氨逃逸测量系统设计

关旭春

摘要：针对目前工业锅炉脱硝工艺中氨逃逸测量准确度低下、有效数据少，企业下游设备堵塞的问题，对现场工况特点进行深入研究，本文从系统架构设计、软件设计，提出基于TDLAS技术原位抽取法测量系统。测试结果表明，该系统性能可用于脱硝工艺中氨逃逸监测，且具有良好的稳定性。

关键词：氨逃逸；脱硝工艺；原位测量法；抽取测量法

在烟气脱硝工艺中，控制还原剂氨的注入量非常重要，氨的注入量既要保证有足够的氨与氮氧化物反应，以降低氮氧化物的排放，又要避免烟气中含有过量的未反应的氨（氨逃逸）。如果注入过量的氨不仅会增加下游设备的堵塞、腐蚀，还会造成氨随烟气排入大气中造成环境污染。

目前市场上对氨逃逸测量的系统主要有对穿测量法和抽取测量法，但两种测量方法在使用过程中暴露出对光失败、结晶堵塞等很多问题，亟需设计一款适应国内工况特点的氨逃逸测量系统。

1、研究背景

国外主要使用激光原位测量法进行测量氨逃逸，原位测量法：通常将两个激光探头直接安装于烟道两侧进行对穿测量。常见产品有西门子LDS6、加拿大优胜LasIR、英国仕富梅氨分析仪等。但国内工业锅炉主要燃烧煤，燃烧过程中产生大量的粉尘，造成光通过率低，同时烟道的震动会导致对光失败，对激光原位测量法提出很大的考验，很难保证测量的准确性。根据该工况特点，国内企业主要研究抽取法测量氨逃逸，通过管线将样气抽取到气室中测量，但是各接头部位和采样管线温度很难保证，使得测量准确度仍然较低。

2、系统设计

本设计的原位测量法氨逃逸分析系统直接安装于烟道上，易受烟气中高浓度颗粒物和烟道振动影响测量结果，但烟气成分不损失；然而，抽取法氨逃逸分析仪，易因取样管线和接头部位温度控制不好影响测量结果，但不受烟尘和烟道振动影响，因此，本论文设计的原位抽取式氨逃逸分析仪结合原位测量法和抽取测量法共同的优点，这样才能更加适应国内的脱硝工艺。

2.1检测原理

常见的NH₃检测方法有傅里叶红外法、非分散红外法、紫外差分法等，但烟气中气体成分复杂，以上测量方法易受其他组分干扰。而半导体激光谱宽非常之窄，远小于一条气体吸收谱线的宽度，可以保证发出的激光只被特定气体吸收，而其他气体无吸收。

基于此，本系统采用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）。该技术通过电流和温度调谐半导体激光器的输出波长，扫描被测物质的某一条吸收谱线，通过检测吸收光谱的吸收强度获得被测物质的浓度。

TDLAS的气体浓度定量计算是以Beer-Lambert定律为基础，特定波长吸光度与气体浓度成正比，计算公式如（1）：

（1）

其中，A为吸光度，

T为透射比，是出射光强度比入射光强度

K为摩尔吸光系数

L为光程

C为气体浓度

以上式中测量物质为NH3，其摩尔吸光系数已知，光程已知，根据吸光度即可计算出NH₃浓度。

在实际计算时，吸光度会受到气体温度的影响，吸收线形受到压力展宽的影响，最终浓度需输入温度和压力值进行补偿。

2.2系统架构设计

系统由两部分组成：一部分为一体式探头，如图1；另一部分为控制柜，如图2。

一体式探头与常规烟气监测系统的探头有很大不同，该探头完成了样气预处理，样气采样，样气测量等工作。

探头单侧安装于烟道，可避免振动影响光路，样气被射流泵从烟道抽取出来后经过一级过滤器、高温三通阀、二级过滤器后进入TDLAS分析模块进行测量，然后排出系统。样气途经气路很短，加上整体加热保证了样气测量过程中低损失。探头设计有反吹功能，防止气路堵塞，一定时间间隔后高测量气路关闭，切换吹扫气路，压缩空气将烟尘吹到烟道中。

图1 一体式探头

1-高温区；2-高温三通阀；3-二级过滤器；4-TDLAS分析模块；5-常温区；6-一级过滤器；7-吹扫气接口；8-射流气接口；9-射流泵；10-排气；11-接线端子

控制柜用于对一体式探头加热、测量过程等进行控制和数据显示。一般安装于一体式探头旁边的平台位置，调试和维护方便，控制柜设计有防雨罩，可露头安装。

图2 控制柜

1-显示控制器；2-线槽；3-空开、电源；4-防雨罩；

5-接线端子；6-流量计；7-三通切换阀；8-解压阀

2.3系统软件设计

软件运行于linux平台，通过C语言编程开发，主要实现自动控制、数据采集、数据计算、界面显示、趋势曲线、历史数据查询、数据报警、数据上报等功能。

1）自动控制

在软件中设置校零时间、吹扫时间、加热温度等参数，系统根据设定参数自动运行。系统首先根据设定温度进行加热，高温区温度和气室温度达到设定温度后，其他部件检测无错误后，系统自动开始采样测量，其次，到达设定的时间，系统进行校零或反吹工作。

2）数据采集

显示控制器通过RS232通讯线路Modbus RTU通讯协议，获取TDLAS分析模块数据及设备状态，同时可对模块相关参数进行设置。

3）数据计算

将数据采集模块获取到的数据进行相关计算，生成符合行业标准规范要求的数据，如进行干湿态计算、标态计算、折算浓度计算等，计算后的数据存入变量和数据库，以供其他模块查询。

4）界面显示

将计算完成的数据和各部件状态在显示控制器屏幕显示，具备NH₃浓度单位ppm和mg/m³切换。

5）趋势曲线

在界面中用不同颜色显示NH₃，湿度等数据的变化曲线，横轴为时间，纵轴为数值。趋势曲线分为实时趋势曲线和历史趋势曲线。实时趋势曲线当采集到新数据后，自动进行更新曲线，横轴时间长度可设，最大为120分钟，数据先进先出。历史趋势曲线则可以通过自定义时间段等条件，从数据库中查询符合条件的结果在界面以曲线的方式显示。

6）历史数据查询

历史数据查询主要针对测量数据、运行状态、统计数据进行综合查询。具体实现方法上设计了按时间段、测量参数等多种查询条件，亦支持将数据导出为常用的excel或文本格式，方便和其他系统实现数据交换，查询结果以列表方式显示出来。

7）数据报警

软件实时对系统的测量数据、工作状态、运行参数等数据进行判断，如触发预设的报警条件，将报警信息在指定界面显示出来。在本系统中，可设定报警变量、报警信息颜色、报警限值、报警方式等，报警信息可存储，默认存储30天，存储时间可修改，报警信息通过报警类型、报警时间方式查询。

8）远程通讯

系统测量的数据按照国家环境标准HJ212-2017组织数据包，然后通过无线或有线方式上传到环保平台或其他管理平台，系统也可接收平台的反控指令，完成相应的动作。上传的数据包括实时数据、分钟数据、小时数据、日数据，上传间隔根据管理部门要求进行设定，管理部门也可以在平台远程进行上传间隔修改。

3、性能指标测试结果

性能指标测试依据JJG1105-2015进行。

3.1示值误差

系统通电预热稳定后，通入零点气体校准零点，通入满量程80%氨气标准物质校准示值，然后分别通入浓度约为满量程的20%、50%和80%的氨气体标准物质，记录仪器稳定示值。每点测3次，3次的平均值为仪器示值。按公式（2）计算示值误差△C_i，取绝对值最大的△C为仪器示值误差。

（2）

式中：

——系统示值的平均值；

C₀——通入系统的气体标准物质浓度值。

测试结果见表1

表1 示值误差测试记录表

标气浓度 μmol/mol	示值误差（量程0-20μmol/mol）
	1	2	3
4	3.9	4.0	3.9	3.93	-1.75%	-1.75%
10	9.9	9.9	9.8	9.87	-1.3%
16	16.0	15.9	15.8	15.9	-0.99%

3.2响应时间

通入零点气体校准零点后，再通入约为量程50%的氨气体标准物质，记录稳定示值，通入零点气体使仪器回零。再通入上述气体标准物质，同时启动秒表，待示值上升至稳定值得90%时，停止计时，记录秒表读数。按上述操作方法重复3次，3次秒表读数的算术平均值为响应时间。

测试结果见表2

表2 响应时间测试记录表

响应时间s	1	2	3
	45.86	55.21	52.27
	51.11

3.3重复性

通入浓度约为量程50%的氨气体标准物质，待示值稳定后读值。重复测量6次，按公式（3）计算仪器的重复性。

（3）

式中：

——仪器的重复性；

——仪器示值；

——6次测量值的算术平均值。

测试结果见表3

表3 重复性测试记录表

重复性	1	2	3	4	5	6		Sr
	10.1	10.2	9.9	9.8	9.9	9.8	9.95	0.16%

3.4零点漂移与量程漂移

通入零点气至仪器示值稳定后，记录仪器显示值Z₀，然后通入浓度约为满量程50%的气体标准物质，待读数稳定后，记录仪器示值S₀，撤去标准气体。重复上述过程。仪器连续运行4h，每隔1h重复上述步骤一次；同时记录仪器显示值Z_i及S_i(i=1，2，3，4)。按式（4）计算零点漂移。

（4）

式中：

——零点漂移；

——初始的零点值；

——第i次的零点值；

R ——仪器满量程。

取绝对值最大的 ，作为仪器的零点漂移。

按式（5）计算量程漂移：

（5）

式中：

——量程漂移；

——初始的仪器示值；

——第i次的仪器示值。

取绝对值最大的 为仪器的量程漂移。

零点和量程漂移的测试结果见表4

表4 零点和量程漂移记录表

时间	0h	1h	2h	3h	4h
原始Zi	0.1	0.0	0.1	0.1	0.0	-	-
原始Si	9.9	9.8	10.2	10.1	10.1	-	-
零点漂移 （ ）	-	-0.5%	0%	0%	-0.5%	-0.5%	-
量程漂移 （ ）	-	0	1.5%	1.0%	1.5%	-	1.5%

4、创新点

脱硝工艺烟道中通常含有大量的气态水分、高浓度的粉尘，现有的激光原位测量法系统对穿安装于烟道，烟道振动和粉尘对测量准确性影响很大，现有抽取测量法系统安装于分析小屋内，样气经过伴热管线进入仪表进行分析，取样过程中温度控制很难，由于氨易吸附、易溶于水，样气经过长采样管线后成分发生了改变，造成样气失真。

本设计采用原位安装抽取测量技术，单侧安装于烟道，不受振动影响，样气从烟道抽取出来后直接高温测量，保证了测量结果准确性及时效性。

5、结论

通过对系统性能指标测试，所设计的系统指标符合JJG1105-2015要求，功能满足脱硝工艺和固定污染源排放口中氨气的监测要求，系统运行稳定，数据可靠。

6、参考文献

[1] 王强，杨凯.烟气排放连续监测系统（CEMS）监测技术及应用[M]北京.化学工业出版社，2015.

[2]国家环境保护总局.空气和废气监测分析方法（第四版增补版）[M]北京.中国环境出版社，2003.

[3] JJG 1105-2015,氨气检测仪[S]中华人民共和国国家计量检定规程.