氨逃逸分析技术的对比及探讨

氨逃逸分析技术的对比及探讨

随着国内各行业“超低排放”改造的呼声增大，作为烟气脱硝过程SCR/SNCR 的关键工艺指标，氨逃逸检测分析的需求也日益增多。目前现有氨逃逸分析技术主要基于气体吸收光谱技术，根据光源波长不同可分为中红外激光、近红外激光、紫外差分3种吸收光谱分析技术。本文主要对比探讨这3种技术在现场使用中存在的优缺点。

近红外(NIR)激光吸收光谱技术：

由于氨分子在近红外波段(800-2500nm)的吸收峰线强度很低，如图1所示，约只有中红外波段的0.01倍，为4x10-21cm-1/(molec·cm-2)。因此该技术通常需要几十次反射形成约30m的长光程吸收池来增强氨气对激光的吸收以达到

0.1ppm的检测精度，如图2所示为近红外激光吸收光谱技术的检测原理，可调谐激光器发射的为波长1512nm或1531nm的近红外激光。但是，随之长光程也带来了以下3点不可避免的缺点。

图1 NH3在近红外波段（蓝色框）比中红外波段（红色框）的吸收谱线弱近100倍

图2 近红外激光吸收光谱原理示意图

1）调光难度升级。为防止烟气中的硫酸氢铵（ABS）冷凝，分析仪中使用的长光程气体吸收池通常加热至180~250℃高温（高于ABS熔点），对光学镜片和机械机构存在一定的热胀冷缩效应，又在20~30m长光程下，会对光路造成一定的热致偏差，现场经常需要矫正光路，对仪器维护的专业要求较高。

2）可靠性差。长光程吸收池的整体通光率与镜片的单次反射率成幂指数关系：E=R^N，其中E为输出光与输入光功率比，R为镜片单次反射率，N为激光在池内反射次数；因此长光程吸收池的通光性能受镜片反射率变化的影响巨大，在SCR出口恶劣的烟气状况下，镜片反射率下降10%即可让长光程吸收池基本无光输出，造成探测器接收不到信号。例如：干净的镜片单次反射率可达97%，经30次反射，长光程吸收池的通光率为0.97^30≈60%；若镜片单次反射率降低到90%（现场运行一至两周就可能造成如图3所示的效果），通光率则剧降为0.9^30≈4%，

图3 采用多次反射长光程吸收池的光学镜片在脱硝工况运行下受腐蚀情况当然，输出激光光强急剧下降造成仪器的灵敏度、探测精度、以及数据可靠性等都大打折扣，甚至造成信号直接丢失。在SCR工况现场，ABS的沉积非常易附着于镜片表面，易影响表面反射率。

3）维修周期频繁，维修成本高。受镜片反射率的影响，使用现场需不定期的拆卸仪器进行镜片的清洁或更换，还需要重新对光，不仅要求专业人员操作，且维护非常耗时耗力。

紫外差分吸收光谱(DOAS)技术：

DOAS主要利用吸收分子在紫外到可见光波段的窄带吸收强度通过朗伯-比

尔定律来推演气体的浓度，其特点在于根据被测气体在所选波段上的频率特性，将吸收截面分成两部分，随波长快速变化的窄带吸收截面和随波长缓慢变化的宽带吸收截面。将透射光强与原始光强对比，得到对比的吸收度，利用多项式拟合出一条吸收度慢变化曲线，然后将慢变化曲线从吸收度中减去，便可得到差分吸收度的信号，将差分吸收度与分子的吸收截面进行拟合，可计算得到待测气体的浓度值。如图4，氘灯发射宽光谱光源，经气体吸收后的光被分束器分成2束光路，斩波器对光路进行调制，滤光片使2束光路分别通过不同的波长，最后在锁相放大器中解调获得气体浓度。

图4 紫外差分吸收光谱原理示意图

图5 NO的吸收光谱(左图)，SO2的吸收光谱(右图)

DOAS在实际应用中测量氨逃逸通常需要把烟气中NH3转化为NO，采用间

接测量方法，转化过程通过转化炉完成。样气进入分析仪后分2路：一路经过750 ℃的不锈钢转化炉，所有的NH3和氮氧化物都氧化成了NO，然后进入烟气分析仪测得总含氮浓度NT。第二路经过氨去除器后得到不含氨的样气。其中一路经325 ℃的转化炉把NO2还原成NO，由分析仪测得NOx浓度。另一路不经过任何转化进入分析仪，测得NO浓度。这两路的NO经过计算得出NOTx的总含量。终可计算得到氨逃逸量：NH3=NT-NOTx。

如图5所示，SO2和NO在紫外200nm和220nm范围内有明显的吸收峰重叠现象，而这一范围正是绝大多数DOAS仪器的波长扫描范围。因此，SO2的存在会导致NO吸收度测量的不准确。在燃煤锅炉脱硝之后、脱硫之前，恰巧为氨逃逸分析仪的采样位置，烟气中SO2浓度通常高达数百mg/m3，会严重影响NO 气体的吸收度测量，从而导致NH3浓度计算可靠性大大降低。

DOAS在现场使用中主要缺点如下：

1）抗SO2干扰能力差、精度低。SO2与NO气体在紫外波段重叠且难以区分，易产生交叉干扰；而对于仪器使用现场，氨逃逸分析采样恰巧又在脱硫之前，SO2存在不可避免且浓度高，波动大，导致基于DOAS检测技术的产品受较大的交叉干扰，数据较不准确。

2）间接测量受转化炉转化效率和氨气吸收效率影响，误差很大。烟气经过两路转化炉将含NH3和不含NH3的氮氧化物氧化成NO，这里有一个转化率问题；必须确保无氨路的NH3吸收率一直维持在100%，同时两路转化炉的转化效率在任何时候均相同，否则就会导致检测结果的不准确。而在恶劣的工况现场，保证这些条件长期有效，对现场检查维护及专业的要求非常高，几乎不可能实现。

3）检测成本高。增加转化预处理过程，转化炉、高温探头等长期在高温下运作，影响设备使用寿命，增加检测成本。

中红外(MIR)激光吸收光谱技术：

中红外激光吸收光谱技术与前两种检测技术最大的区别在于：第一，采用中红外波段的激光光源，气体吸收谱线强度明显增大，在更小尺寸的光机结构内灵敏度得到近两个数量级的提升，且能避开其他气体对氨气吸收谱线的干扰；第二，采用NH3直接吸收光谱法，直接计算去除预处理、转化等复杂环节。该方法优点总结如下：

1）无需现场调光矫正。采用海尔欣独创的MIR-SHORT™超短光程气体吸收池，对光容易，且现场使用高温环境在MIR-SHORT™超短光程下对光学结构和机械结构的热致偏差影响可忽略不计。

2）可靠性高易维护。单光程带来镜片反射率对光强影响明显变小，MIR-SHORT™超短光程吸收池的激光通光效率大大提高。仪器的精度、稳定性、准确度、可靠