电厂后燃NOX排放控制装置中的在线氨逃逸监测

电厂后燃NO X 排放控制装置中的在线氨逃逸监测

H. A. Gamble 1, G. I. Mackay 1 J. T. Pisano 2 and R Himes 3

1 Unisearch Associates Inc., 96 Bradwick Dr., Concord, Ont. L4K 1K8

2 Bourns College of Engineering Center for Environmental Research and Technology, University of California Riverside, California 92507

3 Electric Power Research Institute, 3412 Hillview Ave., Palo Alto, CA 94304

摘要

在后燃（Post-Combustion ） NO X 的控制技术中，不论是选择性催化还原法（SCR ）还是选择性非催化还原法（SNCR ）在燃煤发电厂都得到了越来越多的广泛使用。然而，无论是选择使用SCR 法或是SNCR 法，掌握好注入到NO X 上的氨总量和对于注入分布的控制是达到最小的氨逃逸率和最大的NO X 脱除效率的关键所在。过量的氨注入到整个管道或是管道的部分区

域都会导致NH 3的逃逸。

逃逸的NH 3将与反应器后部烟道内工艺流程中产生的硫酸盐发生反应，形成盐类沉淀在锅炉尾部更远的区域。这些沉淀物能够腐蚀和污染空气预热器，从而带来昂贵的维护费用等问题。

通过过程参数如NO 排放量和锅炉总负载来反馈控制氨（或尿素）注入率的自动控制流程能够帮助控制NO X 的排放。通常地，基于负载和NO X 排放来进行反馈调节，目前的系统是可以按这种程序设置来控制 NO X 排放在我们想要的范围内的。一款基于可调式二极管激光器的仪器，LasIR ，已经在多个发电厂用于在线监测，获得了长期精确并且一致的NH 3逃逸数据。

通过LasIR 仪器实时在线监测逃逸的NH 3从而优化了加入到反应器内的氨量。

在目前的燃煤发电厂，这些数据已经用来监控和评估NO X 排放控制系统的效能。

引言

大气中的NO X主要来源于矿物燃料的燃烧。在汽车尾气排放上，催化转化器的应用，使得

NO X排放水平从几千个ppm级降低到几十个ppm级1

。在更大规模的矿物燃料燃烧领域，例

如燃煤发电厂，都伴随安装前燃烧或后燃烧NO X控制技术，后燃烧控制技术可以是选择性催化还原法也可以是选择性非催化还原法。无论应用哪种方法，共性原理都是一样的，即通过往反应器内注入氨与氮氧化物发生反应，产生水和N2。注入的氨可以是直接以NH3的形式，也可以是先通过尿素分解释放再得到NH3进而注入的形式。无论是何种形式，控制好氨的注入总量和氨在反应区的空间分布就可以最大化的降低NO X排放。注入的氨过少，就会使还原转化效率变的低下，注入的氨过量，不但不能减少NO X排放，反而因为过量的氨导致NH3逃逸出反应区。逃逸的NH3会与工艺流程中产生的硫酸盐发生反应生成硫酸铵盐，其中主要是重硫酸铵盐。铵盐会在锅炉尾部烟道下游固体部件表面上沉淀，例如沉淀在空气预热器风扇上面，会造成严重的腐蚀，并因此带来昂贵的维护费用。在反应区注入的氨的分布情况与NO和NO2的分布不匹配时也会发生氨逃逸现象。高氨量逃逸的情况伴随着NO X转化效率降低是非常糟糕的现象和很严重的问题。

通过以上分析可以得出这样一个结论，我们需要在最小的氨逃逸率情况下去降低氮氧化物的排放。在工业领域，越来越多的在线监测技术能够连续的、精确的、即时的去监测

NH3,NO,NO2,CO,CO2,O2等等与矿物燃料燃烧密切相关的气体。特别是基于可调谐二极管激光光谱吸收(TDLAS)的光谱技术已经在很多矿物燃料的发电厂或其他工业燃烧领域被用于去

监测以上涉及提到的气体浓度2,3,4,5,6,7,8,9

。特别的是，对燃煤锅炉尾部反应器出口的氨逃逸监

测装置已经在加拿大和美国的燃煤发电厂2,3,4,5

,美国

2,3

和俄罗斯

4

的煤/气两用发电厂进行了

安装使用。这些仪器装置都使用了原位安装监测技术，光学器件安装在烟道或管道的两侧合适的位置，光束直接穿横向过管道。定量分析以比尔定律为基础，比尔定律指出，到达检测器的光强（I）与光源和检测器之间的吸收气体数量（浓度）相关。

I=I o e-σcl[1]

I 被吸收后的光强度

I o吸收前的光强度

σ截面的分子吸收强度

C 吸收物质的浓度

l 光程路径长度

这里有几个要点需要说明，一个要点是本报告的气体浓度值实际表示的是光穿过的整个路径上的气体浓度平均值。它给出的是一个原位的样品平均值而不是将采样头插入管道中抽取气体的点检测值，特别是管道气体浓度呈梯度性渐变或不均匀情况存在时，这种通过原位监测而获得的平均值更能代表整个流程管路中的总体浓度。最新的EPRI白皮书中，深入讨论了这种

贯穿管路的对射监测方式在NO X排放监测技术中的优势10。

另一个要点是，绝对光强对于浓度计算没有影响(假定光强是足够和可靠检测的)，决定浓度C的是I/I0的比率，这对于高粉尘环境的燃煤锅炉系统是非常重要的。

这种原位安装用来证明可调式二极管激光光谱技术在后燃烧脱硝工艺流程监测中的效果。

在一个先前的时间跨度达到两年的电厂检测测试中4

，NH3逃逸监测数据与过程参数的相关性

非常一致，例如氨（或尿素）的注射率、锅炉单位负荷、NO X进入和排放水平等2,3,4

。测量响

应迅速，数据更新时间可以在5~15秒内，与抽取式测量相比，原地监测有效的消除了时间延迟对测量结果的影响。

直到目前，高粉尘环境特别是这种燃煤系统的环境限制了原位安装TDLAS系统在氨逃逸和其他工艺流程气体的应用，最新的进展在几个方面解决了这个问题，使得连续、长期、常规的监测变成非常可能，可以在10g/m3或更高粉尘浓度进行监测。我们在这里对这几个方面的进展做一个简单的陈述，报告最新的近红外TDL氨逃逸监测在北美几个电厂的运行结果。连续监测的时间包括一个工厂一天到几个工厂连续三年的监测。