LasIR-R系列激光氣體分析儀在燃煤電廠的氨逃逸監(jiān)測
來源：優(yōu)勝光分儀器南京有限公司 閱讀：4568 更新時間：2010-12-01 14:03引言
基于可調(diào)二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術的激光光譜氣體分析系統(tǒng)已經(jīng)迅速應用到對于靈敏度、響應時間、背景氣體免干擾等有較高要求的各種氣體監(jiān)測領域。TDLAS的技術優(yōu)勢在于實現(xiàn)了實時的原地測量，避免了氣體抽樣測量帶來的一些問題。Unisearch公司基于近紅外可調(diào)諧二極管技術開發(fā)了LasIRTM氣體分析系統(tǒng)，整套系統(tǒng)耐用且易于安裝，LasIRTM氣體分析系統(tǒng)特別適用于眾多工業(yè)領域氣體排放監(jiān)測和過程控制，例如：燃煤發(fā)電廠、鋁廠、鋼鐵廠、冶煉廠、核電站、垃圾發(fā)電站、水泥廠和化工廠等等，本篇論文闡述了部分行業(yè)的氣體監(jiān)測應用。
一套基本的LasIRTM氣體分析系統(tǒng)配置包括一個內(nèi)置可調(diào)諧激光源的分析儀、光學發(fā)射端、光學接收端。可調(diào)諧二極管激光器被調(diào)諧發(fā)射出特定氣體吸收線的激光，光束穿過被測氣體，由于被測氣體的吸收引起光強的衰減，通過檢測器檢測光強信號計算出氣體濃度。除氣體濃度之外，其他的一些參數(shù)，例如：氣體溫度、氣體壓力等也可以通過檢測透射光光強的變化來加以測定。TDLAS技術相對與其他氣體測量技術的優(yōu)勢在于其快速的響應時間、極低的檢測下限（可達ppb級）及完全不存在其他氣體分子的交叉干擾。
過去的20多年，由燃燒排放氣體引起的溫室氣體（greenhouse gases ，GHG)已成為最被關注的環(huán)境問題。礦物燃料燃燒排放的氮氧化物（NOX）已經(jīng)成為大氣中氮氧化物污染物的主要來源。由于NOX會引起地面臭氧和酸雨的形成，因此其排放已經(jīng)開始被加以控制。后燃（post combustion） NOX控制技術的基本原理是通過注入氨與氮氧化物發(fā)生反應生成N2和水。但是過量的注入氨并不能進一步降低NOX排放濃度，相反會導致過量的氨氣逃逸出反應區(qū)，逃逸的氨氣會與工藝生產(chǎn)流程中硫酸鹽發(fā)生反應生成硫酸銨，銨鹽沉淀附著在下游設備的表面，造成了設備腐蝕，使得維護費用和工作量顯著增加。為使氨逃逸量維持在一個最低水平線上，須做到以下兩點：一是要對氨注入的工藝程序進行良好的控制，二是要做到在反應區(qū)下游精確地、迅速地、連續(xù)地監(jiān)測到氨逃逸量。連續(xù)、實時的對氨逃逸量進行監(jiān)測可以瞬間為氨注入系統(tǒng)提供一個反饋，以此優(yōu)化氨注入系統(tǒng)的運行。我們在這里報告的是一些使用LasIRTM氣體分析系統(tǒng)的燃煤電廠獲得的NH3逃逸數(shù)據(jù)，LasIRTM氣體分析系統(tǒng)在過去已經(jīng)成功的應用到燃煤和燃氣電廠脫除氮氧化物工藝中1,2,3。
LasIRTM系統(tǒng)
LasIRTM系統(tǒng)包括內(nèi)置可調(diào)諧激光器的分析儀、發(fā)射激光光束并穿過被測介質的光學發(fā)射端、安裝在被測介質另一端接收透射光的接收端。分析控制器（分析儀）自身可以安置在遠離現(xiàn)場監(jiān)測點1km之外的控制室內(nèi)，現(xiàn)場光學傳感系統(tǒng)與分析控制器之間通過光纖和同軸電纜連接，測量的數(shù)據(jù)被保存在LasIRTM系統(tǒng)的分析控制器內(nèi)的閃存卡或外部電腦上，外部電腦通過以太網(wǎng)網(wǎng)口或RS232端口與分析控制器連接，數(shù)據(jù)信息也可以傳送到企業(yè)的數(shù)據(jù)庫。
LasIRTM系統(tǒng)的定量分析是以Beer-Lambert定律為基礎，Beer-Lambert定律指出了光吸收與光穿過被檢測的物質之間的關系，當一束頻率為V的光束穿過吸收物質后，在其穿過的光徑上的光強變化為：
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使用TDLAS技術測量的氣體濃度實際上是光束在穿過的區(qū)域上測得的平均濃度，LasIRTM系統(tǒng)的原地測量遠遠優(yōu)于使用采樣探頭在煙道/管道一個點上抽取測量的方式，尤其是在氣體濃度呈梯度性變化或非均勻分布存在時，通過原地測量光徑上的氣體濃度平均值則更好的代表了過程氣體的一個整體濃度值。
在分析控制器內(nèi)部，光纖耦合激光器通過光多路器可以實現(xiàn)氣體的多點監(jiān)測， LasIRTM系統(tǒng)能夠做到使用單臺分析控制器同時做1~16個不同點的同步監(jiān)測，另外，在激光器可調(diào)諧范圍之內(nèi)，當不同的氣體吸收譜線非常接近時，一臺分析控制器也可以對多種氣體進行同時監(jiān)測。無電源要求的光學傳感單元能非常容易的滿足有防爆要求的檢測場合（可以配置發(fā)射端和接受端都使用光纖傳輸）。
2010年，Unisearch公司開發(fā)了新一代LasIRTM-R氣體分析系統(tǒng)，LasIRTM-R符合歐盟RoHS認證，有機架安裝式和臺式兩種形式的分析控制器。Unisearch公司開發(fā)的這些高性價比氣體分析系統(tǒng)不僅體積緊湊、結實耐用，而且能夠提供從便攜的單通道氣體分析儀到能同時監(jiān)測多達16不同監(jiān)測點以及某些多氣體組分的全系列產(chǎn)品。對于多通道來說，各個通道的控制相互之間都是獨立的，因此，單臺多通道分析控制器能同時對管道/煙道、長光程環(huán)境空氣、抽取池樣品等不同濃度級別的氣體進行同時監(jiān)測，這些光學傳感單元可以在一個分析系統(tǒng)中任意組合，各個通道非常大的濃度差別都不存在相互的干擾，LasIRTM系統(tǒng)可能的配置如下圖1所示。LasIRTM系統(tǒng)還有一款光學部件和電子部件一體式設計的便攜式氣體分析儀，其輕便（小于5kg）而節(jié)能（功率小于20W），可以安裝在一個三腳架上使用，如使用多反射鏡陣列，可以在光徑長達幾百米的開放式環(huán)境中對不同氣體濃度進行監(jiān)測。
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| 圖1. LasIRTM系統(tǒng)分析控制器與各種光學傳感單元通過光纖與同軸電纜連接的配置示意圖 |
LasIRTM系統(tǒng)包含了適當?shù)挠布蛙浖，是無需校正的系統(tǒng)，所以在現(xiàn)場無需使用標氣瓶對系統(tǒng)進行校正。為了某些用戶儀器管理規(guī)程的需要，我們可以提供手持式小巧的考核模塊，當需要時，用戶可以使用這個考核模塊對整個系統(tǒng)（分析控制器和光學傳感單元）進行考核，也可以使用自動考核功能對系統(tǒng)進行自動考核，自動考核的結果將被保存并顯示在屏幕上。系統(tǒng)考核有兩種選擇，一是在光路上通入濃度已知的氣體進行考核，二是使用我們可選的考核模塊進行在線（inline ）或離線（offline）考核。LasIRTM系統(tǒng)快速、實時原地對氣體濃度進行監(jiān)測，檢測線性達到動態(tài)5級（105 ，即ppm級到%級），是真正適合于各種不同工業(yè)氣體監(jiān)測的氣體分析系統(tǒng)。
燃煤發(fā)電廠的氨逃逸監(jiān)測
在大規(guī)模燃燒礦物燃料的領域，例如燃煤發(fā)電廠，都安裝了前燃（pre-combustion）或后燃（post combustion） NOX控制技術的脫硝裝置，后燃NOX控制技術可以是選擇性催化還原法(SCR)也可以是選擇性非催化還原法(SNCR)，但是無論應用哪種方法，基本原理都是一樣的，即都是通過往反應器內(nèi)注入氨與氮氧化物發(fā)生反應，產(chǎn)生水和N2。注入的氨可以直接以NH3的形式，也可以先通過尿素分解釋放得到NH3再注入的形式，無論何種形式，控制好氨的注入總量和氨在反應區(qū)的空間分布便可以最大化的降低NOX排放。氨注入的過少，就會降低還原轉化效率，氨注入的過量，不但不能減少NOX排放，反而因為過量的氨導致NH3逃逸出反應區(qū)，逃逸的NH3會與工藝流程中產(chǎn)生的硫酸鹽發(fā)生反應生成硫酸銨鹽，且主要都是重硫酸銨鹽。銨鹽會在鍋爐尾部煙道下游固體部件表面上沉淀，例如沉淀在空氣預熱器扇面上，會造成嚴重的設備腐蝕，并因此帶來昂貴的維護費用。在反應區(qū)注入的氨分布情況與NO和NO2的分布不匹配時也會出現(xiàn)氨逃逸現(xiàn)象，高氨量逃逸的情況伴隨著NOX轉化效率降低是一種非常糟糕的現(xiàn)象和很嚴重的問題。
通過以上分析可以得出這樣一個結論，我們需要在最低的氨逃逸率水平下去降低氮氧化物的排放水平。在工業(yè)領域，越來越多的在線監(jiān)測技術能夠連續(xù)地、精確地、即時地監(jiān)測NH3,NO,NO2,CO,CO2,O2等與礦物燃料燃燒密切相關的氣體，基于光譜學技術如可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(TDLAS)已經(jīng)在很多燃燒礦物燃料的發(fā)電廠或其他工業(yè)燃燒領域被用于監(jiān)測以上提到的氣體濃度1,2,3,4,5。
圖2顯示了LasIRTM系統(tǒng)監(jiān)測的燃煤發(fā)電廠因注入尿素過多而導致的氨逃逸現(xiàn)象出現(xiàn)的趨勢圖。這里使用了一臺分析控制器同時監(jiān)測氨氣（藍色曲線）和水汽（紫色曲線）的濃度值，趨勢圖上端的紅色曲線顯示的是光束從管道一端發(fā)射到管道另一端的透射光強，兩端距離大約是6米，氣體溫度是~350oC，測量間隔時間大約是10秒。周期性（大約每4分鐘）的煤灰進入使透射光強減弱，檢測器的信號強度顯著降低（見圖上端紅色曲線），但是這并不影響對氨氣的監(jiān)測，在整個過程中水汽的濃度相對穩(wěn)定的停留在9.4%左右。
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| 圖2. 燃煤發(fā)電廠過量注入尿素導致氨逃逸（藍色曲線）及同時檢測的水汽（紫色）含量曲線 |
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| 圖3顯示在24小時里LasIRTM系統(tǒng)對氨逃逸的一組長期監(jiān)測曲線數(shù)據(jù)圖，可以有效的為過程監(jiān)控提供一個的反饋信息。 |
圖3包括了氨氣逃逸、尿素注入、NOX排放及鍋爐總負荷的曲線走勢。顯示了隨鍋爐負荷改變而變化的相應參數(shù)信息。當大約在11:00am鍋爐負荷發(fā)生變化時（負荷增加），尿素注射量也隨之增加，結果出現(xiàn)了兩次氨逃逸的峰值：在第一次峰值出現(xiàn)時，NOX排放維持在一個低水平，這與當初預計NOX排放會隨鍋爐負荷的增加而增加是不同的，峰值之后的氨逃逸量變化與NOX排放量變化趨勢出現(xiàn)了相一致情況；第二次氨逃逸峰值出現(xiàn)與NOX排放量增加是完全趨勢一致的，這兩個峰值的情況似乎與負載的一個小平穩(wěn)期有關。當鍋爐負荷再次降低時，類似的氨逃逸峰值出現(xiàn)在大約23:00，其他的峰值如在0:00，02:00和08:00，這些氨逃逸量的波動與尿素注入率都存在相互關聯(lián)性。總的來說，在鍋爐低負荷期間，過量注入尿素導致了氨逃逸量的增加。
結論
基于可調(diào)諧二極管激光技術的LasIRTM氣體分析系統(tǒng)，作為一種可以原地對煙氣排放和工藝流程氣體監(jiān)測的測量工具，已經(jīng)在各個工業(yè)領域被廣泛應用？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術在測量目標氣體濃度時完全不受背景氣體的交叉干擾，具有極快的響應時間，精準的讀數(shù)。LasIRTM氣體分析系統(tǒng)特別適用于工藝流程中的過程控制，其體積小巧、無需校準、堅固而耐用、幾乎不需要任何的維護，安裝和操作都非常簡單便捷。通過光纖連接可以把分析控制器安置在一個適宜的環(huán)境區(qū)域，遠離實際的現(xiàn)場監(jiān)測點。此外，光學多路技術可以實現(xiàn)一臺分析控制器同時對數(shù)個監(jiān)測點進行監(jiān)測，因而整套系統(tǒng)的性價比非常高，全光纖系統(tǒng)可以滿足在防爆區(qū)的氣體監(jiān)測要求。LasIRTM氣體分析系統(tǒng)監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)被用做對各種與工藝生產(chǎn)過程相關的參數(shù)進行控制和優(yōu)化，從而提高了能源的使用效率、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)時間、改善了產(chǎn)品的質量。
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