火电厂氨逃逸在线检测技术

氨逃逸率仪表应用现状
2011年宣传册
氨逃逸率仪表应用现状
2015年宣传册
氨逃逸率仪表应用现状
传统抽取式（国内）
测量方式：与CEMS相似，利用采样探 头将烟气抽取到烟道外部进行测量。
抽取优点：
可对烟气中粉尘进行过滤，可延长测量光程。
存在问题：
抽取伴热温度（180~220℃）远低于烟道中烟气温度（350℃左右）； 当伴热温度低于300℃时，烟气中NH3、SO3和H2O反应生成NH4HSO4； 氨气在管线表面有较强的吸附能力，且吸附量与当前氨气浓度有关； 抽取过程中氨气浓度已经发生改变，测量结果不代表真实情况。
基于TDLAS技术的氨逃逸率监 测仪表研发 技术报告
清华大学
2015年12月
内容
一、研究背景 二、项目创新
三、仪表测试
四、仪表应用 五、总结展望
一、研究背景
测量氨逃逸必要性、难点和方法 氨逃逸仪表应用现状和存在问题 TDLAS原理、现状及存在的问题
测量氨逃逸率的必要性
SCR反应：
氨逃逸率仪表应用现状
平衡转化率（NH4HSO4生成温度）：
SO3+H2O+NH3 NH4HSO4
计算条件：氨逃逸3.0ppm、三氧化硫10ppm、水含量5%、大气压。
烟气温度 △H(kJ/mol) △S(J/K/mol) △G(kJ/mol) K α
150℃ -169.03 -268.21 -55.58 7306870 0.9948
取样探头将烟气抽取 到烟道外部进行测量
陶瓷渗透管作为腔体 插入烟道中进行测量
氨逃逸率仪表应用现状
原位对穿式（国外）
测量方式：激光发射单元和接收单元 分别安装在烟道两侧。 原位优点：
测量温度即为烟气温度（350℃左右） 烟气成分和组分浓度不变。
存在问题：
烟道壁震动、起停机烟道变形经常导致发射和接收单位无法对准； 烟气中粉尘使得激光强度衰减严重，激光只能透过两三米距离； 原位对穿式是开放式测量环境，无法对仪表进行原位标定； 信噪比和测量精度低，某进口产品2015年宣传册已全面否定之前采用的原位 对穿式测量方法，认为其测量精度只能达到2.0ppm/m左右。
2
J
''
2 1 0
v ''
转动能级
激光
扫描
吸收线型函数
J ''
振动 1 能级
0
频率
抗干扰能力强 非接触测量 响应速度快 灵敏度高

氨逃逸率仪表应用现状
根据测量方式：基于TDLAS技术的氨逃逸率监测仪表分类
仪表分类 原位对穿式 传统抽取式 渗透管式
代表厂家
测量方式
发射单元和接收单元 分别安装在烟道两侧
180℃ -167.27 -264.14 -47.61 308965 0.9749
200℃ -166.09 -261.61 -42.35 47495 0.9373
220℃ -164.91 -259.20 -37.13 8585 0.8589
250℃ -163.14 -255.72 -29.40 864 0.6213
（二）基于光谱的热工参数测量方法与技术

实验室验证
发表于Optics Express (光学1区) 2011, 19(23), 23104. Applied Spectroscopy Reviews认为本文提出的气体浓度测量方法 有效地解决了波长调制法在复杂工况下需要标定的难题，是斯坦 福大学Hanson院士06年提出该方法之后的重要进展。
缺点
提出原位取样式测量方案
结合原位对穿、抽取和渗透管三种测量方式优点
监测氨逃逸率难点的解决
提出原位取样式测量方案
原位取样式优点：
测量代表性好； 高温，反应少，吸附也很少 响应快 吸附少，抽气速度可控 信噪比和测量精度高； 对烟气中粉尘进行过滤， 可以进行零点和满量程标定。
渗透管式
测量方式：将陶瓷渗透管作为腔体插 入烟道中，烟气通过压差进入腔体。 渗透管优点：
测点温度即为烟气温度（约350℃ ）； 可对粉尘进行过滤，测量精度高。
存在问题：
陶瓷渗透管比表面积非常大（几百平方米甚至更大），氨气吸附量很大，当烟 气中氨气浓度改变时不能实时反映； 渗透管式测得的氨气往往是腔体解吸出来的氨气（负荷变大工况）； 氨气的吸附和解吸过程与温度（负荷）相关，温度升高时氨气解吸进入腔体， 而温度降低时又吸附到管壁上； 渗透管表面容易堵灰，烟气更新速度很慢甚至无法进入测量腔体。
影响氨逃逸率的因素：
催化剂性能； 烟气温度和氮氧化物浓度波动； 氨氮浓度分布、摩尔比偏差； 氮氧化物测量滞后性； 喷氨系统调节灵敏度。
氨逃逸带来的危害：
空预器堵塞
SO3+H2O+NH3 NH4HSO4 排烟温度升高、增大引风机出力 在线冲洗频繁、影响机组安全运行
造成环境污染
电化学、红外和紫外等常规方法都不适用于氨逃逸率测量； 管线抽取、原位对穿等测量方式也不适用于氨逃逸率测量。
监测氨逃逸率的原理
测量方法 技术原理 代表厂家 稀释取样法 化学发光法 美国热电 激光分析法 可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术 国外：优胜、西门子、仕富梅、西克、NEO 国内：聚光科技、大方科技、西安聚能
实现了直接吸收法和波wenku.baidu.com调制法的有机结合 提高了TDLAS技术在工业现场中的测量精度
波长调制法重构气体吸收率函数
我们认为直接吸收法是波长调制法的特例，即调制深度为零； 波长调制法中各次谐波理应都蕴含了气体吸收率函数的信息。
推导出谐波通 项表达式 找到谐波与吸收率 函数间的关系 建立吸收率函数 重构算法 实现波长调制和直接 吸收法的有机结合
标气流量
3000 800 150 50
氮气流量
0 2200 2850 2950
理论浓度
199 53.07 9.95 3.32
测试浓度
201.12 235.1 54.09 43.2 10.14 16.02 3.39 7.55
相对误差
1.07 15.31 1.92 22.84 1.91 38 2.11 56
氨逃逸率仪表应用现状
某厂该原理仪表运行情况（2013年11月6日，03:43~18:23）
在长达13个小时没有 喷氨的情况下，氨逃 逸率测量值没有变小 氨逃逸率测量值与机 组负荷（温度）相关
测量值与喷氨量无关 与负荷关系非常敏感
测的是解析出来氨气
问题总结和解决方案
对目标信号进行高频调制，而非目标信号在 谐波检测过程中被除去，然后根据二次谐波 确定气体参数，可提高测量精度和灵敏度。
容易受到颗粒物浓度、激光扫描范围限制等因 素影响而难以精确拟合吸收率函数。
建立波长调制法重构气体吸收率函数算法 根据重构的气体吸收率函数确定气体参数
无法直接得到 吸收率函数，只能根据二次谐 波峰值和标定实验确定待测气体浓度。
目前电厂为满足氮氧化物排放而一味增加 喷氨量的粗放型喷氨方式不再适用；
实时在线精确测量氨逃逸率，不仅可以判 断脱硝装置是否发生故障，还可以在满足 氮氧化物排放的基础上实现精细喷氨，提 高机组安全经济运行。
随着脱硝效率的提高，氨逃逸率急剧增加
监测氨逃逸率的难点
与NOx、SO2等相比，测量氨逃逸率要困难得多

工业现场验证
获得2项国家自然科学基金 培养4名研究生、发表11篇SCI论文 申请发明专利9项，授权5项
测试试验中几个典型工况进行了算法对比
单位： mL/min 编号
1 2 3 4
单位： ppm 总流量
3000 3000 3000 3000
单位：% 绝对误差
2.12 36.1 1.02 -9.87 0.19 6.07 0.07 4.23
TDLAS技术已成为当前氨逃逸率在线测量的主流方法
监测氨逃逸率的方法
TDLAS基本原理
物理机制
2
利用窄带激光扫描气体分子的吸收谱线，通过分析被气 体分子吸收后的激光强度得到待测气体浓度等参数。
L
v'
振动 1 能级
0
J
J
'
'
入射光
待测气体 透射光
转动能级
I0
电子能级
It
吸收特定 频率光子
4NO + 4NH3 + O2 6NO + 4NH3 4N2 + 6H2O 5N2 + 6H2O
NOX 烟气 NOX NOX
NH3
NH3
NOX NH3 NOX NH3 NOX
6NO2 + 8NH3
2NO2 + 4NH3
7N2 + 12H2O
3N2 + 6H2O
催 化 剂
H2 O N2 H2 O N2 H2 O 逃逸NH3
2 v m 2 4 v m 4 6 v m6 ... H1 v v 一次谐波 4 64 2304 2 v m 2 4 v m 4 6 v m6 H3 v ... 随着所采用谐波次数 4 48 1536 增多，高阶项影响越 4 6 4 6 v m v m 来越小，理论上可完 H 5 v 192 3840 ... 全消除调制深度影响 1 1 1 2n 2n H v 2 n 1 v m . 2 k 1 n k ! n k ! 2 n k
《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》：氮氧化物排放浓度不 高于50mg/m3 ，脱硝效率需要由目前的80%提高到90%以上； 随着脱硝效率的提高，氨逃逸率将会而呈急剧增长趋势； 随着脱硝系统的老化，氨逃逸率也会不断增加。
解决之道： 很多，但是氨逃逸监测是基础的基础
问题总结
测量理论：TDLAS测量理在复杂工业现场应用尚需要进一步完善 测量方式：原位对穿、抽取、渗透管等方式不完全适合氨逃逸测量。
解决方案
测量理论：通过吸收光谱和谐波理论建立高精度在线测量算法； 测量方式：根据氨气以及测量环境的特点，研发全新的测量方式。
二、项目创新
波长调制法重构气体吸收率函数 首次提出原位取样式测量方案 设计了具有极高稳定性的光路
氨气逃逸到大气、吸附在飞灰中
造成资源浪费
氨气资源、增大煤耗
测量氨逃逸率的必要性
理想情况下：氨逃逸率约为喷氨量的1%左右，氨逃逸一般小于3ppm；
但在实际中：多种因素导致氨逃逸率过大，经常达到10ppm甚至更大。
10ppm有多大影响？
监测氨逃逸率的必要性
未来的挑战：氨逃逸率会越来越大
抽取式
取样探头将烟气抽取 到烟道外部进行测量 可对烟气进行过滤 灰尘少，光路稳定 抽取温度低于250℃ 与SO3生成NH4HSO4 管线吸附NH3严重 烟气成分发生变化 测量结果偏离真值
渗透管式
陶瓷渗透管作为腔体 插入烟道中进行测量 温度烟气成分不变 可过滤，光路稳定 渗透管对氨气有吸附 氨气吸附和解吸量与 温度（负荷）相关 测量值为氨气解析量 烟气更新慢、光程短
300℃ -160.20 -250.30 -16.78 33.83 0.1285
350℃ -157.25 -245.28 -4.443 2.358 0.0115
400℃ -154.30 -240.81 7.762 0.2498 0.0012
传统的抽取式（温度一般低于220℃）无法精确测量氨逃逸率！
氨逃逸率仪表应用现状
由高次谐波重构吸收率函数的测量算法大大提高了测量精度
提出原位取样式测量方案
基于TDLAS技术的氨逃逸率监测仪表各测量方式存在的问题
仪表分类
测量方式 优点
原位对穿式
发射单元和接收单元 分别安装在烟道两侧 温度烟气成分不变 测量结果有代表性 激光难以透过烟道 发射接收端难对准 信噪比测量精度低 无法进行现场标定
仪表具有在线标定和校准功能
波长调制法重构气体吸收率函数
TDLAS技术已成为当前气体在线检测技术的重要发展方向； 经过多年发展形成了直接吸收和波长调制两种主要测量方法。
吸收率函数是TDLAS中 的核心参数，包含了气 体温度、浓度等信息。
通过透射光强拟合气体吸收率函数，然后根据 吸收率函数确定气体浓度等参数，其物理概念 清晰，操作简单。