PIMS多點式激光光譜氨逃逸監(jiān)測系統介紹及實際應用

1、PIMS多點式激光光譜氨逃逸監(jiān)測系統介紹及實際應用摘 要： 本文論述了SCR工藝中多點式氨逃逸監(jiān)測的重要性和緊迫性，以及氨逃逸監(jiān)測的技術難點，介紹了PIMS多點式激光光譜氨逃逸監(jiān)測系統的對應解決方案。關鍵詞： 偽原位監(jiān)測(PIMs), 原位檢測(In-situ Measurement)，可調激光光譜(TDLAS), SCR，ABS，氨逃逸，氨逃逸分布不均一、SCR脫硝工藝中氨逃逸監(jiān)測的重要性SCR(Selective Catalytic Reduction)選擇性催化還原法是國際上成熟的燃煤電廠脫硝工藝，原理是利用還原劑在催化劑的作用下選擇性的與煙氣中的NOx發(fā)生化學反應生成N2和H2O的方法

2、：NO+NO2+2NH3 2N2+3H2O還原劑：液氨、尿素或氨水催化劑： V2O5-WO3/TiO2-SiO2但是即使SCR工藝中NH3的噴入量不過量，也不可能完全反應，總有一部分沒有被反應的NH3逃逸出催化劑層，另外，由于催化劑的安裝不密封，也有可能部分的NH3隨著煙氣從催化劑層的連接縫隙處逃逸出催化劑層。對于燃煤電廠而言，逃逸氨最大的危害在于逃逸氨與煙氣中的SO3發(fā)生反應：NH3+SO3+H20=NH4HSO4 ，NH4HSO4英文Ammonium Bisulfate,簡稱 ABS，ABS在一定的溫度區(qū)間內呈液態(tài)，并具有粘性特征，而SCR后的空預器恰巧在這一溫度區(qū)間內，液態(tài)的ABS附著在

3、空預器的表面，并吸附煙氣中的粉塵，造成空預器的前后壓差增大，嚴重的情況是造成空預器堵塞。空預器壓差增大甚至堵塞會嚴重危害鍋爐的運行安全，電廠必須停爐清洗空預器，故造成很大的經濟損失。研究表明，當氨逃逸超過3ppm后，空預器就容易發(fā)生堵塞。ABS的產生也受SO3濃度的影響，SO3大部分來自SO2的轉化，SCR催化劑的應用也提高了SO2的轉化率。氨逃逸量和SO3的濃度決定了ABS的生成溫度區(qū)間。 以下是NH3和SO3的生成(NH4)2SO4(AS)和NH4HSO4 (ABS)生成溫度區(qū)間：值得注意的是由于在實際電廠工況下，逃逸氨的量總是小于SO3的量，所以銨鹽是以ABS的形態(tài)出現。從上圖可以看出，

4、ABS的生成溫度區(qū)間基本上就是空預器的溫度區(qū)間。如上所知，準確并且全面的監(jiān)測SCR工藝后的氨逃逸濃度及其重要，只有準確并且全面的監(jiān)測氨逃逸濃度才能給SCR的優(yōu)化提供科學的數據。二、中國燃煤電廠SCR監(jiān)測氨逃逸的難點對于燃煤電廠，由于空預器的ABS現象，監(jiān)測氨逃逸必須是在空預器之前?？疹A器的位置是布置在除塵和脫硫之前。燃煤電廠的工藝布置如下圖：煙氣中粉塵量通常高達20g/m3-50g/m3，相當數量的電廠粉塵量高達50g/m3以上。而美國電廠的粉塵量通常在10g/m3以下。2)煙氣溫度高。煙氣溫度通常在350到400，這也是SCR催化劑的工作溫度。3)煙道為1cm的厚鋼板矩形結構，通常對于一個6

5、00MW機組，煙道為A和B雙煙道布置，矩形界面的長和寬通常為8米和5米。 鍋爐負荷的變化會導致煙氣溫度、壓力和流量的變化，這種矩形鋼板結構的煙道會產生相應的形變。目前國際上主流的氨逃逸監(jiān)測是基于TDLAS(可調式二極管激光吸收光譜)技術的原位對射式(In-situ) 氨逃逸分析儀，代表品牌有西門子的LDS6 , 挪威NEO的LaserGas II SP , 加拿大UNISEARCH(優(yōu)勝)公司LasIR (SPSO) 等等。 ABB的AO2000-LS25 和英國SERVOMEX公司的LaserSP 是挪威NEO的OEM產品。另外還有德國SICK的GM700探桿式激光氨氣分析儀和日本Horib

6、a 以及美國熱電的基于稀釋法和化學發(fā)光NOX分析儀的氨逃逸分析系統。但是眾多的國際品牌在實際應用中都出現各種各樣的問題，尤其在中國燃煤電廠的工況下，鮮有運行良好的，大多數分析儀甚至完全成為擺設?？偨Y來說存在如下問題和檢測難點：1) 煙氣粉塵太大的問題煙氣中高達20g/m3-50g/m3的粉塵導致對射式(in-situ)的激光氣體分析儀的激光不能夠穿透整個煙道，有時在安裝調試時能夠穿透煙道，但是當鍋爐負荷增大時，激光光束就不能通過，導致檢測中斷。另外鍋爐吹灰也會導致激光光束不能通過。對于探桿式的激光分析儀，由于依靠煙氣滲透進入探桿的過濾管，在如此高的粉塵下，探桿過濾管也容易堵塞，維護量很大。2)

7、ABS的問題燃煤電廠的SO3含量通常都在50ppm以上，有些電廠由于使用高硫煤，SO3的含量甚至高達200ppm。SCR中使用的催化劑含有V2O5成份也對SO2轉化到SO3起到催化作用，也導致了SO3含量的提高。根據ABS形成溫度區(qū)間表可知，當氨逃逸3ppm，SO3在50ppm到100ppm之間時，ABS的生成溫度在220和230之間。對于傳統的抽取式分析系統而言，采樣管線和檢測池很難加熱到如此高的溫度，并且在采樣環(huán)節(jié)上任何細小位置的溫度低于此溫度區(qū)間都會導致ABS的生成，導致氨氣損失甚至完全消失。3)氨逃逸檢測靈敏度不夠的問題對于激光光譜分析儀而言，NH3的吸收光譜隨著溫度的提高吸收峰會減弱

8、，靈敏度會隨之降低。在350到400的煙氣溫度下，每米光程的靈敏度大約在1.5ppm， 對射式激光表由于煙氣粉塵過大通常會安裝在煙道對角位置，把光程控制在1-2米之內，這樣氨逃逸的檢測靈敏度最好的情況也只能達到大約1ppm，這對于0-3ppm的氨逃逸檢測范圍來說，顯然靈敏度是不夠的。對于稀釋法的化學發(fā)光NOX分析儀法的氨逃逸分析系統而言，由于氨逃逸本身含量很低，通過10-100倍的稀釋以及氨氣轉換爐的轉化損失以及采樣管路的損失，基本上很難檢測到3ppm以下的氨逃逸。4)氨逃逸分析儀的校正問題對于標氣公司，基本上不能提供10ppm以下的準確氨氣標準氣體，另外對于對射式激光分析儀而言，也很難進行在

9、線校正。5)逃逸氨在煙氣中分布不均的問題。逃逸氨的分布不均是造成空預器堵塞的主要原因之一。原因來自噴氨噴嘴的故障以及噴嘴分布，也有來自催化劑層的安裝不嚴密，導致煙氣沒有通過催化劑層而進入下游煙道。逃逸氨分布不均的嚴重情況是一兩米的間隔逃逸氨相差幾倍甚至幾十倍。無論是對射式激光表的平均濃度還是單點抽取式都不能很好的反映真實的氨逃逸分布，從而給SCR的噴氨優(yōu)化造成困難。三：基于PIMs 和TDLAS技術的氨逃逸多點監(jiān)測系統加拿大UNISEARCH(優(yōu)勝)公司在中國電廠安裝了近百套原位對射式激光光譜氨逃逸分析儀以后，意識到對射式氨逃逸分析儀無法滿足中國電廠的工況，盡管也采用了一些改進措施，比如在煙道

10、內搭設半圓管阻擋粉塵等措施，但是都不能根本性的解決問題?；诮偬讓ι涫桨碧右莘治鰞x的應用教訓，加拿大UNISEARCH(優(yōu)勝)公司在2013年起開始研發(fā)新一代的基于PIMs光學端的激光光譜氨逃逸分析儀系統。基于PIMs光學端的氨逃逸分析儀系統的所有研發(fā)完全基于中國電廠的工況，在經歷了數十個中國電廠的安裝實驗以及5個版本的改進后，PIMs系統已經成熟，根本性的解決了氨逃逸檢測的諸多問題。2014年，PIMs 技術在美國、加拿大、歐盟、中國獲得發(fā)明專利申請批準。1、 PIMs 技術原理PIMs : Pseudo In-Situ Measurement system ，偽原位檢測系統。PIMs 集

11、成了所有的高溫采樣、光學檢測組件于一體，直接安裝在煙道上，不同于傳統的抽取式檢測系統，PIMs沒有傳統的采樣管線，煙氣被直接抽取到高溫多次反射檢測池并返回煙道，形式上和功能上近似于原位檢測(In-Situ Measurement)，所以稱為偽原位檢測(Pseudo In-Situ Measurement)。PIMs示意圖如下：2、PIMs的核心技術PIMs的核心技術之一是鏡片隔離的多次反射光學檢測池，與眾不同的是PIMs多次反射鏡面并不與煙氣接觸，避免了傳統的多次反射池的反射鏡片污染和溫度/壓力變化導致的多次反射光束偏移。示意圖如下：PIMs的多次反射池的光程并不是固定不變的，可以根據現場的要

12、求在10-30米范圍內調節(jié)。由于光程相對于對射式光學端提高了10-20倍，PIMs的氨逃逸檢測靈敏度也提高了10-20倍，靈敏度達到0.1ppm。PIMs的另一個核心技術是其獨特的采樣設計，PIMs拋棄了傳統的抽取式系統設計，采樣氣體通過探桿直接進入過濾腔，過濾后的氣體直接進入多次反射檢測池，檢測池出來的氣體直接返回到煙道。采樣管線幾乎為0，并且氣體接觸部分在300以下溫度可調。PIMs的這種獨特的設計最大限度的保證了采樣煙氣與原煙氣的工況一致，并且是一種熱濕法采樣，并不去除水汽，只去除粉塵。PIMs最大限度保證了煙氣采樣過程中沒有ABS的生成，避免了逃逸氨的采樣損失。另一方面，PIMs的檢測

13、響應時間可以控制在3秒以內，近似于原位檢測(in-situ measurement)的響應時間。實際上，PIMs的這種快速響應更加適合于工藝流程檢測需要，是替代原位檢測的一種獨特技術。PIMs的過濾器反吹系統可以通過R系列分析儀設定反吹時間和頻率，即使在100g/m3的粉塵工況下，也能保證探桿和過濾器不堵塞，過濾系統的維護量小。PIMs氨逃逸檢測系統的另一個核心技術是整套系統的免標定技術,PIMs系統并不需要用戶通過氨氣標準氣體對系統進行定期標定。免標定技術是通過LasIR R系列激光光譜分析儀來實現的， R系列激光光譜分析儀內置了密封的氨氣標準氣體，用戶可以通過分析儀的lasIRview 軟

14、件設定系統的零點(Zero)和跨度(Span)來定期考核。本質上，Unisearch的激光分析儀能實現零點和跨度無系統漂移，除了內置標準氣體外，真正的原因是Unisearch的激光光譜分析儀采用的是直接吸收法(DI : Direct Absorption ) TDLAS技術，而不是通常的二次諧波法(2F)的TDLAS技術。下圖是用戶自定義的利用內置標準氨氣進行的零點和跨度考核數據截圖：本質上PIMs是一種獨特光學檢測終端，PIMs直接安裝在煙道，通過光纜/同軸電纜與分析小屋的LasIR R系列多通道激光光譜分析儀連接，構成一套完整的氨逃逸監(jiān)測系統。LasIR R系列分析儀發(fā)出的激光通過光纜到達

15、PIMs光學端，激光在PIMs的檢測池內多次反射后到達檢測器，檢測器將光信號轉換成電信號通過同軸電纜傳輸回R系列分析儀，分析儀通過光譜分析儀，計算出逃逸氨的濃度。R系列多通道分析儀在1到16通道都能提供，可以連接多個PIMs終端組成多點氨逃逸監(jiān)測系統。由于多個PIMs都是獨立的檢測單元，所以多點能夠同時進行監(jiān)測，并且分析儀對應每個通道都有獨立的4-20mA輸出。值得注意的是，多點的檢測濃度值最終并不進行平均，而是將多點的檢測濃度值傳輸至電廠DCS，提供給SCR進行噴氨優(yōu)化。這種多點監(jiān)測系統最大可能的反映了煙道中逃逸氨的分布情況，對于SCR的噴氨優(yōu)化以及催化劑的區(qū)域活性檢測非常有意義。下圖是一個

16、以四通道PIMs系統為例的示意圖：可以從示意圖中看出，這種四點檢測系統可以大致的反應出煙道截面各個區(qū)域的氨逃逸分布。國際上通常也是通過這種多點監(jiān)測解決逃逸氨的不均勻性問題。下圖為優(yōu)勝公司在中國某電廠660MW超臨界機組A、B煙道上安裝的兩套四通道PIMS多點式系統的現場照片。通過兩套四通道的PIMS監(jiān)測系統，A煙道可獲得A1、A2、A3、A4四個監(jiān)測點的數據,B煙道可獲得B1、B2、B3、B4四個監(jiān)測點的數據。下圖是A、B煙道在噴氨優(yōu)化之前的氨逃逸和NOx的分布圖：從以上實際監(jiān)測到數據可以看出，在A、B煙道在沒有做噴氨優(yōu)化之前，氨逃逸和NOx的分布非常不均，相鄰監(jiān)測點氨逃逸差別甚至達到30pp

17、m，相應的NOx的差別也達到幾十mg/m3。該電廠基于這個狀況做個相應的噴氨優(yōu)化，下圖為噴氨優(yōu)化后的氨逃逸和NOx的分布圖：從上圖可以看出，噴氨優(yōu)化后的氨逃逸和NOx的分布獲得了極大的改善，所有8個監(jiān)測點的氨逃逸濃度均控制到3ppm以下。我們可以從實際安裝的PIMS多點式監(jiān)測系統數據上看出，單點氨逃逸(或混合采樣)監(jiān)測對于SCR的噴氨優(yōu)化沒有實質性的意義，只有通過多點氨逃逸獨立并且同時監(jiān)測，才可能全面獲得某個煙氣截面上氨逃逸的實際分布情況，給SCR噴氨優(yōu)化提供實時的數據支持，最終將煙道中各區(qū)域的氨逃逸都降低到工藝設計要求，防止后端空預器由于ABS結晶引起的堵塞。4、TDLAS技術介紹PIMs氨

18、逃逸檢測系統除了PIMs技術以外，另一個核心是基于TDLAS技術的R系列激光光譜分析儀。加拿大Unisearch (優(yōu)勝)成立于1980年，1994年推出了基于TDLAS技術的氣體分析儀，是世界上第一批推出商品化的TDLAS分析儀的公司。TDLAS 技術原理：TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy可調式二極管激光吸收光譜)技術的核心是使用近紅外二極管激光器做為光源，通過實時改變激光器的溫度以及注入電流產生高頻窄波段的激光掃描，激光器產生的窄波段掃描激光束通過光纖傳輸到檢測光學端，在光學端激光束穿過被檢測氣體后被聚焦到光電檢測器，光電檢

19、測器將吸收光譜電信號通過同軸電纜傳輸回分析儀，分析儀通過對掃描吸收光譜的分析計算得到檢測氣體的濃度。TDLAS技術基于氣體對特定波長光譜的選擇性吸收原理來獲得氣體的吸收光譜，定量分析上基于Lambert Beer 定律：I=Io exp(-cl )I：被吸收后的光強度Io ：吸收前的光強度： 吸收截面c：吸收物質的濃度l：光程路徑長度基于TDLAS 技術的LasIR R系列氣體分析儀可檢測如下氣體：HF、HCL、H2S、NH3、HCN、H2O、D2O、HDO、CH4、CO、CO2、O2 .TDLAS的技術核心是通過對單一氣體吸收峰做窄帶的高頻掃描，由于激光光源的光譜寬度可精細到0.0001nm ,所以通過電流和溫度調節(jié)，可以在極小的范圍內對單一吸收峰進行掃描