PIMS多点式激光光谱氨逃逸监测系统介绍及实际应用

1、PIMS多点式激光光谱氨逃逸监测系统介绍及实际应用摘 要： 本文论述了SCR工艺中多点式氨逃逸监测的重要性和紧迫性，以及氨逃逸监测的技术难点，介绍了PIMS多点式激光光谱氨逃逸监测系统的对应解决方案。关键词： 伪原位监测(PIMs), 原位检测(In-situ Measurement)，可调激光光谱(TDLAS), SCR，ABS，氨逃逸，氨逃逸分布不均一、SCR脱硝工艺中氨逃逸监测的重要性SCR(Selective Catalytic Reduction)选择性催化还原法是国际上成熟的燃煤电厂脱硝工艺，原理是利用还原剂在催化剂的作用下选择性的与烟气中的NOx发生化学反应生成N2和H2O的方法

2、：NO+NO2+2NH3 2N2+3H2O还原剂：液氨、尿素或氨水催化剂： V2O5-WO3/TiO2-SiO2但是即使SCR工艺中NH3的喷入量不过量，也不可能完全反应，总有一部分没有被反应的NH3逃逸出催化剂层，另外，由于催化剂的安装不密封，也有可能部分的NH3随着烟气从催化剂层的连接缝隙处逃逸出催化剂层。对于燃煤电厂而言，逃逸氨最大的危害在于逃逸氨与烟气中的SO3发生反应：NH3+SO3+H20=NH4HSO4 ，NH4HSO4英文Ammonium Bisulfate,简称 ABS，ABS在一定的温度区间内呈液态，并具有粘性特征，而SCR后的空预器恰巧在这一温度区间内，液态的ABS附着在

3、空预器的表面，并吸附烟气中的粉尘，造成空预器的前后压差增大，严重的情况是造成空预器堵塞。空预器压差增大甚至堵塞会严重危害锅炉的运行安全，电厂必须停炉清洗空预器，故造成很大的经济损失。研究表明，当氨逃逸超过3ppm后，空预器就容易发生堵塞。ABS的产生也受SO3浓度的影响，SO3大部分来自SO2的转化，SCR催化剂的应用也提高了SO2的转化率。氨逃逸量和SO3的浓度决定了ABS的生成温度区间。 以下是NH3和SO3的生成(NH4)2SO4(AS)和NH4HSO4 (ABS)生成温度区间： 值得注意的是由于在实际电厂工况下，逃逸氨的量总是小于SO3的量，所以铵盐是以ABS的形态出现。从上

4、图可以看出，ABS的生成温度区间基本上就是空预器的温度区间。如上所知，准确并且全面的监测SCR工艺后的氨逃逸浓度及其重要，只有准确并且全面的监测氨逃逸浓度才能给SCR的优化提供科学的数据。二、中国燃煤电厂SCR监测氨逃逸的难点对于燃煤电厂，由于空预器的ABS现象，监测氨逃逸必须是在空预器之前。空预器的位置是布置在除尘和脱硫之前。燃煤电厂的工艺布置如下图： 烟气中粉尘量通常高达20g/m3-50g/m3，相当数量的电厂粉尘量高达50g/m3以上。而美国电厂的粉尘量通常在10g/m3以下。2)烟气温度高。烟气温度通常在350到400，这也是SCR催化剂的工作温度。3)烟道为1cm的厚钢板

5、矩形结构，通常对于一个600MW机组，烟道为A和B双烟道布置，矩形界面的长和宽通常为8米和5米。 锅炉负荷的变化会导致烟气温度、压力和流量的变化，这种矩形钢板结构的烟道会产生相应的形变。目前国际上主流的氨逃逸监测是基于TDLAS(可调式二极管激光吸收光谱)技术的原位对射式(In-situ) 氨逃逸分析仪，代表品牌有西门子的LDS6 , 挪威NEO的LaserGas II SP , 加拿大UNISEARCH(优胜)公司LasIR (SPSO) 等等。 ABB的AO2000-LS25 和英国SERVOMEX公司的LaserSP 是挪威NEO的OEM产品。另外还有德国SICK的GM700探杆式激光氨

6、气分析仪和日本Horiba 以及美国热电的基于稀释法和化学发光NOX分析仪的氨逃逸分析系统。但是众多的国际品牌在实际应用中都出现各种各样的问题，尤其在中国燃煤电厂的工况下，鲜有运行良好的，大多数分析仪甚至完全成为摆设。总结来说存在如下问题和检测难点：1) 烟气粉尘太大的问题烟气中高达20g/m3-50g/m3的粉尘导致对射式(in-situ)的激光气体分析仪的激光不能够穿透整个烟道，有时在安装调试时能够穿透烟道，但是当锅炉负荷增大时，激光光束就不能通过，导致检测中断。另外锅炉吹灰也会导致激光光束不能通过。对于探杆式的激光分析仪，由于依靠烟气渗透进入探杆的过滤管，在如此高的粉尘下，探杆过滤管也容

7、易堵塞，维护量很大。2)ABS的问题燃煤电厂的SO3含量通常都在50ppm以上，有些电厂由于使用高硫煤，SO3的含量甚至高达200ppm。SCR中使用的催化剂含有V2O5成份也对SO2转化到SO3起到催化作用，也导致了SO3含量的提高。根据ABS形成温度区间表可知，当氨逃逸3ppm，SO3在50ppm到100ppm之间时，ABS的生成温度在220和230之间。对于传统的抽取式分析系统而言，采样管线和检测池很难加热到如此高的温度，并且在采样环节上任何细小位置的温度低于此温度区间都会导致ABS的生成，导致氨气损失甚至完全消失。3)氨逃逸检测灵敏度不够的问题对于激光光谱分析仪而言，NH3的吸收光谱随

8、着温度的提高吸收峰会减弱，灵敏度会随之降低。在350到400的烟气温度下，每米光程的灵敏度大约在1.5ppm， 对射式激光表由于烟气粉尘过大通常会安装在烟道对角位置，把光程控制在1-2米之内，这样氨逃逸的检测灵敏度最好的情况也只能达到大约1ppm，这对于0-3ppm的氨逃逸检测范围来说，显然灵敏度是不够的。对于稀释法的化学发光NOX分析仪法的氨逃逸分析系统而言，由于氨逃逸本身含量很低，通过10-100倍的稀释以及氨气转换炉的转化损失以及采样管路的损失，基本上很难检测到3ppm以下的氨逃逸。4)氨逃逸分析仪的校正问题对于标气公司，基本上不能提供10ppm以下的准确氨气标准气体，另外对于对射式激光

9、分析仪而言，也很难进行在线校正。5)逃逸氨在烟气中分布不均的问题。逃逸氨的分布不均是造成空预器堵塞的主要原因之一。原因来自喷氨喷嘴的故障以及喷嘴分布，也有来自催化剂层的安装不严密，导致烟气没有通过催化剂层而进入下游烟道。逃逸氨分布不均的严重情况是一两米的间隔逃逸氨相差几倍甚至几十倍。无论是对射式激光表的平均浓度还是单点抽取式都不能很好的反映真实的氨逃逸分布，从而给SCR的喷氨优化造成困难。三：基于PIMs 和TDLAS技术的氨逃逸多点监测系统加拿大UNISEARCH(优胜)公司在中国电厂安装了近百套原位对射式激光光谱氨逃逸分析仪以后，意识到对射式氨逃逸分析仪无法满足中国电厂的工况，尽管也采用了

10、一些改进措施，比如在烟道内搭设半圆管阻挡粉尘等措施，但是都不能根本性的解决问题。基于近百套对射式氨逃逸分析仪的应用教训，加拿大UNISEARCH(优胜)公司在2013年起开始研发新一代的基于PIMs光学端的激光光谱氨逃逸分析仪系统。基于PIMs光学端的氨逃逸分析仪系统的所有研发完全基于中国电厂的工况，在经历了数十个中国电厂的安装实验以及5个版本的改进后，PIMs系统已经成熟，根本性的解决了氨逃逸检测的诸多问题。2014年，PIMs 技术在美国、加拿大、欧盟、中国获得发明专利申请批准。1、 PIMs 技术原理PIMs : Pseudo In-Situ Measurement system ，伪原

11、位检测系统。PIMs 集成了所有的高温采样、光学检测组件于一体，直接安装在烟道上，不同于传统的抽取式检测系统，PIMs没有传统的采样管线，烟气被直接抽取到高温多次反射检测池并返回烟道，形式上和功能上近似于原位检测(In-Situ Measurement)，所以称为伪原位检测(Pseudo In-Situ Measurement)。PIMs示意图如下： 2、PIMs的核心技术PIMs的核心技术之一是镜片隔离的多次反射光学检测池，与众不同的是PIMs多次反射镜面并不与烟气接触，避免了传统的多次反射池的反射镜片污染和温度/压力变化导致的多次反射光束偏移。示意图如下： PIMs的多

12、次反射池的光程并不是固定不变的，可以根据现场的要求在10-30米范围内调节。由于光程相对于对射式光学端提高了10-20倍，PIMs的氨逃逸检测灵敏度也提高了10-20倍，灵敏度达到0.1ppm。PIMs的另一个核心技术是其独特的采样设计，PIMs抛弃了传统的抽取式系统设计，采样气体通过探杆直接进入过滤腔，过滤后的气体直接进入多次反射检测池，检测池出来的气体直接返回到烟道。采样管线几乎为0，并且气体接触部分在300以下温度可调。PIMs的这种独特的设计最大限度的保证了采样烟气与原烟气的工况一致，并且是一种热湿法采样，并不去除水汽，只去除粉尘。PIMs最大限度保证了烟气采样过程中没有ABS的生成，

13、避免了逃逸氨的采样损失。另一方面，PIMs的检测响应时间可以控制在3秒以内，近似于原位检测(in-situ measurement)的响应时间。实际上，PIMs的这种快速响应更加适合于工艺流程检测需要，是替代原位检测的一种独特技术。PIMs的过滤器反吹系统可以通过R系列分析仪设定反吹时间和频率，即使在100g/m3的粉尘工况下，也能保证探杆和过滤器不堵塞，过滤系统的维护量小。PIMs氨逃逸检测系统的另一个核心技术是整套系统的免标定技术,PIMs系统并不需要用户通过氨气标准气体对系统进行定期标定。免标定技术是通过LasIR R系列激光光谱分析仪来实现的， R系列激光光谱分析仪内置了密封的氨气标准

14、气体，用户可以通过分析仪的lasIRview 软件设定系统的零点(Zero)和跨度(Span)来定期考核。本质上，Unisearch的激光分析仪能实现零点和跨度无系统漂移，除了内置标准气体外，真正的原因是Unisearch的激光光谱分析仪采用的是直接吸收法(DI : Direct Absorption ) TDLAS技术，而不是通常的二次谐波法(2F)的TDLAS技术。下图是用户自定义的利用内置标准氨气进行的零点和跨度考核数据截图： 本质上PIMs是一种独特光学检测终端，PIMs直接安装在烟道，通过光缆/同轴电缆与分析小屋的LasIR R系列多通道激光光谱分析仪连接，构成一套完整的氨

15、逃逸监测系统。LasIR R系列分析仪发出的激光通过光缆到达PIMs光学端，激光在PIMs的检测池内多次反射后到达检测器，检测器将光信号转换成电信号通过同轴电缆传输回R系列分析仪，分析仪通过光谱分析仪，计算出逃逸氨的浓度。R系列多通道分析仪在1到16通道都能提供，可以连接多个PIMs终端组成多点氨逃逸监测系统。由于多个PIMs都是独立的检测单元，所以多点能够同时进行监测，并且分析仪对应每个通道都有独立的4-20mA输出。值得注意的是，多点的检测浓度值最终并不进行平均，而是将多点的检测浓度值传输至电厂DCS，提供给SCR进行喷氨优化。这种多点监测系统最大可能的反映了烟道中逃逸氨的分布情况，对于S

16、CR的喷氨优化以及催化剂的区域活性检测非常有意义。下图是一个以四通道PIMs系统为例的示意图： 可以从示意图中看出，这种四点检测系统可以大致的反应出烟道截面各个区域的氨逃逸分布。国际上通常也是通过这种多点监测解决逃逸氨的不均匀性问题。下图为优胜公司在中国某电厂660MW超临界机组A、B烟道上安装的两套四通道PIMS多点式系统的现场照片。 通过两套四通道的PIMS监测系统，A烟道可获得A1、A2、A3、A4四个监测点的数据,B烟道可获得B1、B2、B3、B4四个监测点的数据。下图是A、B烟道在喷氨优化之前的氨逃逸和NOx的分布图： 从以上实际监测到数据可以看出，在A

17、、B烟道在没有做喷氨优化之前，氨逃逸和NOx的分布非常不均，相邻监测点氨逃逸差别甚至达到30ppm，相应的NOx的差别也达到几十mg/m3。该电厂基于这个状况做个相应的喷氨优化，下图为喷氨优化后的氨逃逸和NOx的分布图：从上图可以看出，喷氨优化后的氨逃逸和NOx的分布获得了极大的改善，所有8个监测点的氨逃逸浓度均控制到3ppm以下。我们可以从实际安装的PIMS多点式监测系统数据上看出，单点氨逃逸(或混合采样)监测对于SCR的喷氨优化没有实质性的意义，只有通过多点氨逃逸独立并且同时监测，才可能全面获得某个烟气截面上氨逃逸的实际分布情况，给SCR喷氨优化提供实时的数据支持，最终将烟道中各区域的氨逃

18、逸都降低到工艺设计要求，防止后端空预器由于ABS结晶引起的堵塞。4、TDLAS技术介绍 PIMs氨逃逸检测系统除了PIMs技术以外，另一个核心是基于TDLAS技术的R系列激光光谱分析仪。加拿大Unisearch (优胜)成立于1980年，1994年推出了基于TDLAS技术的气体分析仪，是世界上第一批推出商品化的TDLAS分析仪的公司。TDLAS 技术原理：TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy可调式二极管激光吸收光谱)技术的核心是使用近红外二极管激光器做为光源，通过实时改变激光器的温度以及注入电流产生高频窄波段的激光扫描，激

19、光器产生的窄波段扫描激光束通过光纤传输到检测光学端，在光学端激光束穿过被检测气体后被聚焦到光电检测器，光电检测器将吸收光谱电信号通过同轴电缆传输回分析仪，分析仪通过对扫描吸收光谱的分析计算得到检测气体的浓度。TDLAS技术基于气体对特定波长光谱的选择性吸收原理来获得气体的吸收光谱，定量分析上基于Lambert Beer 定律：I=Io exp(-cl )I：被吸收后的光强度Io ：吸收前的光强度： 吸收截面c：吸收物质的浓度l：光程路径长度基于TDLAS 技术的LasIR R系列气体分析仪可检测如下气体：HF、HCL、H2S、NH3、HCN、H2O、D2O、HDO、CH4、CO、CO2、O2 .TDLAS的技术核心是通过对单一气体吸收峰做窄带的高频扫描，由于激光光源的光谱宽度可精细到0.0001nm ,所以通过电流和温度调节，可以在极小的范围内对单一吸收