复合采用加热管线，要求小于4m，以提高相应气体速度，之温度控制在180～200℃间，防止样气结露造成微量氨被管路吸附。

2.2 样气处理单元

样气处理单元根据现场工况的粉尘含量，以2-3级过滤器为主，通过电气控制各种阀，根据粉尘的含量，在一定时间内通过电气控制阀进行取样和过滤器反吹。

2.3 仪表单元

氨分析仪表根据DLAS技术开发出来，DLAS技术是利用不同频率的激光能量被气体分子选择性吸收形成吸收光谱的原理来测量气体浓度的一种技术。激光束通过长度为L，压力为P，浓度为X的气体介质，此时气体介质对激光的吸收满足Beer-Lambert关系[4]，

（3）

其中，Iv，0和Iv分别为频率为v的入射激光和透射激光强度。吸收的强度是由谱线强度ST决定的。线性函数g（v-v0）决定了吸收谱线的形状，为Voigt函数。激光强度的衰减与被测气体含量成定量的关系，因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。

半导体激光的光频率具有可调谐性，一是改变半导体激光器的工作温度[5]，另一种是改变激光器的工作电流。改变激光器的工作电流可获得较快的频率调谐速度，因此DLAS技术普遍采用给半导体激光器注入一定频率的锯齿波电流使激光频率扫描整条吸收谱线来获得完整的高分辨率“单线吸收光谱”数据。

根据以上工作原理，仪表分析单元具备以下优势：

独有的“单线光谱”技术，能够具备对水份及背景气体抗干扰作用；能够实时刷新数据，测量值不受粉尘与视窗污染的影响；自身带温度、压力传感器，能够进行自动补偿，提高测量精度；气体室的长度可以做到2米以上，提高光谱吸收能力，气体测量精度达到0.1ppm。

2.4 系统控制单元

整套系统分为手动控制分析和自动控制两种状态。

3 LGA-4500氨在线分析系统锦州热电有限责任公司应用过程

3.1 LGA-4500氨在线分析系统应用过程出现问题以及解决方案

由于现场工艺过程与实验室的环境差异，应用过程中出现了很多问题，主要有以下几个方面：（1）现场工艺过程烟气较大，过滤器效果不够理想，导致测量室中灰尘较大，仪表激光器透过率下降很快，最后无法正确测量。（2）工艺过程中烟气含有水汽，仪表采样管路较长，样气在经过采样管路过程中有微量水汽凝结，吸附样气中的氨气。（3）采样处于负压环境，采气量低，测量延迟严重、实时性差、无代表性。（4）仪表采取得样气中含有盐类，在测量仪表透镜上形成结晶盐，导致透过率下降，严重影响测量。

针对以上问题，经过多次研讨、实验，最终确定了一套较合理的改进方案。方案包括以下几方面：（1）由于烟气中粉尘量较大，更换原有陶瓷过滤器，采用不锈钢过滤器，在提高严密性的同时提高过滤器等级，保证进入气体室中的样气无粉尘，透镜不被污染。（2）在改善了样气中粉尘含量的同时，提高全过程伴热的温度，使样气中的水汽不会凝结吸附氨气。（3）提高采样泵的压力，并增加压力监视，保证采样压力大于工艺管道中的负压绝对值。提高了采样流量，从而提高了仪表实时性。（4）对于透镜处结晶问题，采取在透镜前增加一路吹扫气的方案，实现透镜与氧气的物理隔离，保证仪表透过率。

按照以上方案改进后，在线分析系统能够适应现场过程的工况，仪表透过率保持稳定，测量数据正常。

3.2 LGA-4500氨在线分析系统改进后应用效果

脱硝工艺SCR工艺氨逃逸[6]要求小于等于3ppm，氨逃逸过量的原因主要为催化剂失效、氨阀度开大（氨喷量过大）等因素，下面表3为LGA-4500氨在线分析系统经过测量、记录的喷氨量与氨逃逸测量值。

根据表1记录的数据，当阀开到43%时，氨测量值和NOx排放均能满足要求，通过氨分析系统检测、出口NOx分析系统、氨阀开度等几个关键数据的相互调节，能够给脱硝工艺合理的控制，对于脱硝工艺优化和成本控制起到关键作用。

3.3 应用总结

（1） 整个脱硝工艺的效率和氨逃逸需要与反应器入口（出口）NOx含量监测系统测量值、氨阀开度、空气流量参数配合完成，通过现场测试，氨分析系统测量值和效果满足工艺要求，对以后的喷氨控制、降低成本、保护脱硝设备等有很大作用。

（2） 系统全程伴热、分段检测，使系统温度达到可靠的运行范围，从根本上解决系统的吸附问题，特殊的大流量取样装置解决样气流量低问题，测量精度和响应时间满足工艺要求，对工艺改变起到实时监控效果。

（3） 特殊的流路、2m长的气体室及非接触式激光气体分析仪原理，使系统抗粉尘，耐高温，耐腐蚀、高可靠性特性进一步提高，能够满足脱硝工艺特有的工况。

4 结束语

锦州热电有限责任公司应用的LGA-4500氨分析系统属于非接触式激光气体分析系统，其具有可靠性高，维护方便；测量不受背景气体的交叉干扰；测量准确性高；可以实时、连续地进行测量，且响应速度快；通过多次改造已经适应现场工况粉尘大，水汽重的特点。不受粉尘与视窗污染的影响，恶劣工业环境下适应能力强，所具有的自清洁与自动分析控制功能，保证其运行稳定，延长了维护周期。

参考文献

[1]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]刘天齐，黄小林，邢连璧.三废处理工程技术手册：废气卷[M].北京：化学工业出版社，1981.

[3]李振中.燃煤电站系统脱硝技术研发与产业化[J].中国科技产业，2006，2：48-52.

[4]顾海涛，陈人，叶华俊，等.基于DLAS技术的现场在线气体浓度分析仪[J].仪器仪表学报，2005，26（11）：1123-1134.

[5]阚瑞峰，刘文清，张玉钧，等.可调谐二极管激光吸收光谱法监测环境空气中甲烷的浓度变化[J].中国激光，2005，32（9）：1217-1220.

[6]田庆峰，顾英春，陈牧.SCR脱硝装置氨消耗量的计算方法探讨[J].电力勘测设计，2010，3：42-47.