原位取样式氨逃逸率在线监测仪表在燃煤电厂的应用

史玉伟 ，刘 柱

(1. 通辽发电总厂，内蒙古 通辽 028011； 2. 通辽盛发热电有限责任公司，内蒙古 通辽 028000)

原位取样式氨逃逸率在线监测仪表在燃煤电厂的应用

史玉伟1，刘 柱2

(1. 通辽发电总厂，内蒙古 通辽 028011； 2. 通辽盛发热电有限责任公司，内蒙古 通辽 028000)

目前电厂脱硝后氨逃逸率监测一般采用抽取式或原位对穿式测量仪表，由于国内燃煤电厂粉尘含量高及氨气易吸附、易反应等原因，这2种测量方式在实际应用中均存在一些问题。对此在提出氨逃逸测量必要性及测量难点基础上，介绍了北京新叶能源科技有限公司NLAM1512原位取样式氨逃逸率在线监测仪表及其在通辽电厂的应用情况，结果表明，该仪表可准确测量脱硝后氨逃逸率，为确定脱硝中喷氨量提供依据，为确定脱硝优化应用提供基础数据。

氨逃逸；TDLAS；NLAM1512；原位取样

1 氨逃逸测量的必要性

随着火电行业的迅猛发展，氮氧化物的排放对环境造成了较大破坏，也被世界各国公认为主要大气污染物之一。近几年来，脱硝技术在火力发电厂中应用越来越广泛。在脱硝过程中，由于氨氮摩尔比、氨氮分布不均匀、烟气温度、催化剂中毒、堵塞等因素都会导致氨逃逸率过大。尤其随着时间的推移，脱硝系统故障(如催化剂老化、中毒、喷氨管道堵塞等)会越来越多地出现。此外，目前火力发电厂煤质和负荷多变不仅仅导致烟气中氮氧化物浓度波动剧烈，而且也使得脱硝系统大部分时间背离最佳工况，同时由于目前氮氧化物浓度测量、喷氨都有较大的滞后性，这也使得脱硝过程中经常出现氨逃逸率较大的情况。逃逸的氨气不仅会吸附到飞灰中或直接逃逸到大气中造成环境污染，而且会与烟气中三氧化硫和水反应生成具有高粘性和腐蚀性的硫酸氢铵，在上游粘结在催化剂表面影响脱硝系统的脱硝效率，在下游引起空气预热器腐蚀和堵塞，进而引起排烟温度升高，增大引风机出力甚至引起不必要的停机。因此，如果能对脱硝出口氨逃逸率进行在线精确测量，不仅可以实时监测脱硝系统运行是否正常，同时还可以为脱硝系统喷氨量提供反馈，在保证脱硝效率、氮氧化物排放的基础上实现精细喷氨，提高机组安全经济运行[1-4]。

2 氨逃逸测量难点及目前仪表存在的问题

由于测量环境和氨逃逸本身的物理化学特性，使得脱硝后氨逃逸监测存在以下难点[5-6]。

a.脱硝出口氨逃逸浓度极低，一般只有几μL/L左右，只有在逃逸浓度极大的工况下才会达到10 μL/L量级，这也对氨逃逸率的测量精度提出了极高的要求，一般要求小于0.5 μL/L甚至更低。因此，用于测量氮氧化物、二氧化硫等污染性气体的非分散红外、紫外差分、电化学等技术均不再适用。

b.氨气极易溶于水，而且吸附性极强，目前CEMS所采用的抽取测量方式不再适用。另外，在抽取烟气过程中，氨气不仅会吸附在管壁上，而且当抽取温度(伴热管线、测量腔体等所有烟气流经的路径)低于300 ℃时，烟气中的氨气还会与三氧化硫和水反应生成具有高粘性和腐蚀性的硫酸氢铵，因此传统抽取式测量的氨逃逸浓度会严重偏离真实值。

c.在脱硝出口，烟气中粉尘含量很高，一般达到几十g/m3，当采用激光等光学方法测量时，激光只能透过1～2 m的距离，而烟道宽度一般在3 m以上。与此同时，负荷变化以及机组启停时往往使得激光发射单元和接收单元不能对准。因此，激光原位对穿方式测量也不适用于氨逃逸率监测。

目前国内应用的氨逃逸率仪表主要分为原位对穿式、抽取式和渗透管3种方式，但是由于氨气浓度极低、氨气性质独特以及测量工况恶劣等问题，3种仪表在使用过程中都存在诸多问题。原位对穿式由于国内电厂烟气中粉尘含量极高，达到50 g/m3，使得激光无法对穿烟道，经常无法接收激光信号，为此某公司采用斜对角安装方式，这种安装方式由于安装位置的问题，角落处极有可能形成烟气死区，测量代表性差。另外，原位安装仪表由于是开放式测量环境往往无法进行标定。渗透管式滤除了烟气中的粉尘，激光透过率得到保证，然而由于采用渗透方式，存在气体更新速度慢、渗透孔堵灰等问题，而且在使用过程中难以消除本底信号的影响。传统抽取式采样探头安装在烟道内，测量腔安装在烟道外，对采样管路进行伴热(150～220 ℃)，然而当温度低于300 ℃时，烟气中氨气和三氧化硫开始反应生产硫酸氢铵，与此同时，氨气极易吸附，易溶于水，即便在高温下仍然存在吸附现象，因此在取样过程中烟气中氨气浓度已经发生改变，进而导致测量结果失真。据调研电厂工作人员反映，目前市场上氨逃逸率监测仪表基本上都不能准确测量脱硝出口氨逃逸率，甚至连氨逃逸浓度变化趋势也无法响应，部分仪表安装后基本处于瘫痪状态。

3 原位取样式测量方案

考虑到原位对穿式和传统取样式各自的优缺点，在5号炉安装了北京新叶能源科技有限公司的NLAM1512原位取样式氨逃逸率在线监测仪表，其测量方案如图1所示。测量探头安装在烟道内，仪表主要包括分析仪、激光发射接收单元、测量探头和抽气装置。激光控制模块控制激光器发射出相应波长的激光，经过光纤分束器后一束激光进入参比单元，另一束激光进入测量探杆，经过氨气吸收后到达回射器，被反射后再次被氨气吸收，由光电探测器接收并传输至数据采集处理模块，数据采集处理模块根据采集到的参比池信号和测量腔信号分别进行波长锁定及烟气中氨气浓度测量。

图1 NLAM1512氨逃逸率在线监测仪表结构

由图1可知，与原位对穿式和传统抽取式测量方法相比，原位取样式测量方法具有以下优点。

a.结合了原位测量和取样测量的优点，既保证了测量温度与烟道中烟气温度一致(不会因为温度变化导致烟气组分改变)，还可以对烟气中粉尘进行过滤，可提高激光透过率、信噪比和测量精度。

b.取样流程极短。传统抽取式取样管线一般在几m左右，而原位取样式测量可以极大地缩短取样管线，烟气进入测量腔体前流经管道路径可控制在几cm以内，同时还采用特殊材料内衬以防止氨气吸附，因此可以忽略取样过程中氨气的吸附作用，确保氨逃逸率测量结果与真实情况一致。

c.系统稳定性高。测量系统采用一体化设计，激光入射单元和探测单元安装在测量腔体外侧法兰上，入射光束到达腔体前端后通过自行设计加工的高精度角锥反射镜返回，该反射镜不仅反射率高、耐高温、耐腐蚀、耐冲刷，而且可以消除光路中激光干涉等因素的影响，同时还可以确保反射光束与入射光束平行且不会因为腔体变形、机械振动、反射镜位移而发生光路改变。

d.无能耗抽气装置。利用烟道与大气之间的压差设计了独特的抽气装置，该装置无需机械泵、蠕动泵、射流泵等耗材(需要经常更换)，而且也不需要消耗电厂压缩空气，经久耐用、稳定性好，抽气流量可达15 L/min，腔体中烟气更新速度小于10 s。

e.同工况在线标定技术。目前市场上原位对穿式和抽取式氨逃逸率监测仪表标定存在下述问题：原位对穿式是开放测量环境，无法对仪表进行原位标定，而抽取式的标定工况(一般小于200 ℃)与测量工况(350 ℃)尤其是温度差异很大。本研究设计的原位取样式测量方法不仅可以在实际运行中自动标定零点和满量程，而且标定工况与测量工况(温度、压力等)相同，标定结果可直接应用于实际测量，可保证仪表在长期运行中的测量精度。

4 原位取样式仪表测量结果

仪表安装于5号炉AB侧SCR脱硝后空预器前位置，现场安装如图2所示。

图2 NLAM1512现场安装图

图3 5号炉A侧(1)

图4 5号炉A侧(2)

图5 5号炉B侧(1)

图6 5号炉B侧(2)

其测量数据历史曲线如图3—图6所示，可知该仪表测得的数据与喷氨量、负荷、氮氧化物浓度关系相关性很强，即使0.1～0.2 μL/L的氨气浓度波动也能准确响应。另外，自安装以来，除了试验时间以外，该仪表运行情况比较稳定，测量数据可靠，可为火电机组脱硝系统的安全、经济运行提供有价值的数据。

5 结论

由于国内燃煤电厂粉尘含量高及氨气易吸附、易反应等原因，使得原位对穿式和传统抽取式氨逃逸率在线监测仪表在使用过程中都存在一些问题，本文综合考虑实际工况，采用原位取样方式监测仪表对氨逃逸率进行测量，将测量腔安装在烟道内部，测量环境与烟气温度一致，可以保证烟气成分不变，实现高保真测量。通过运行结果可以看出，该仪表可对氨逃逸率进行准确测量，与喷氨量、脱硝入口NOx、出口NOx具有很好的相关性，可以为脱硝喷氨量提供反馈，应用于脱硝优化控制中。

[1] 陈 明，王登香，张济显. 脱硝系统氨逃逸率大对空预器的影响及防治措施[J]. 华东电力，2014，42(6)：1 267-1 270.

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[5] 王 洁，张国鑫，何信坚. 660 MW机组SCR脱硝空预器堵塞原因分析[C]. 2016燃煤电厂超低排放形式下SCR(SNCR)脱硝系统运行管理及氨逃逸与空预器堵塞技术交流研讨会论文集，2016，1:484-489.

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Application of in Situ Ammonia Escaping Rate On-lineMonitoring Instrument in Coal Fired Power Plant

SHI Yuwei1, LIU Zhu2

(1. Tong Liao General Power Plant, Tongliao，Inner Mongolia 028011，China；2.Tong Liao Sheng Fa Thermo Electric Co., Ltd.,Tongliao,Inner Mongolia 028000,China)

At present, ammonia escape rate monitoring after denitrification uses sampling type or in situ type. Due to the domestic coal-fired power plant high dust content and ammonia adsorbed reactive and other reasons, there are some practical application problems in these two kinds of measurement methods. On the basis of ammonia escape measuring necessity and measurement difficulties, this paper introduced Beijing New Leaf Energy Technology Inc. NLAM1512 in situ sampling ammonia escape online monitoring instrument and its application in Tongliao power plant. The results show that the instrument can accurately measure the ammonia escaping rate after denitrification. Then it can provide the basis for ammonia injection in the denitrification and it can provide the basis data for the denitrification optimization.

ammonia escapeing；TDLAS；NLAM1512；in situ sampling

X831

A

1004-7913(2017)08-0041-03

史玉伟(1968)，女，学士，工程师，从事电厂热控技术管理工作。

2017-04-21)