PIMS多点式激光光谱氨逃逸监测系统介绍及实际应用

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 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 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 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 SCR 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 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 峰进行扫描 从而避开了邻近其他气体吸收峰的干扰 可以做到真正意义上的无背景气体 交叉干扰 UNISEARCH 公司在 2000 年弃用了原来的二次谐波法 2F TDLAS 技术 而采用了 直接吸收法 DA 的 TDLAS 技术 直接吸收法 TDLAS 技术最大的优势在于可以借助目 标气体参比池锁定目标气体吸收峰 真正实现分析仪无系统漂移 这种直接吸收法技术优 势在 HF HCN HCL NH3 H2S 等剧毒气体监测中表现尤其明显 UNISEARCH 公 司的 HF 分析仪在全世界的电解铝厂 HF 监测中占有绝对的份额 其中主要原因是由于 UNISEARCH 的 HF 分析仪无需用户使用 HF 标气进行标定 UNISEARCH 公司的 TDLAS 技术的另一个特点是使用光纤输出激光器 使用光纤输 出的激光器可以将分析仪配置成多通道的分析仪系统 实现现场的多点同时检测 总结 SCR 脱硝工艺的氨逃逸监测实际上是一个世界性的难题 尤其对于中国电厂的高粉尘 工况下的烟气 基于 PIMs 技术和 TDLAS 技术氨逃逸监测系统是在国内外大量传统氨逃 逸分析仪在高粉尘工况下不能正常工作的现实情况下开发成功的 它保留了 TDLAS 的技 术优势 用 PIMs 光学端替代传统的原位对射光学端 in situ 并且充分利用了 TDLAS 的光纤分布优势 组成了一套多点氨逃逸监测系统 基于 PIMs 和 TDLAS 技术的氨逃逸 监测系统 解决了氨逃逸检测中的 5 大难题 解决了氨逃逸分布不均的问题 这种准确 全面的氨逃逸监测数据将会对 SCR 的优化控制起到至关重要的作用