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脫硝系統氨逃逸分析儀測量技術存在的問題及優化方案

作者:密大奎 張傳艮  來源:安全管理網 
評論: 更新日期:2020年09月20日

摘 要: 介紹了目前 2 種常見的火電廠脫硝系統氨逃逸分析儀測量技術,著重分析了激光光譜測量和化學發光法測量技術中存在的問題和產生的原因,并提出了 3 種優化解決方案。方案提高了氨逃逸分析儀測量技術的可靠性和精準度,對日后氨逃逸分析儀的選型及運行維護具有一定參考價值。

0 引言

自 2006 年開始,為適應更為嚴格的環保要求,我國燃煤機組已逐步加裝了脫硝系統。作為典型的脫硝、除塵、脫硫三大火電機組煙氣凈化環保設施之一,脫硝裝置是煙氣凈化的第一級裝置,主要用于限制 NOx的排放。原始的脫硝裝置采用的是粗放式運行,為了控制 NOx,脫硝裝置往往噴氨過量,造成氨逃逸。逃逸的氨與煙氣中的 SO3反應生成 NH4HSO4,當煙溫在后續煙道降低時NH4HSO4就會附著在空氣預熱器( 以下簡稱空預器) 和飛灰顆粒物表面,從而造成空預器的腐蝕和堵塞。NH4HSO4還會沉積并積聚在催化劑表面,引起催化劑的失活。氨逃逸還造成一定的資源浪費。因此,氨逃逸率作為脫硝運行狀況的重要指標須由氨逃逸分析儀準確測量。

1 氨逃逸分析儀基本原理

氨逃逸分析儀大多采取激光光譜測量或化學發光法測量技術。

1. 1 激光光譜測量技術

激光光譜測量技術采用可調諧半導體激光吸收光譜( TDLAS)進行測量。當激光二極管的光通過被測量氣體時,其波長可調諧成被測氣體的吸收波長,此光被調諧波長掃描,并由光二極管把透過的光信號記錄下來,由計算單元計算吸收光的信號大小,進而得到氣體的濃度。

1. 2 化學發光法測量技術

使用化學發光法測量的分析儀取樣探頭包含多個測量通道,分別為 NO,NOx和 NO - NO2- NH3通道。NOx通道配置了轉換器,在 325 ℃ 高溫下可將 NO2轉換為 NO。NO - NO2- NH3通道配置了轉換模塊,在 750 ℃ 高溫下可將 NO2和 NH3轉換為NO。首先,外置蠕動泵抽取樣氣至 3 個不同的測量通道中,NO,NO2,NH3組分在對應的測量通道內轉化為 NO 后分別進入分析儀反應室,轉換過程如式( 1) —( 3) ,在反應室中和分析儀內部臭氧發生器生成的臭氧混合,NO 與臭氧發生化學反應產生受到激勵的 NO2和一種特有的光 hv,這種光的強度與NO 的含量呈線性關系: 當受到激勵的 NO2分子衰減至較低的能量狀態時便會發光,分析儀內光電倍增管將會檢測這種光,轉而產生成比例的電信號,此電信號將由微處理器處理成 NO 含量讀數。通過 3個測量通道,分別可以獲得 NO,NOx( NO + NO2) 和NOt( NO + NO2+ NH3) 的含量。此可以推得: NO2的含量由 NOx通道獲得的含量減去 NO 通道獲得的含量; NH3含量由 NO - NO2- NH3通道獲得的 NOt含量減去 NOx通道獲得的 NOx含量。

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2 激光光譜測量技術及存在的問題

激光光譜測量技術又分為原位式安裝測量法和抽取冷凝測量法。

2. 1 原位式安裝測量法

原位式安裝測量法利用發射端發出一束光源( 如紅外光或紫外光) 穿過被測介質,根據其另一端接收或反射的情況進行測量??v觀國外脫硝技術發展歷程,原位式安裝測量法的技術已經比較成熟,但在實際應用上還存在以下幾個方面的問題。

( 1) 由氨逃逸檢測裝置的測點位于電除塵器前,煙氣中粉塵量大、儀表的激光透射率不足,無法準確測量。

( 2) 為解決在煙氣流動通道中透射率不足的問題,很多原位式分析儀采用了斜角安裝的方式。由于煙道在斜角處的流動性不強,存在煙氣流場分布不均等問題,加之儀表的激光光程短,使得測量數據忽高忽低,測量效果較差。

( 3) 分析儀包括發射端和反射端,振動、熱膨脹或沉降等原因會造成發射端與反射端不在同一直線上,出現激光對射不準、儀表無讀數或數據跳變等情況,影響儀表的正常使用。

( 4) 煙氣通道粉塵含量大,分析儀的發射端與反射端探頭表面容易積灰,造成發射端與接收端鏡片堵塞,增加維護量( 維護周期一般為 1 ~ 2 周) 。

( 5) 原位測量需要對激光進行反射,而反射鏡片就安裝在探入煙氣通道內部的分析儀前端,煙氣通道內溫度變化頻繁會導致分析儀前端密封元件產生形變,容易使儀表前端鏡片磨損,分析儀的正常運行需要頻繁更換鏡片,鏡片壽命最多為 3 個月,更換費用在 2 萬 ~ 4 萬元/次,一般每臺機組 1 年的維護費在8 萬 ~ 16 萬元,分析儀后期運行維護費用較高。

2. 2 抽取冷凝測量法

抽取冷凝測量法首先將樣氣經過一級預處理裝置,濾除煙氣中的粉塵和水汽。其取樣點的選擇比原位式安裝測量法靈活,受煙道尺寸和布置的限制少,不足點是含高濃度粉塵的樣氣在探頭部分進行過濾時,煙氣中的 NH3會被粉塵吸收掉一部分,使所測數值偏低,部分機組只能觀察其變化趨勢。在沒有修正曲線時,該測量安裝法無法反推實際煙道中準確的 NH3含量。另外預處理裝置的管路電伴熱要求持續穩定運行,如果電伴熱不能長期保證可靠的加熱,將導致煙氣取樣管路發生結露,影響測量結果。

3 化學發光法測量技術及存在的問題

化學發光法測量通過對多通道測量數據的對比將得出 NH3含量,見式( 1) —( 3) 。其在應用上主要存在以下問題。

( 1) 相對于激光光譜測量法,化學發光法測量精度相對較高,但分析儀表位置的選擇往往對測量結果影響較大。

( 2) 對比國內一些電廠的應用情況發現,化學發光法分析儀需定期進行校準,受 NO - NO2- NH3轉化效率、溫度條件等因素影響的較大。

( 3) 化學發光法測量系統復雜,傳感器等易損易耗件多,維護量大且運行成本較高。

( 4) 多通道內的樣氣可能存在交叉干擾。

( 5) 樣氣管路多且復雜,樣氣中存在 NO,NO2,SO2,CO 等刺激性或有毒氣體,對操作要求高,維護人員操作不當可能吸入有毒氣體。

( 6) 樣氣中粉塵含量高,容易造成取樣管路及分析儀反應室管路堵塞,因此該方法需要對樣氣進行稀釋,一般稀釋至 50 :1 或 100:1,但降低管路堵塞風險同時將增加測量難度。

4 氨逃逸測量技術的 3 種優化解決方案

4. 1 近位多通道測量

近位多通道測量技術是在原位測量技術的基礎上發展而來。由于煙道截面尺寸較大,為使測量更具有代表性,在煙道截面設置多個取樣分析單元同時進行測量,并配置 1 臺分析儀為測量控制中心,如圖 1 所示。

近位多通道測量技術特點: ( 1) 分析儀和測量單元分離,分析儀放置在室內,改善了惡劣的測量環境;

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圖 1 近位多通道測量構造

( 2) 取樣單元抽取煙氣直接進入樣氣室,不需要經過伴熱管線,煙氣接觸的流路全程無冷點,避免氨氣吸附和損失,保證樣氣的真實性;

( 3) 濾芯采用覆膜工藝制造,采取后置安裝方式,方便更換和清理;

( 4) 每個取樣分析單元都設置自動反吹控制,反吹間隔、反吹時間可根據工況設置,有效避免濾芯堵塞;

( 5) 單個測量控制中心可以控制 1 ~ 6 路取樣分析單元,可根據用戶需求配置。

近位多通道測量技術成功地克服了原位測量的諸多缺點,但配置多個取樣分析單元的前期投入較大。

4. 2 多點取樣再混合測量

多點取樣再混合測量技術給用戶提供一個兼顧多通道取樣和減少分析儀前期投入的方案。目前大多用于脫硝優化噴氨工藝,為提高脫硝噴氨效率提供了經濟實用的方案。此測量方案的測量構造如圖2 所示: 可以根據煙道尺寸和業主的要求,靈活、合理地布置多個取樣點進行監測,探桿插入深度也可根據煙道寬度進行調整,取樣具有代表性; 可設定多個監測點,也可分時輪流取樣,多個監測點同時混合取樣分析; 監測點的數據可以通過模擬量實時傳輸到分散控制系統( DCS) ; 利用激光光譜多次反射技術,光程可達 30 m,極大地提高了測量精度和檢測下限; 采用獨特的樣氣室設計,預留維護窗口,可以在不影響光路的情況下,對污染的光學器件進行清潔,維護更加方便快捷。

4. 3 網絡取樣測量

網絡取樣測量技術針對的是出口煙道較大、煙道環境復雜、對煙道監測有更高要求的大型機組脫硝反應器。網絡取樣管數量根據煙道截面大小及煙氣在煙道內流場確定。如圖 3 所示,網絡取樣裝置安裝在脫硝反應器出口煙道,經過回流母管與電除塵入口煙道連接,通過壓差帶動煙氣流動,煙氣在回流母管內進行混合后再進入測量裝置進行取樣測量。此測量技術取樣口背向煙氣流向,取樣口大小根據煙道煙氣流速等參數確定,并做防磨處理,可有效防止煙灰沖刷腐蝕。網絡取樣測量優點是測量精度高、重復性好、設備調試后后期維護非常方便,不足之處是脫硝反應器出口平臺需要有足夠空間去引接煙氣測量通道,前期投入成本較高。

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圖 2 多點取樣再混合測量構造

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圖 3 網絡取樣測量構造

5 結束語

脫硝設備粗放式運行帶來了噴氨過量、空預器等下游設備的腐蝕及堵塞問題,而且還增加運營成本。目前國內火電廠脫硝設備基本已經告別粗放式運行階段。要解決脫硝噴氨過量問題,需準確、持續可靠地測量出氨逃逸量。本文分析了氨逃逸常規測量方法存在的問題,并提出目前氨逃逸測量的 3 種優化解決方案。有脫硝噴氨優化改造需求的用戶可根據電廠實際煙氣工況選擇恰當的氨逃逸測量方案,減少因分析儀選型不當而造成后期運行成本增加或資源浪費。

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