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1、电厂后燃电厂后燃 NOX排放控制装置中的在线氨逃逸监测排放控制装置中的在线氨逃逸监测 H. A. Gamble1 , G. I. Mackay1 J. T. Pisano2 and R Himes31 Unisearch Associates Inc., 96 Bradwick Dr., Concord, Ont. L4K 1K8 2 Bourns College of Engineering Center for Environmental Research and Technology, University of California Riverside, California 9250
2、7 3 Electric Power Research Institute, 3412 Hillview Ave., Palo Alto, CA 94304 摘要摘要 在后燃（Post-Combustion） NOX的控制技术中，不论是选择性催化还原法（SCR）还是选择性非催化还原法（SNCR）在燃煤发电厂都得到了越来越多的广泛使用。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。过量的氨注入到整个管道或是管道的部分区域都会导致NH3的逃逸。 逃逸的NH3将与反应器后部烟道内工艺流程中产生的硫酸盐
3、发生反应，形成盐类沉淀在锅炉尾部更远的区域。这些沉淀物能够腐蚀和污染空气预热器，从而带来昂贵的维护费用等问题。 通过过程参数如 NO 排放量和锅炉总负载来反馈控制氨（或尿素）注入率的自动控制流程能够帮助控制 NOX的排放。通常地，基于负载和 NOX排放来进行反馈调节，目前的系统是可以按这种程序设置来控制 NOX排放在我们想要的范围内的。一款基于可调式二极管激光器的仪器，LasIR，已经在多个发电厂用于在线监测，获得了长期精确并且一致的 NH3逃逸数据。通过 LasIR 仪器实时在线监测逃逸的 NH3从而优化了加入到反应器内的氨量。 在目前的燃煤发电厂，这些数据已经用来监控和评估 NOX排放控制
4、系统的效能。 引言引言 大气中的 NOX主要来源于矿物燃料的燃烧。在汽车尾气排放上，催化转化器的应用，使得NOX排放水平从几千个 ppm 级降低到几十个 ppm 级1 。在更大规模的矿物燃料燃烧领域，例如燃煤发电厂，都伴随安装前燃烧或后燃烧 NOX控制技术，后燃烧控制技术可以是选择性催化还原法也可以是选择性非催化还原法。无论应用哪种方法，共性原理都是一样的，即通过往反应器内注入氨与氮氧化物发生反应，产生水和 N2。注入的氨可以是直接以 NH3的形式，也可以是先通过尿素分解释放再得到 NH3进而注入的形式。无论是何种形式，控制好氨的注入总量和氨在反应区的空间分布就可以最大化的降低 NOX排放。注
5、入的氨过少，就会使还原转化效率变的低下，注入的氨过量，不但不能减少 NOX排放，反而因为过量的氨导致 NH3逃逸出反应区。 逃逸的 NH3会与工艺流程中产生的硫酸盐发生反应生成硫酸铵盐， 其中主要是重硫酸铵盐。铵盐会在锅炉尾部烟道下游固体部件表面上沉淀，例如沉淀在空气预热器风扇上面，会造成严重的腐蚀，并因此带来昂贵的维护费用。在反应区注入的氨的分布情况与 NO 和 NO2 的分布不匹配时也会发生氨逃逸现象。 高氨量逃逸的情况伴随着 NOX转化效率降低是非常糟糕的现象和很严重的问题。 通过以上分析可以得出这样一个结论，我们需要在最小的氨逃逸率情况下去降低氮氧化物的排放。在工业领域，越来越多的在线
6、监测技术能够连续的、精确的、即时的去监测NH3,NO,NO2,CO,CO2,O2等等与矿物燃料燃烧密切相关的气体。特别是基于可调谐二极管激光光谱吸收(TDLAS)的光谱技术已经在很多矿物燃料的发电厂或其他工业燃烧领域被用于去监测以上涉及提到的气体浓度2,3,4,5,6,7,8,9 。特别的是，对燃煤锅炉尾部反应器出口的氨逃逸监测装置已经在加拿大和美国的燃煤发电厂2,3,4,5 ,美国2,3 和俄罗斯4 的煤/气两用发电厂进行了安装使用。这些仪器装置都使用了原位安装监测技术，光学器件安装在烟道或管道的两侧合适的位置，光束直接穿横向过管道。定量分析以比尔定律为基础，比尔定律指出，到达检测器的光强（
7、I）与光源和检测器之间的吸收气体数量（浓度）相关。 I=Ioe-cl 1 I 被吸收后的光强度 Io 吸收前的光强度 截面的分子吸收强度 C 吸收物质的浓度 l 光程路径长度 这里有几个要点需要说明，一个要点是本报告的气体浓度值实际表示的是光穿过的整个路径上的气体浓度平均值。它给出的是一个原位的样品平均值而不是将采样头插入管道中抽取气体的点检测值，特别是管道气体浓度呈梯度性渐变或不均匀情况存在时，这种通过原位监测而获得的平均值更能代表整个流程管路中的总体浓度。最新的 EPRI 白皮书中，深入讨论了这种贯穿管路的对射监测方式在 NOX排放监测技术中的优势10 。 另一个要点是，绝对光强对于浓度计
8、算没有影响(假定光强是足够和可靠检测的)，决定浓度 C 的是 I/I0的比率，这对于高粉尘环境的燃煤锅炉系统是非常重要的。 这种原位安装用来证明可调式二极管激光光谱技术在后燃烧脱硝工艺流程监测中的效果。在一个先前的时间跨度达到两年的电厂检测测试中4 ，NH3逃逸监测数据与过程参数的相关性非常一致，例如氨（或尿素）的注射率、锅炉单位负荷、NOX进入和排放水平等2,3,4 。测量响应迅速，数据更新时间可以在 515 秒内，与抽取式测量相比，原地监测有效的消除了时间延迟对测量结果的影响。 直到目前，高粉尘环境特别是这种燃煤系统的环境限制了原位安装 TDLAS 系统在氨逃逸和其他工艺流程气体的应用，最
9、新的进展在几个方面解决了这个问题，使得连续、长期、常规的监测变成非常可能，可以在 10g/m3 或更高粉尘浓度进行监测。我们在这里对这几个方面的进展做一个简单的陈述，报告最新的近红外 TDL 氨逃逸监测在北美几个电厂的运行结果。连续监测的时间包括一个工厂一天到几个工厂连续三年的监测。 实验实验 仪器装置 在氨逃逸监测上的所有结果都是使用 Unisearch 公司的配置近红外激光器的SM410DA-NH3 S 系列 LasIR获得。LasIR分析系统包括激光器控制单元、电源供给单元、信号处理单元和一套或多套远程光学部件单元组成。一般的，商用产品线中的 S 系列分析仪内部使用一个激光分光器或多路器
10、使得分析仪可以做到最多同时监测 16 个监测位置。短光程（1-25 米）的烟道光学部件被安装一个外径 9 英寸的法兰上，每个法兰上都安装装 2 英寸的光学窗口，用以激光光线的穿过和保护内部光学部件。一个 1/4 英寸的卡套接口用以连接吹扫气体，保持粉尘侧光学窗口镜片的清洁。LasIR分析仪的光学系统可提供单光程和双光程的配置，本研究中有三个位置使用单光程的光学系统，其余位置使用双光程的光学系统。双光程光学系统的聚焦准直器、发射器和光电检测器都装配在同一个部件上，反射镜装置安装在烟囱或管道的对面侧，使光线原路反射回到发射端。 图 1.是光纤分布式 LasIR系统的示意图，包括了单光程和双光程两种
11、配置的远端现场烟道式光学系统。这里要说明的是，在实际应用中一般不同时并用两种配置监测。分析仪被安放在控制室或仪器室，通过光纤把分析仪发出的激光传输到远端的光学系统的发射端，光信号转换成电信号后通过同轴电缆传回到分析仪。所有的信号处理、数据显示、数据存储都将在分析仪内完成。分析仪可以与外部的电脑连接，进行对分析仪参数设置、查看曲线图、查看历史数据、数据下载等等。并且可以通过以太网或 RS232 端口，420mA 模拟输出端口进行数据的传输。 图图 1 图 1 示意图中使用一个 LasIR 近红外 TDL 分析仪测量两个单独的位置。内置激光器模块、电源模块和信号处理模块的分析仪被放置在远端控制室。
12、光纤把分析仪发出的激光传输到检测位置的发射端，检测位置的烟道光学系统将电信号经同轴电缆传回到分析仪。如图所示，安装了单光程和双光程两种配置的光学系统。一个可选的线内考核池模块（in line audit cell）用来考核系统的零点（ZERO）和跨度(SPAN)。如图所示，靠近激光光束位置的一个检测口用来做比对测试。 图 1 同时也显示了考核 LasIR 系统性能的硬件配置。直接吸收校正系数相关与公式（1）中的 ，这个校正系数在出厂时就已经被设定，不需要去做任何调整。然而，规范或企业内部的操作要求常常要求对系统进行校正检查，所以我们使用了如图 1 所示的可选的线内考核池模块（in line a
13、udit cell）来对系统进行校正检查。 另一个可接受的确认程序是 LasIR 分析仪的读数与现有的参照分析方法的读数做对比，氨气参照分析法的采样详细规范已经被美国 EPA 建立11 。 图 1 图解说明了这种比对研究的正确做法。做法的要点包括在 LasIR 仪器光径位置快速采样，或在允许的情况下竟可能的靠近光路位置采样，另一个重要的要点是在管道横向的不同深度抽取气体样本。为了更好的与 LasIR 仪器的数据进行对比，需将不同侧面深度的抽取样品的浓度进行计算去获得一个平均值。 信号处理 LasIR S 系列的物理与光学设计和早期 LasIR 型分析仪类似2,3,4 ，但是在分析仪本身以及信号
14、处理技术方面有了重大的进步。一个重大改进就是使用高质量的激光器，目前常规使用的激光器输出功率提高到了 20mW，性能稳定，并且具有优良的可调谐性能，使得氨气的测量精度、准确度以及读数的重复性有了非常大的提高。现在使用高输出功率的激光器，加上增益放大电路的改进，意味着在高粉尘环境下依然能够获得精确的数据，而过去的 TDL 测量是很难或不可能做到这一点的。 在信号处理方面中，以前的 LasIR 仪器使用 2f 频率调制测量技术测量低浓度气体。2f 频率调制定量测量技术基于气体吸收信号的二次谐波，频率调制增加了检测的灵敏度，但同时造成仪器对于外部因素非常敏感，比如传输返回信号的同轴信号线的长度影响以
15、及电路信号干扰的影响。而直接吸收定量法，正如目前我们使用的仪器，它的定量是以比尔定律为基础，它的测量稳定性要比频率调制技术好很多。基于最新的快速电子信号处理技术的全新快速扫描直接吸收信号处理技术已经达到了 2f 频率调制同样的检测灵敏度。 另外的一个创新是分析仪增加了程序控制的增益调节功能（自动增益） 。这个功能特别适用于粉尘量有非常大变化的监测环境，随着粉尘量的变化，增益自动随之调节，有效的增强了仪器动态调节的能力，降低了噪音，保证放大信号是在最适宜的范围内。 现场准备和安装 所有的光学头都要使用吹扫气以保护光学窗口的干净，在绝大多数的环境条件下，这种做法被证明都是非常成功的，包括燃煤锅炉的
16、 pre-ESP 管等高粉尘环境。例行维护是必须的，每36 个月清洗和检查光学窗口，每 12 年更换窗口镜片。 激光在光学发射端被发散地射到对面的接收端，使得在对面接收端形成光斑直径远大于接收端本身的窗口直径，这样有效的解决了当烟道或管道发生振动或出现热膨胀时，光线的偏移造成光线不能被接收到的问题。图 2 说明了这种做法，这里是以单光程光学配置为例，对于双光程光学配置，效果也是一样的。 图 2 图 2：光束扩展技术图解。在检测管道有很大位移时推荐使用这种光束准直方法。 结果与讨论结果与讨论 可行性 在加拿大和美国总共七个不同的燃煤发电厂都成功的进行了实际的检测。先前报告的测量数据来源于美国的另外两个发电厂和一个俄罗斯发电厂2,3,4 ，目前最新的七个发电厂检测数据概括如表 1 所示。 表格里的检测光程描述的是LasIR仪器的实际检测光程， 有一些光学装置安装了保护套管。实际的管道宽度要单光程光径长度要大。这里也使用了双光程光学系统，双光程光学系统的光程是
