基于UV法的FFT氨逃逸在线监测系统研究

吴升光，陈 彪，倪建伟

(1.浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，浙江 绍兴 312000； 2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 3.浙江赫能环境科技有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

SCR(选择性催化还原)方法是目前火电厂脱硝最成熟有效的一种方法[1-3]，在一定温度(290～430 ℃)及催化剂的作用下，NOx和氨(NH3)反应将NOx转化为氮气(N2)和水(H2O)以减少NOx排放[4-5]。通常，NH3和NOx之间的反应效率可大于95%，未反应的NH3则被称为氨逃逸[6-7]。

当喷氨不足时，脱硝效率不足，无法满足污染物排放控制的要求。但喷氨量过大，氨逃逸率过高，则NH3、H2O和SO3会反应生成较多的硫酸氢铵结晶[8]。一方面，硫酸氢铵具有很强的粘性，容易堵塞催化剂导致催化剂失活，此外，还会造成下游空气预热器换热管表面氨盐沉积，导致排烟不畅，炉膛超压，甚至是下游烟道腐蚀加剧[9-10]。

按照现有运行经验，当SCR脱硝反应器出口烟气的氨逃逸控制在3 μmol/mol以内时，可以延长空气预热器的检修周期，确保相关设备的正常稳定运行。因此，对脱硝系统出口氨逃逸浓度进行连续、准确的监测是十分必要的。

由于脱硝氨逃逸浓度的量级为ppm级，国内多采用在线仪器分析法(CEMS)监测[11]，主要包括直接测量法、抽取法。直接测量法成本低，但因为安装于烟道内，粉尘、气体温度和负荷变化对测量设备的准直影响大，导致测量精度受干扰；抽取法通过对抽取烟气进行预处理，从而提高测量品质。在分析方法上，主要有电化学、色谱[12]、质谱和光谱学测量方法。其中，光谱学方法具有分析速度快、采样预处理简单、选择性好、灵敏度高、样品损坏少等优点，符合实时在线分析和现场快速检测的要求，应用越来越广泛。本文介绍了一种基于UV(紫外)光谱法的高温抽取式FFT(快速傅里叶变换)氨逃逸在线监测系统及其应用效果。

1 基于UV法的高温抽取式FFT氨逃逸在线监测系统

正常运行下，烟道中氨逃逸量极低，仅为3 μmol/mol以内，对仪器测量精度要求较高。NH3极易与烟气中的H2O和SO3反应生成硫酸氢铵，再加上氨气的吸附性强且极易溶于水，对采样预处理部分有较高的要求。

高温抽取式FFT氨逃逸在线监测系统通过全程高温抽取方式，并对烟气进行有效预处理，通过高精度的UV光谱测量，使用快速傅里叶变化算法，具有响应快、灵敏度高、抗干扰能力强以及非接触式测量等特点，使得该技术成为氨逃逸在线测量的一种相对适合的方法之一。

1.1 分析仪测量原理

分析仪使用UV光谱法，利用了物质的不同波长响应实现同时测量几种气体，而且NH3、SO2、NO、CS2、甲醛和乙炔等气体都具有周期性吸收光谱谱图，因此，通过对谱图信号利用FFT(快速傅里叶变换)算法[13]进行处理，在确保测量因子具有极佳选择性的同时大幅提升计算效率和分析速率。固态电路设计的UV光谱法使得测量系统具有极高的可靠性，并且几乎无需维护。

分析仪测量原理如图1所示。

图1 分析仪系统测量原理Fig.1 Measuring principle of the analyzer system

根据测量出UV光的吸收量，利用比耳-朗伯定律计算烟气组分浓度：

(1)

其中，各项物理意义为：[C]—样气组分浓度；K—指定气体在特定波长下的吸光系数；Iref—零气光强度；Igas—样气光强度[14-15]。

为了最大程度降低光学机电设计难度，光谱仪设计主要基于一个凹面格栅。光谱被记录在512或2 048像素二极管阵列或CCD上。基准信号可以通过空气或者氮气进行自动校准，校准周期一般为2 h或4 h。

除被测组分NOx、SO2和NH3外，烟气成分主要还有水、CO、CO2、O2和CH4等。其中CO、CO2、O2和CH4没有UV吸收，因此它们不干扰被测气体。水在UV波长范围内仅有微弱吸收，通常烟气湿度在5%～20%之间，干扰甚微，其影响可忽略。

常规测量因子的光谱图如图2所示。

图2 常规测量因子的光谱图Fig.2 Spectrogram of conventional measurement factors

1.2 分析仪气路原理图

分析仪气路如图3所示。

图3 分析仪气路原理图Fig.3 Gas path schematic diagram of the analyzer

样气进口和零气进口通过一个三通电磁阀连接，当自动调零启动时，电磁阀切换到零点空气管路。从压力传感器读出样气压力及流量，同时对气体测量进行压力补偿。高温取样泵安装在流通池前端。为防止微量的氨气吸附，所有气路都安装在一个加热的密封仓内，加热温度在190～240 ℃范围内可调，变化在±0.5 ℃以内。

1.3 采样预处理系统介绍

本系统烟气预处理采用全程高温抽取式系统，可有效解决抽取式氨逃逸系统采样预处理部分的NH3吸附问题。

采样探杆、探头具有全自动加热取样及反吹功能，独立于下游系统运行。通过探头自带控制面板设置探头加热温度，温度可达280 ℃，有效防止烟气冷凝或铵盐结晶。探头配置双级粉尘过滤器，前置过滤器采用高精度不锈钢过滤器，保证仅极微小的颗粒物可进入采样系统，内置过滤器的过滤精度较前置过滤器低，需定期更换前置滤芯保证以防止系统阻力过大。采样探头烟气接触部分均采用316 L不锈钢材料，减少NH3在管壁上的吸附。

系统采样管线具有自动温度控制功能，加热温度控制在190～220 ℃，加之采用特制的耐NH3吸附的PTFE管线，可有效减少氨在传输过程中的损耗。

1.4 系统特点

该系统具有以下特点：

(1)仪器具有极低的维护量和高度稳定的测量结果。UV氙灯的寿命为109频闪次数，若按连续测量模式，氙灯寿命大约为3年；若每分钟测量一次，寿命可达10年，因此，维护成本相对较低。

(2)基于高速DSP(数字信号处理器)的超快速电子设计装置，确保分析仪能够在200 ms内测量试样浓度。

(3)系统采用全程高温且耐NH3吸附的气路设计，有效避免NH3在传输过程中的损耗，最大限度保持烟气的真实性。

(4)利用了有专利权的FFT算法，准确识别烟气中不同组分的UV吸收光谱谱图，可同时测量NH3、SO2和NOx，因而，能够代替现有的脱硝CEMS系统，经济性较强。

2 应用情况

为验证该系统在脱硝氨逃逸测量中的运行情况，将该系统安装于某电厂脱硝出口。

2.1 测量单元氨逃逸检测精度验证

现场将标准气体直接通入分析仪，仪器的重复性及线性度检测结果如表1～2所示。

表1 仪器重复性测试

表2 仪器线性度测试

由上述检测结果可知，仪器重复性为0.69%，相关系数为0.999 2，具有很好的重复性及较高的线性度。

2.2 采样系统中氨逃逸损失率验证

将标准气体通入采样探头进气口，使标准气体经过采样探杆、采样探头滤芯和采样管线后进入分析仪。检测结果如表3所示。

表3 系统氨逃逸损失率验证

由上表3可知，标准气体经过采样探杆、采样探头滤芯和采样管线后的测量结果与表2中直接测量的结果十分接近，表明系统预处理过程中NH3的损失率极低，平均损耗为0.15 μmol/mol，结果较为理想。

2.3 曲线一致性检验

为检测系统测得结果是否能准确反映实际运行状态，对喷氨量进行调整，将氨逃逸检测曲线与NOx浓度曲线进行对比，结果详见图4。

图4 氨逃逸与NOx曲线Fig.4 The measuring curve of the Ammonia escape and NOx

由图4可见，当脱硝喷氨量增加后，NOx数值降低，氨逃逸数值明显增加，系统可以准确反映脱硝装置出口氨逃逸的变化。

3 结论

采用基于UV法的高温抽取式FFT氨逃逸在线监测系统，仪器重复性为0.69%，相关系数为0.999 2，采样系统平均损耗为0.15 μmol/mol，完全满足测量要求，可以准确反映脱硝装置出口氨逃逸的变化，且系统在实际应用中长期、稳定、可靠运行，维护量少，完全满足现有SCR脱硝工艺中氨逃逸检测的要求。