燃煤电厂脱硝氨逃逸检测应用现状与分析

摘要：对火电厂脱硝氨逃逸监测方法与现状进行了介绍论述。分别介绍了氨逃逸在线检测与离线检测方法并分析对比各种检测方法的优缺点。通过对比14台SCR脱硝反应器取样实测氨逃逸率数值与在线氨逃逸率数值, 发现取样离线实测氨逃逸率准确性要远大于在线检测。分析造成这样现象的原因得出在线检测测点布置方式是影响在线氨逃逸率检测准确性主要原因。并提出改进建议。为下一步SCR脱硝氨逃逸监测方法改进提供支撑。

关键词：氨逃逸;火力发电;SCR脱硝;检测方法;

0前言

为响应国家节能减排号召, 重点地区大中型燃煤火力电厂烟气排放基本完成超低排放改造, 烟气脱硝技术均采用选择性催化还原法 (SCR) 或非选择性催化还原法 (SNCR) , 使烟气NOx排放浓度在50mg/m3(标态, 干基, 6%O2) 以下。其中采用SCR技术烟气脱硝机组占全部机组90%以上。SCR法脱硝技术是目前世界上应用最广泛、技术最成熟的烟气脱硝技术, 具有脱硝效率高、维护方便、便于管理控制、运行可靠等技术优点。SCR法脱硝所用还原剂一般为氨气 (NH3) , 高温条件下NH3在催化剂作用下, 与烟气中氮氧化物 (NOx) 反应将NOx还原成氮气 (N2) 而将其脱出。因此在保证脱硝效率前提下, 脱硝系统要喷入足够量的NH3。这就存在NH3反应不完全、超标逃逸问题 (简称氨逃逸) 。氨逃逸是目前SCR脱硝系统普遍存在的问题, 当氨逃逸浓度较大时, NH3会和烟气中三氧化硫 (SO3) 反应生成硫酸氢铵 (NH4HSO4) 。NH4HSO4的生成会严重影响下游设备如空预器的运行, 有造成堵塞腐蚀潜在风险, 使烟气系统压力阻力升高, 严重影响机组安全稳定运行。控制氨逃逸率大小, 对于机组控制氨耗量, 减少空预器堵塞腐蚀, 实现经济稳定运行至关重要。目前火电厂氨逃逸监测手段主要分为在线监测和离线分析监测。在线监测方法主要有原位式激光分析方法、抽取式分析方法等, 离线检测方法主要有靛酚蓝分光光度法、容量法、离子选择电极法、离子色谱法等。火电厂为便于脱硝运行实时调整, SCR反应器氨逃逸监测基本采用在线监测方式。

1 在线监测方法介绍

1.1 原位式激光分析方法

原位式激光分析方法原理是应用可调二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 技术。该技术是利用激光单色性对特定气体吸收特性来对烟气成分中的氨气进行测定。该方法的选择性与灵敏度极高。具体应用到电厂氨逃逸检测是在SCR系统出口烟道的对侧或者对角安装激光发射端和激光接收端, 激光发射端发射出特定波长的激光, 烟气中的NH3吸收此特定波长激光形成吸收光谱, 吸收光谱信息在激光接收端被捕捉, 通过对吸收光谱的分析得出烟气中NH3浓度。但是在电厂实际应用过程中, 该方法却有局限性。

第一, SCR系统一般安装在锅炉省煤器与空气预热器之间 (即除尘器之前) , 烟气含尘量很高, 大量灰尘会严重影响激光投射光程, 造成分析精度的下降, 同时大量高速飞灰严重磨损激光探头, 容易造成检测系统损坏与失效;

第二, 激光发射端与激光接收端要求中心严格完全对称。但在烟道实际安装过程中很难保证, 且锅炉在运行过程中, 风机运行产生震动造成发射探头与接受探头相互错位, 严重影响吸收光谱信息的捕捉;第三, 随着锅炉负荷变化, 烟气温度也有较大波动, 造成分析检测环境变化, 也会影响分析准确度。

1.2 抽取式分析法

1.2.1 稀释取样转化分析法

稀释取样转化分析法是将烟气分三路进入分析仪, 一路将烟气中HN3和NO2在750℃高温炉中转化成NO, 分析测得TN总氮浓度;另一路将NOx在325℃高温炉中转化成NO, 测得NOx浓度;最后一路不经处理直接测得NO浓度, 则氨逃逸浓度为NT减去NOx浓度。此分析方法的优点是传输速度快, 分析仪器工作环境较好, 测量精度较高。但此法的缺陷是在抽样过程中氨的损耗不便于控制, 另外在高温炉中的转化效率并没有达到百分之百, 需要根据具体情况设定一定的修正系数。

1.2.2 取样激光分析法

取样激光分析法又称为抽取式激光分析法, 该方法检测原理与原位式激光分析方法原理相同。都是利用激光的单色性对特定气体的吸收特性来对烟气成分中的氨气进行测定。该方法的测试工艺一般由高温取样探头、预处理单元、测试单元及清洗标定单元组成。该方法将高温烟气通过高温区氧探头全程伴热 (一般220℃以上) 抽取, 经过冷凝预处理之后在测量单元中通过TDLAS技术将气体检测分析, 经过数据采集处理得到氨气体的浓度。该方法优点是几乎没有烟尘干扰, 准确性比在线激光分析方法高。缺点是取样过程故障率较高, 维护工作量较大。

2 离线分析方法介绍

相比在线分析方法, 氨逃逸离线分析方法则有更高准确性。在线分析方法准确性受制于检测仪器工作环境因素影响, 而离线采样分析方法则完全在实验室条件下进行, 最大可能排除仪表工作环境影响, 极大提高分析准确性, 唯一缺陷是时效性比较差, 不能及时得到机组氨逃逸率的数据信息, 不便于及时调整控制SCR喷氨量大小。离线分析方法有靛酚蓝分光光度法、离子选择电极法、纳氏试剂分光光度法、容量法等。火电厂氨逃逸率检测离线分析方法应用最广泛的是靛酚蓝分光光度法。

2.1 靛酚蓝分光光度法

图1 烟气中氨逃逸浓度采集装置

1—过滤材料;2—烟气采集管;3—测孔;4—法兰;5—加热器;6—温度计;7、8—吸收瓶;9—干燥器;10、11—流量调节阀;12—采样泵;13—压力表;14—流量计;15—温度计

靛酚蓝分光光度法因其简单快速准确而成为火电厂脱硝氨逃逸离线检测最常用的方法。该方法的原理是利用稀硫酸吸收液 (c (H2SO4) =0.05mol/L) 将烟气中的氨气吸附反应生成硫酸铵, 在亚硝基铁氰化钠和次氯酸钠作用下, 与水杨酸反应生成蓝绿色靛酚蓝染料, 通过分光光度计比色定量吸收液中氨浓度大小。分析过程中一般加入柠檬酸钠消除溶液中其它常规金属离子干扰。该方法一般作为测量空气中氨浓度的仲裁方法。在火电厂脱硝性能考核试验时, 一般采用该方法手工离线分析氨逃逸浓度。该方法具有操作简便, 精确度高的优点, 其测试重点难点在取样过程。取样过程需要注意取样过程应全程伴热, 且取样管道尽可能短, 防止水分凝结。同时在取样前段前端或适当的位置填充过滤材料。过滤材料应选用石英棉、无碱玻璃棉等不和烟气成分发生化学反应的材质, 过滤材料适用温度应在400℃以上, 防止烟气中飞灰影响。同时应注意飞灰含氨量对整个测试结果的影响。

2.2 其他分析方法

其他分析方法有容量法、离子选择电极法、离子色谱法, 每个分析方法都有各自特点。容量法检测下限一般为0.005mg/m3, 火电厂氨逃逸标准为2.28mg/m3(3μL/L) , 相差较大, 所以一般不作为火电厂脱硝氨逃逸检测的标准方法, 离子选择电极法具有极高准确性, 同时操作方法简单快速, 但是存在检测范围非常窄的缺陷, 火电厂氨逃逸浓度可以从微量波动到10mg/m3以上, 所以同样不适用于脱硝氨逃逸检测与分析, 而离子色谱法同样由于检测仪器的复杂贵重, 很少用于火电厂氨逃逸检测分析。

3 在线与离线分析方法对比

目前大型火电机组脱硝氨逃逸在线监测大多采用原位式激光分析方法, 单一测点布置方式, 如图2。该仪器因其较高灵敏度和快速响应能力, 便于电厂实时进行SCR反应器喷氨运行调整。通过现场照片可以看出, 该方法将发射器与接收器机械固定在SCR反应器出口烟道, 该布置方式便于安装与检修。但是仪器现场工作环境恶劣, 烟气飞灰量大, 而且下游紧靠空预器, 机械振动大, 极易造成发射器与接收器信号对接失准, 而且该仪器一般安装在靠近烟道拐角的相邻两个烟道壁上, 该位置很容易成为烟气流场的死角, 不宜作为代表整个烟道测点位置, 因此亦会严重影响检测仪器的准确性。通过火电厂SCR脱硝装置性能试验, 本文对比从150MW到600MW共14台SCR反应器氨逃逸在线检测结果和靛酚蓝分光光度法检测结果, 对比结果如表1和表2。

图2 某电厂原位式激光发射器与接收器现场实拍

表1 锅炉100%负荷率氨逃逸实测与在线检测对比

表2 锅炉75%负荷率氨逃逸实测与在线检测对比

从表1和表2对比结果看出在线自动检测与离线手工检测有较大数值差距, 无论机组在100%负荷率还是75%负荷率工况下, 在线显示氨逃逸值均远小于现场采样使用靛酚蓝分光光度法检测结果。100%负荷率工况下, 14台反应器采样分析结果氨逃逸均值为2.02μL/L, 而在线测量氨逃逸均值只有0.46μL/L, 相差4倍有余;75%负荷率工况下, 14台反应器采样分析结果氨逃逸均值为1.95μL/L, 而在线测量氨逃逸均值只有0.40μL/L, 数值差距依然较大。从两个工况试验结果对比来看, 氨逃逸在线测量值结果与现场采样分析测量数值结果均保持较大差距, 说明在线测量氨逃逸浓度方法由于受在线检测仪器现场工作环境与安装位置的局限等影响, 准确性被极大降低, 非常不利于SCR反应器实时喷氨运行调整, 而现场采样分析方法虽然准确性较高, 但时效性不足, 电厂运行班组采用根据现场取样分析氨逃逸方法来进行SCR反应器喷氨实时调整亦不现实。所以, SCR脱硝氨逃逸在线监测首先应准确选取测点布置, 其次应采取多测点布置方式, 提高在线检测准确性, 同时进行喷氨优化调整, 减小下游设备受腐蚀风险, 便于火电厂脱硝装置更加经济、稳定、安全运行。

4 结论

(1) 在线分析方法与离线分析方法各有特点, 在线分析方法快速灵敏但准确度很低;离线分析方法准确度较高, 但时效性较差。

(2) 在线分析方法使用的检测仪器受工作环境影响大, 以及单测点布置方式极不利于喷氨运行调整, 易导致机组长期处于高喷氨量运行, 造成下游设备堵塞腐蚀。

(3) 应建立更完善氨逃逸分析采样方法, 开发更先进氨逃逸检测仪器仪表, 如高敏度氨逃逸传感器以及多点监测智能控制在线分析系统, 使氨逃逸问题得到有效控制, 在保证NOx达标排放前提下, 减少氨耗量, 保护下游设备, 实现机组经济、稳定、安全运行。