大型热电联产机组烟气脱硝氨逃逸控制技术发展

　烟气脱硝是燃煤电厂继烟气脱硫之后中国控制工业锅炉污染物排放的又一重点领域。我们通过对多家电厂的调查发现：在SCR脱硝运行过程中，虽然运行人员对氨逃逸的限制做了很多工作，但由于目前绝大多数燃煤电厂SCR脱硝系统氨逃逸分析仪表测量普遍不准确，或者根本不跟随喷氨流量或喷氨阀门的开度大小产生变化，而是以0.0ppm的直线一直画到底…等等，脱硝机组的氨逃逸监测系统基本上无法正常投入。所以有效的控制氨逃逸，提高氨逃逸分析仪表的测量精度乃当务之急。否则，就不可能真正实现对氨逃逸量的有效控制。
　　1 氨逃逸监测的重要性
　　无论何种形式的SCR脱硝装置，准确的氨逃逸率数值监测，最大程度提高脱硝效率、检测氨在反应区内的空间分布及催化剂的堵塞及老化等方面都起着重要的作用。由于氨逃逸率数值是影响SCR系统运行的重要参数。在实际生产中，被喷射进入系统的氨通常多余理论氨，反应后烟气下游多余的氨被成为氨逃逸。NOx脱除效率随着氨逃逸量的增加而提高，在某一个氨逃逸量后达到一个渐进值。氨逃逸率的增大虽然会提高脱硝效率，但也会造成还原剂的浪费，逃逸的NH3不仅容易引起催化剂中毒和污染环境，而且会与烟气中的水蒸汽、SO3发生反应生成硫酸氢铵，在反应器下游的设备和管道上沉积，引起堵塞、腐蚀和压降等问题，同时还会对催化床层金属支撑架造成腐蚀危害。有研究测试结果表明：氨逃逸量达2ppm左右，空预器运行半年后其阻力增加约30%；氨逃逸达到3ppm，空预器运行半年后其阻力增加约50%，既费电有折寿，严重增加生产运行、维护成本。对于应用SCR脱硝技术的电厂来说，如何用最小氨逃逸量来满足降低NOx的合格排放，这一课题十分重要；对SCR机组的可靠运行来说，对氨逃逸率数值限制的重要性不亚于比NOx转化率的限制，所以需要对氨逃逸率的数值进行严格监视及控制。
　　虽然许多燃煤电厂在脱硝运行效率比较低的情况下，氨气的逃逸率接近为零，但是在实际运行过程中氨逃逸是一直存在的；特别是随着催化剂活性的下降及尾部烟道中NOx浓度分部的不均匀等一系列问题的出现，都会造成氨逃逸量的逐渐增大；另外随着国家新的NOx排放新标准的出台及环保核查的越来越严格，NOx的排放浓度降低到100mg/Nm3以下，这样脱硝效率的升高必然导致氨逃逸量增大，所以氨逃逸分析仪的长期稳定运行及监测数值的准确显得尤为重要。
　　2 氨逃逸测量仪表的选型
　　2.1 现场直插式监测（可调谐二极管激光光谱法监测仪）
　　可调谐二极管激光光谱法监测仪是激光二极管的光通过测量气体被光二极管检测。激光二极管的波长可调谐成被测气体的吸收波长。此光被调谐波长扫描，并由光二极管把透过光信号记录下来，由计算单元计算吸收光的大小并得到气体的浓度。使用过程中存在的问题：可调谐二极管激光光谱法监测仪直接插入烟道进行测量，采用的是单点取样监测的方法.激光反射部分长期在近400℃的高温高粉尘下工作，造成测量探头前部的反射棱镜使用周期仅3-6月，更换此部件的价格也非常昂贵；同时主要T/R单元的故障率较高，维修成本高、维修周期长，根本满足不了氨逃逸分析仪表的长期稳定运行和环保核查的需要。另外烟气中的SO2和水蒸汽的含量也直接影响分析仪表测量数值准确性，使得此仪表测量误差较大；当脱硝率和喷氨流量减小或增大时，此仪表测量数值几乎无变化，检测的氨逃逸值与各种参数没有良好的趋势匹配。某电厂使用可调谐二极管激光光谱法监测仪测量氨逃逸运行曲线（图1）：氨逃逸（0-20ppm）与喷氨量（0-100%）的关系。
　　2.2 高温抽取式监测
　　激光光谱氨逃逸分析仪监测到的是激光所贯穿标准测量气室过程中整条线上的平均浓度，而标准测量气室（标准测量气室必须是“直”型的）内的样气是经高温（250℃）预处理后，通过高温取样泵抽取到标准气室里的，这样就使标准气室内部样气中NH3浓度更能代表烟道中NH3气体的真实浓度。红外激光光谱NH3分析仪实行的是现场监测光学发射端与光学接收端对射安装在标准气室的两侧。我们通过现场光学端的发射部份发射出来的激光，光束穿过标准气室到对面的光学接收端，在接收端将监测到的原始信号进行数据分析，分析后经光电转换器，将接收的光信号转换成电信号，通过预制电缆线回到发射端的PDA，得出气体的监测浓度变4-20mA电流信号送到机柜内部PLC，最后到达DCS进行监测。
　　激光光谱氨逃逸分析仪基本上无需进行现场校验，测量误差较小，测量脱硝出口氨逃逸值与出口NOx值成反比，与脱硝率和喷氨流量成正比，并且反应及时没有时间滞后。检测的氨逃逸值之所以与各种参数有良好的趋势匹配，是由于此抽取式氨逃逸分析仪表采用的是全程高温伴热，使烟气在进入高温标准测量气室之前，烟气本身的品质没有发生任何变化，进一步保证了分析仪表测量的及时准确，具有很好的代表性，可以考虑做为喷氨控制调节的参考。某电厂使用高温抽取式氨逃逸分析仪测量氨逃逸运行曲线（图2）：氨逃逸（0-20ppm）与喷氨量（0-100%）的关系。
　　2.3 氨逃逸测量仪表的选型建议
　　比较激光光谱法原位测量和激光高温抽取法测量，虽然在前一段时间内电力市场的主流是激光光谱法原位测量，但是抽取式测量方法在同行业的使用经验已经更是比较成熟的。采用抽取式方法测量氨逃逸数值，关键环节就是样气通过预处理时，必须保证样气始终在高温洁净状态；如果这一关键条件满足，同时仪表本身测量数值准确、运行稳定，采用一拖一全独立配置的高温抽取式氨逃逸测量系统完全可以满足长期测量的稳定性和准确性。
　　3 氨逃逸设备改造
　　3.1 现场安全管理
　　设备到达现场后，首先厂家代表要办好工程开工报告的审批；其次安全监察部、设备部、专业班组对厂家设备安装调试人员要进行厂、部、班的三级安全教育培训；同时要求厂家就现场设备安装调试方面的安全做出承诺，一切工作均要按照厂、部、专业安全管理的要求，并签署安全保证书。其次就现场设备安装其他方面的安全工作，专业负责人、班组相关工作负责人及厂家全体安装调试人员进行了相互的讨论，进行设备安装调试工作安全技术交底，并在安全技术交底书上签字。最后在完成办理外包单位热机工作票、动火票后，安装工作正式开工。
　　3.2 现场设备安装
　　3.2.1 盘柜运 输
　　由于激光光谱氨逃逸分析仪采用的是高温抽取式测量方式，高温取样泵抽取烟道内部的烟气经过高温预处理后进入标准测量气室进行测量分析。所以出厂前高温预处理就已经安装在了分析盘柜内部，包括PLC等其他精密仪表，这样就造成盘柜比较大，又很重，锅炉4层炉后现场的平台过道很窄，同时弯道有较多，给盘柜的运输造成了很大的难度，最后结合以往的施工安装工作经验，把电动葫芦、倒链及液压运盘车等联合运用，仅用了一个半小时就将盘柜毫发无损的运送到位。
　　3.2.2 就地取样装置安装
　　由于原来氨逃逸仪表遗留的安装口比较大、不配套，最主要的是原设备安装法兰露出烟道外部保温的距离过大，不能满足高温预处理的要求；专业果断做出在原仪表安装口上部重新开孔的决定，但在开孔过程中必须使用角磨开孔，不能使用火焊，防止铁渣进入烟道和空预器内；同时要保证安装时，取样探头的安装法兰距离烟道外部保温控制在100mm，探头的前部要向下倾斜15度角，以减小烟道内部的粉尘积累和冲刷，延长取样探头一、二级滤芯的使用寿命，防止滤芯损坏和堵塞，提高仪表测量的准确和长期运行稳定。
　　3.2.3 盘柜内部管路及线路安装
　　要求一定要保证样气与标气管路的连接正确紧密，保证气路的气密性。高温取样管路要保证一定的弯曲弧度，防止内部的取样管路弯折堵塞或断裂，同时也保证取样管路内部的高温伴热带完好无损。电源及信号线路的电缆规格按照规程的要求进行敷设，同时也要满足测量的需要。电源开关额定电流要满足分析仪表盘柜加热功率的需要，同时电源电缆在送电前要进行线路绝缘检查，与开关端子之间连接要正确紧固。信号电缆连接时要防止正、负短路，防止损坏I/0模块，同时保证连接的紧固和准确。电缆保护金属软管的连接和走向要美观、顺畅。
　　3.2.4 激光光谱氨逃逸分析仪表关键部件光学发射端及接收端的安装
　　要求安装人员，连接法兰螺栓要固定牢固，防止法兰螺栓由于平台的长时间震动而造成松动，进而影响发射端与接收端的透光度，同时影响到仪表测量的准确；发射端与接收端所有的连接预制电缆一定要连接正确、紧密，布线走向要整齐美观。
　　3.3 现场仪表调试
　　分析仪表送电前检查，送电后首先开始的是高温加热系统进行预加热检查测试，需要一个工作日（包括盘柜内部高温箱加热器、高温取样管路伴热及探头内部加热器）。其次调试人员对仪表开始正式整体自身静态调试，此时分析仪表个加热系统经过一天的试运行已趋于稳定，设定温度与实测温度相同，仪表开始采样空气和标气进行试分析测量。观察分析仪表透光度是否满足测量要求，PLC开始记录储存静态试验测量记录。再次分析仪表开始接入系统抽取样气进行测量观察。在检查信号线路绝缘电阻及接线正确后，分析仪表信号正式进入DCS监测，调试人员对现场分析仪表定时巡检，实时记录调整。最后分析仪表进入脱硝系统进行联调、试运、移交生产。
　　4 结语
　　实践表明燃煤电厂氨逃逸测量选用激光光谱高温抽取式氨逃逸分析仪测量锅炉SCR脱硝出口氨逃逸数值，能够较好地反映真实的氨逃逸浓度值，与NOx、脱硝率、喷氨流量都有及时的趋势匹配。从根本上保证了运行人员能够准确的监测氨逃逸数值；对保护脱硝下游设备的运行安全、提高脱硝效率、检测催化剂的堵塞及老化、满足环保核查、提高节能减排等方面起到了重要的作用。同时安全、优质、高效的完成设备的改造安装调试，对提高整个企业的安全生产及安装后设备运行的长期稳定更起着关键作用。
　　通过联系多家燃煤电厂的氨逃逸仪表的使用情况了解到：脱硝氨逃逸设备运行不稳定和测量数值测量不准是一个普遍而又头疼的问题。激光光谱高温抽取式氨逃逸分析系统的出现，从根本上解决了燃煤电厂的以上问题，大大降低了设备的运行维护成本，满足了环保核查的需要，提高了燃煤电厂节能减排效率，为实现我国“美丽中国”贡献力量。