PIMS多點(diǎn)式激光光譜氨逃逸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹和實(shí)際應(yīng)用

...wd......wd......wd...PIMS多點(diǎn)式激光光譜氨逃逸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹及實(shí)際應(yīng)用摘要：本文論述了SCR工藝中多點(diǎn)式氨逃逸監(jiān)測(cè)的重要性和緊迫性，以及氨逃逸監(jiān)測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)，介紹了PIMS多點(diǎn)式激光光譜氨逃逸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)解決方案。關(guān)鍵詞：偽原位監(jiān)測(cè)(PIMs),原位檢測(cè)(In-situMeasurement)，可調(diào)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(cè)的重要性SCR(SelectiveCatalyticReduction)選擇性催化復(fù)原法是國(guó)際上成熟的燃煤電廠脫硝工藝，原理是利用復(fù)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(xué)反響生成N2和H2O的方法：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O復(fù)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(guò)量，也不可能完全反響，總有一局部沒(méi)有被反響的NH3逃逸出催化劑層，另外，由于催化劑的安裝不密封，也有可能局部的NH3隨著煙氣從催化劑層的連接縫隙處逃逸出催化劑層。對(duì)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)生反響：NH3+SO3+H20=NH4HSO4，NH4HSO4英文AmmoniumBisulfate,簡(jiǎn)稱ABS，ABS在一定的溫度區(qū)間內(nèi)呈液態(tài)，并具有粘性特征，而SCR后的空預(yù)器恰巧在這一溫度區(qū)間內(nèi)，液態(tài)的ABS附著在空預(yù)器的外表，并吸附煙氣中的粉塵，造成空預(yù)器的前后壓差增大，嚴(yán)重的情況是造成空預(yù)器堵塞?？疹A(yù)器壓差增大甚至堵塞會(huì)嚴(yán)重危害鍋爐的運(yùn)行安全，電廠必須停爐清洗空預(yù)器，故造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。研究說(shuō)明，當(dāng)氨逃逸超過(guò)3ppm后，空預(yù)器就容易發(fā)生堵塞。ABS的產(chǎn)生也受SO3濃度的影響，SO3大局部來(lái)自SO2的轉(zhuǎn)化，SCR催化劑的應(yīng)用也提高了SO2的轉(zhuǎn)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(shí)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(xiàn)。從上圖可以看出，ABS的生成溫度區(qū)間基本上就是空預(yù)器的溫度區(qū)間。如上所知，準(zhǔn)確并且全面的監(jiān)測(cè)SCR工藝后的氨逃逸濃度及其重要，只有準(zhǔn)確并且全面的監(jiān)測(cè)氨逃逸濃度才能給SCR的優(yōu)化提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。二、中國(guó)燃煤電廠SCR監(jiān)測(cè)氨逃逸的難點(diǎn)對(duì)于燃煤電廠，由于空預(yù)器的ABS現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)氨逃逸必須是在空預(yù)器之前?？疹A(yù)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以以下圖：煙氣中粉塵量通常高達(dá)20g/m3-50g/m3，相當(dāng)數(shù)量的電廠粉塵量高達(dá)50g/m3以上。而美國(guó)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的厚鋼板矩形構(gòu)造，通常對(duì)于一個(gè)600MW機(jī)組，煙道為A和B雙煙道布置，矩形界面的長(zhǎng)和寬通常為8米和5米。鍋爐負(fù)荷的變化會(huì)導(dǎo)致煙氣溫度、壓力和流量的變化，這種矩形鋼板構(gòu)造的煙道會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變。目前國(guó)際上主流的氨逃逸監(jiān)測(cè)是基于TDLAS(可調(diào)式二極管激光吸收光譜)技術(shù)的原位對(duì)射式(In-situ)氨逃逸分析儀，代表品牌有西門子的LDS6,挪威NEO的LaserGasIISP,加拿大UNISEARCH(優(yōu)勝)公司LasIR(SPSO)等等。ABB的AO2000-LS25和英國(guó)SERVOMEX公司的LaserSP是挪威NEO的OEM產(chǎn)品。另外還有德國(guó)SICK的GM700探桿式激光氨氣分析儀和日本Horiba以及美國(guó)熱電的基于稀釋法和化學(xué)發(fā)光NOX分析儀的氨逃逸分析系統(tǒng)。但是眾多的國(guó)際品牌在實(shí)際應(yīng)用中都出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，尤其在中國(guó)燃煤電廠的工況下，鮮有運(yùn)行良好的，大多數(shù)分析儀甚至完全成為擺設(shè)?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)存在如下問(wèn)題和檢測(cè)難點(diǎn)：1)煙氣粉塵太大的問(wèn)題煙氣中高達(dá)20g/m3-50g/m3的粉塵導(dǎo)致對(duì)射式(in-situ)的激光氣體分析儀的激光不能夠穿透整個(gè)煙道，有時(shí)在安裝調(diào)試時(shí)能夠穿透煙道，但是當(dāng)鍋爐負(fù)荷增大時(shí)，激光光束就不能通過(guò)，導(dǎo)致檢測(cè)中斷。另外鍋爐吹灰也會(huì)導(dǎo)致激光光束不能通過(guò)。對(duì)于探桿式的激光分析儀，由于依靠煙氣滲透進(jìn)入探桿的過(guò)濾管，在如此高的粉塵下，探桿過(guò)濾管也容易堵塞，維護(hù)量很大。2)ABS的問(wèn)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(dá)200ppm。SCR中使用的催化劑含有V2O5成份也對(duì)SO2轉(zhuǎn)化到SO3起到催化作用，也導(dǎo)致了SO3含量的提高。根據(jù)ABS形成溫度區(qū)間表可知，當(dāng)氨逃逸3ppm，SO3在50ppm到100ppm之間時(shí)，ABS的生成溫度在220℃和230℃之間。對(duì)于傳統(tǒng)的抽取式分析系統(tǒng)而言，采樣管線和檢測(cè)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(xì)小位置的溫度低于此溫度區(qū)間都會(huì)導(dǎo)致ABS的生成，導(dǎo)致氨氣損失甚至完全消失。3)氨逃逸檢測(cè)靈敏度不夠的問(wèn)題對(duì)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(huì)減弱，靈敏度會(huì)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(duì)射式激光表由于煙氣粉塵過(guò)大通常會(huì)安裝在煙道對(duì)角位置，把光程控制在1-2米之內(nèi)，這樣氨逃逸的檢測(cè)靈敏度最好的情況也只能到達(dá)大約1ppm，這對(duì)于0-3ppm的氨逃逸檢測(cè)范圍來(lái)說(shuō)，顯然靈敏度是不夠的。對(duì)于稀釋法的化學(xué)發(fā)光NOX分析儀法的氨逃逸分析系統(tǒng)而言，由于氨逃逸本身含量很低，通過(guò)10-100倍的稀釋以及氨氣轉(zhuǎn)換爐的轉(zhuǎn)化損失以及采樣管路的損失，基本上很難檢測(cè)到3ppm以下的氨逃逸。4)氨逃逸分析儀的校正問(wèn)題對(duì)于標(biāo)氣公司，基本上不能提供10ppm以下的準(zhǔn)確氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣體，另外對(duì)于對(duì)射式激光分析儀而言，也很難進(jìn)展在線校正。5)逃逸氨在煙氣中分布不均的問(wèn)題。逃逸氨的分布不均是造成空預(yù)器堵塞的主要原因之一。原因來(lái)自噴氨噴嘴的故障以及噴嘴分布，也有來(lái)自催化劑層的安裝不嚴(yán)密，導(dǎo)致煙氣沒(méi)有通過(guò)催化劑層而進(jìn)入下游煙道。逃逸氨分布不均的嚴(yán)重情況是一兩米的間隔逃逸氨相差幾倍甚至幾十倍。無(wú)論是對(duì)射式激光表的平均濃度還是單點(diǎn)抽取式都不能很好的反映真實(shí)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(shù)的氨逃逸多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加拿大UNISEARCH(優(yōu)勝)公司在中國(guó)電廠安裝了近百套原位對(duì)射式激光光譜氨逃逸分析儀以后，意識(shí)到對(duì)射式氨逃逸分析儀無(wú)法滿足中國(guó)電廠的工況，盡管也采用了一些改進(jìn)措施，比方在煙道內(nèi)搭設(shè)半圓管阻擋粉塵等措施，但是都不能基本性的解決問(wèn)題?；诮偬讓?duì)射式氨逃逸分析儀的應(yīng)用教訓(xùn)，加拿大UNISEARCH(優(yōu)勝)公司在2013年起開場(chǎng)研發(fā)新一代的基于PIMs光學(xué)端的激光光譜氨逃逸分析儀系統(tǒng)?；赑IMs光學(xué)端的氨逃逸分析儀系統(tǒng)的所有研發(fā)完全基于中國(guó)電廠的工況，在經(jīng)歷了數(shù)十個(gè)中國(guó)電廠的安裝實(shí)驗(yàn)以及5個(gè)版本的改進(jìn)后，PIMs系統(tǒng)已經(jīng)成熟，基本性的解決了氨逃逸檢測(cè)的諸多問(wèn)題。2014年，PIMs技術(shù)在美國(guó)、加拿大、歐盟、中國(guó)獲得創(chuàng)造專利申請(qǐng)批準(zhǔn)。1、PIMs技術(shù)原理PIMs:PseudoIn-SituMeasurementsystem，偽原位檢測(cè)系統(tǒng)。PIMs集成了所有的高溫采樣、光學(xué)檢測(cè)組件于一體，直接安裝在煙道上，不同于傳統(tǒng)的抽取式檢測(cè)系統(tǒng)，PIMs沒(méi)有傳統(tǒng)的采樣管線，煙氣被直接抽取到高溫屢次反射檢測(cè)池并返回?zé)煹?，形式上和功能上近似于原位檢測(cè)(In-SituMeasurement)，所以稱為偽原位檢測(cè)(PseudoIn-SituMeasurement)。PIMs示意圖如下：2、PIMs的核心技術(shù)PIMs的核心技術(shù)之一是鏡片隔離的屢次反射光學(xué)檢測(cè)池，與眾不同的是PIMs屢次反射鏡面并不與煙氣接觸，防止了傳統(tǒng)的屢次反射池的反射鏡片污染和溫度/壓力變化導(dǎo)致的屢次反射光束偏移。示意圖如下：PIMs的屢次反射池的光程并不是固定不變的，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求在10-30米范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。由于光程相對(duì)于對(duì)射式光學(xué)端提高了10-20倍，PIMs的氨逃逸檢測(cè)靈敏度也提高了10-20倍，靈敏度到達(dá)0.1ppm。PIMs的另一個(gè)核心技術(shù)是其獨(dú)特的采樣設(shè)計(jì)，PIMs拋棄了傳統(tǒng)的抽取式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采樣氣體通過(guò)探桿直接進(jìn)入過(guò)濾腔，過(guò)濾后的氣體直接進(jìn)入屢次反射檢測(cè)池，檢測(cè)池出來(lái)的氣體直接返回到煙道。采樣管線幾乎為0，并且氣體接觸局部在300℃以下溫度可調(diào)。PIMs的這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)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(guò)程中沒(méi)有ABS的生成，防止了逃逸氨的采樣損失。另一方面，PIMs的檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間可以控制在3秒以內(nèi)，近似于原位檢測(cè)(in-situmeasurement)的響應(yīng)時(shí)間。實(shí)際上，PIMs的這種快速響應(yīng)更加適合于工藝流程檢測(cè)需要，是替代原位檢測(cè)的一種獨(dú)特技術(shù)。PIMs的過(guò)濾器反吹系統(tǒng)可以通過(guò)R系列分析儀設(shè)定反吹時(shí)間和頻率，即使在100g/m3的粉塵工況下，也能保證探桿和過(guò)濾器不堵塞，過(guò)濾系統(tǒng)的維護(hù)量小。PIMs氨逃逸檢測(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)核心技術(shù)是整套系統(tǒng)的免標(biāo)定技術(shù),PIMs系統(tǒng)并不需要用戶通過(guò)氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展定期標(biāo)定。免標(biāo)定技術(shù)是通過(guò)LasIRR系列激光光譜分析儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的，R系列激光光譜分析儀內(nèi)置了密封的氨氣標(biāo)準(zhǔn)氣體，用戶可以通過(guò)分析儀的lasIRview軟件設(shè)定系統(tǒng)的零點(diǎn)(Zero)和跨度(Span)來(lái)定期考核。本質(zhì)上，Unisearch的激光分析儀能實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)和跨度無(wú)系統(tǒng)漂移，除了內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)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:DirectAbsorption)TDLAS技術(shù)，而不是通常的二次諧波法(2F)的TDLAS技術(shù)。以以下圖是用戶自定義的利用內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)氨氣進(jìn)展的零點(diǎn)和跨度考核數(shù)據(jù)截圖：本質(zhì)上PIMs是一種獨(dú)特光學(xué)檢測(cè)終端，PIMs直接安裝在煙道，通過(guò)光纜/同軸電纜與分析小屋的LasIRR系列多通道激光光譜分析儀連接，構(gòu)成一套完整的氨逃逸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。LasIRR系列分析儀發(fā)出的激光通過(guò)光纜到達(dá)PIMs光學(xué)端，激光在PIMs的檢測(cè)池內(nèi)屢次反射后到達(dá)檢測(cè)器，檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸回R系列分析儀，分析儀通過(guò)光譜分析儀，計(jì)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(gè)PIMs終端組成多點(diǎn)氨逃逸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于多個(gè)PIMs都是獨(dú)立的檢測(cè)單元，所以多點(diǎn)能夠同時(shí)進(jìn)展監(jiān)測(cè)，并且分析儀對(duì)應(yīng)每個(gè)通道都有獨(dú)立的4-20mA輸出。值得注意的是，多點(diǎn)的檢測(cè)濃度值最終并不進(jìn)展平均，而是將多點(diǎn)的檢測(cè)濃度值傳輸至電廠DCS，提供給SCR進(jìn)展噴氨優(yōu)化。這種多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最大可能的反映了煙道中逃逸氨的分布情況，對(duì)于SCR的噴氨優(yōu)化以及催化劑的區(qū)域活性檢測(cè)非常有意義。以以下圖是一個(gè)以四通道PIMs系統(tǒng)為例的示意圖：可以從示意圖中看出，這種四點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)可以大致的反響出煙道截面各個(gè)區(qū)域的氨逃逸分布。國(guó)際上通常也是通過(guò)這種多點(diǎn)監(jiān)測(cè)解決逃逸氨的不均勻性問(wèn)題。以以下圖為優(yōu)勝公司在中國(guó)某電廠660MW超臨界機(jī)組A、B煙道上安裝的兩套四通道PIMS多點(diǎn)式系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)照片。通過(guò)兩套四通道的PIMS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，A煙道可獲得A1、A2、A3、A4四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),B煙道可獲得B1、B2、B3、B4四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。以以下圖是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(shí)際監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)可以看出，在A、B煙道在沒(méi)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(cè)點(diǎn)氨逃逸差異甚至到達(dá)30ppm，相應(yīng)的NOx的差異也到達(dá)幾十mg/m3。該電廠基于這個(gè)狀況做個(gè)相應(yīng)的噴氨優(yōu)化，以以下圖為噴氨優(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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氨逃逸濃度均控制到3ppm以下。我們可以從實(shí)際安裝的PIMS多點(diǎn)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)上看出，單點(diǎn)氨逃逸(或混合采樣)監(jiān)測(cè)對(duì)于SCR的噴氨優(yōu)化沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的意義，只有通過(guò)多點(diǎn)氨逃逸獨(dú)立并且同時(shí)監(jiān)測(cè)，才可能全面獲得某個(gè)煙氣截面上氨逃逸的實(shí)際分布情況，給SCR噴氨優(yōu)化提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持，最終將煙道中各區(qū)域的氨逃逸都降低到工藝設(shè)計(jì)要求，防止后端空預(yù)器由于ABS結(jié)晶引起的堵塞。4、TDLAS技術(shù)介紹PIMs氨逃逸檢測(cè)系統(tǒng)除了PIMs技術(shù)以外，另一個(gè)核心是基于TDLAS技術(shù)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(shù)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(shù)原理：TDLAS(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy可調(diào)式二極管激光吸收光譜)技術(shù)的核心是使用近紅外二極管激光器做為光源，通過(guò)實(shí)時(shí)改變激光器的溫度以及注入電流產(chǎn)生高頻窄波段的激光掃描，激光器產(chǎn)生的窄波段掃描激光束通過(guò)光纖傳輸?shù)綑z測(cè)光學(xué)端，在光學(xué)端激光束穿過(guò)被檢測(cè)氣體后被聚焦到光電檢測(cè)器，光電檢測(cè)器將吸收光譜電信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸回分析儀，分析儀通過(guò)對(duì)掃描吸收光譜的分析計(jì)算得到檢測(cè)氣體的濃度。TDLAS技術(shù)基于氣體對(duì)特定波長(zhǎng)光譜的選擇性吸收原理來(lái)獲得氣體的吸收光譜，定量分析上基于LambertBeer定律：I=Ioexp(-σcl)I：被吸收后的光強(qiáng)度Io：吸收前的光強(qiáng)度σ：吸收截面c：吸收物質(zhì)的濃度l：光程路徑長(zhǎng)度基于TDLAS技術(shù)的LasIRR系列氣體分析儀可檢測(cè)如下氣體：HF、HCL、H2S、NH3、HCN、H2O、D2O、HDO、CH4、CO、CO2、O2....TDLAS的技術(shù)核心是通過(guò)對(duì)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(xì)到0.0001nm,所以通