PIMS多点式激光光谱氨逃逸监测系统介绍及实际应用

1、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 CatalyticReduction)选择性催化复原法是国际上成熟的燃煤电厂脱硝工艺,原理是利用复原剂在催化 剂

2、的作用下选择性的与烟气中的 NOx发生化学 反响生成N2和H2O的方法：NO+NO2+2NH3 - 2N2+3H2O复原剂：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,也不可能完全反响,总有一局部没有被反响 的NH3逃逸出催化剂层,另外,由于催化剂的 安装不密封,也有可能局部的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发生反响： NH3+SO3+H20=NH4HSO4,NH4HSO4 英文 Ammonium Bisulfate, 简称ABS , ABS在一定的温

3、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平安, 电厂必须停炉清洗空预器,故造成很大的经济损 失.研究说明,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大局部来自SO2的转化,SCR 催化剂的应用也提升了 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

4、度区间：$03S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,所以镂盐是以ABS 的形态出现.从上图可以看出,ABS的生成温 度区间根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 如下列图：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

5、粉尘量通常 在10g/m3 以下.2烟气温度高.烟气温度通常在 350 C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-s3氨逃逸分析仪,代表品牌有西门子的LDS6 ,挪威NEO的 LaserGas II SP ,力口拿大 UNISEARCH 优胜公司LasIR SPSO 等等.ABB的 AO

6、2000-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

7、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含量的提升.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 C和230 C之间.对于传统的抽取式 分析系统而言,采样管

8、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 谱随着温度的提升吸收峰会减弱,灵敏度会随之 降低.在350 C到400 C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, 把光程限制在1-2米之内,这样氨逃逸的检测 灵敏度最好的情况也只能到达大约 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,

9、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, 根本上很 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,根本上不能提供 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

10、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良措 施,比方在烟道内搭设半圆管阻挡粉尘等举措, 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2022 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

11、个中国电厂的安装实验以及5个版本的改良后,PIMs系统已经成熟,根本性 的解决了氨逃逸检测的诸多问题.2022年, PIMs 技术在美国、加拿大、欧盟、中国获得 创造专利申请批准.1、 PIMs 技术原理PIMs : Pseudo In-SituMeasurement 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屡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-S

12、itu Measurement).PIMs示意图如下：PIMS ：2、PIMs 的核心技术PIMs的核心技术之一是镜片隔离的屡次 反射光学检测池,与众不同的是 PIMs屡次反 射镜面并不与烟气接触,防止了传统的屡次反射 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的屡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升了 10-20 倍,PIMs的氨逃逸检测灵敏度也提升 了 10-20 倍,灵敏度到达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

13、样气体通过探杆直接进入过滤腔,过滤后的气体 直接进入屡次反射检测池,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 触局部在300 C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,防止了逃逸氨 的采样损失.另一方面,PIMs的检测响应时间 可以限制在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

14、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

15、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.下列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：定时的畤度标定定时的零点标定恢复到正常检测本质上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的检测池内屡次 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

16、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 供应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.下列图是一个以四通道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

17、反响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.下列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.下列图是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异甚至到达30ppm ,相应的NOx的差异也到达几十 mg/m3 .

18、该电厂基于这个状况做个相应的喷 氨优化,下列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 点的氨逃逸浓度均限制到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 PI

19、Ms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：TDLASTunable Diode LaserAbsorption 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

20、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(-ocl )I:被吸收后的光强度Io :吸收前的光强度6吸收截面C:吸收物质的浓度I：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