火电厂近零排放脱硝出口氮氧化物测量的研究

随着新环保法的实施，火力发电机组近零排放改造越来越成为主流，近零排放改造后，净烟气排放的NOX限值有100mg/Nm3下降至50mg/Nm3，脱硝喷氨量的增加降低了脱硝出口NOX量，NH3量增大改变了脱硝出口的气体的化学组分含量，相应对脱硝出口NOX的测量带来了新的影响。本文主要检讨目前国内脱硝方式，对脱硝出口NOX测量的方式方法进行分析，给各火力发电厂近零排放改造后脱硝出口NOX测量提供参考及建议。

一、脱硝的方法有几种类型

1.选择性催化还原法（SCR）

2.非催化还原反应

3.电子束烟气脱硫脱硝方法

4.燃烧产物飞灰改性催化剂脱硝法

目前使用最多的是SCR，第4种方法还没有实际使用。所有四种方法最终脱硝的反应剂都是使用NH3，因此检测仪器的选型有相似的地方。本文主要讨论SCR中的监测仪表选择问题。

SCR设备运行的计量平衡方式:

6NO+4NH3------5N2+6H2O

6NO2+8NH3------+12H2O

6NO+6NO2+12NH3------12N2+18H2O

SCR的一般安装应用示意：

从化学反应的平衡式得出的结论

1）在烟气形成的过程中，NO2的的产率是很低的，所以，代表NOx的物质是NO。但是随时间推移，温度降低，NO逐步转换为NO2，所以环保指标以NO2作为考核指标。

2）NO的生成和温度有关，当温度超过1000℃时，NO的产率增速很快。由于温度提高对燃料的利用率关系很大，温度高有利于热效率的提高，但不利于对NO的控制。

3）NO的测量是控制最佳燃烧条件的重要手段。快速的NO分析结果，能够在NO排放较少的情况下保持较高的燃烧温度。这样不仅减少了排放，而且还可以节省NH3的投放。

4）在西方发达国家，由于用NO分析器控制燃烧条件很好，NO排放较少，可以使用比正常氨投放量小的加入量获得好的效果，大多数不用检测余氨。

5）出口NO的分析，如果能保持和氨的加入成正比关系，可以判断逃逸氨的数量很小。

二、测量组份及其测量的难点

1.测量组份:NO,NO2,NH3

2.根据欧洲法规,如NO2小于NOx的10%,可以不测NO2

3.在高粉尘应用中,粉尘含量很高,可达到30g/m3

4.脱氮反应在气态进行,流速很快,要求测量方法迟后时间少

5.NO2和NH3易溶于水,很容易被吸附

6.在热湿条件下,如未反应的余NH3较多,可能产生NH4NO3，NH4Cl，（NH4）2SO4，NH4HSO3和（NH4）2SO3造成堵塞

7.在理想的工艺条件下,余NH3很少,只有3ppm左右

8.由于NO比NH3多得多,使用CLD方法检测误差太大

9.抽取法需要解决堵塞问题

三、脱硝出口NOX测量两种方案

脱硝出口NOX测量从测量型式上主要分原位式和抽取式两种，从测量原理上主要分红外和紫外型。

1.多组份红外分析仪测量

采用多组份分析法，每台SCR反应器配一台分析仪，分析仪含三个分析测量通道，一个用于入口NO的测量，一个用于出口NO的测量，另一个用于出口O2的测量。

SCR入口设1-3个采样探头，SCR出口设1-3个采样探头，入口和出口设有单独的烟气预处理系统。样气进入预处理系统除尘、除水、过滤，然后送入分析仪表进行分析。采样探头具有耐高温、耐腐蚀、耐磨和防堵功能。分析仪表布置在带空调的分析小屋内，小屋露天布置反应器符近的平台上，每个SCR反应器设一套分析小屋。分析仪器具有一个清洗空气系统以防止烟尘污染分析仪器部件，当清洗空气系统失效时，分析仪器上输出干接点警报信号至DCS，并启动隔离快门以保护。

每台SCR反应器配一台分析仪，分析仪含三个或四分析测量通道，一个用于入口NO的测量，一个用于出口NO的测量，另一个用于出口O2的测量，还可以增加一个入口O2的测量通道；在SCR入口和出口各设置一个采样探头，样气进入预处理系统过滤，然后送入分析仪表。

气体分析仪单元：三个分析通道，2个NO测量通道（并联气路相互独立，进出口各一）1个O2测量模块。（同出口NO测量模块气路串联），还可以增加一个O2测量模块。（同入口NO测量模块气路串联）

预处理单元：根据分析要求预处理双路是并联相互独立。（包括控制反吹、采样、取样、除尘、脱水等功能）

取样探头：SCR入口设1-3个采样探头，

SCR出口设1-3个采样探头。采样后的烟气进入高温混合器后进入预处理系统过滤，然后送入分析仪表。

取样管线：2-5根，SCR入口设1-3个采样探头对应1-3根。SCR出口设一个采样探头对应一根。输气管线伴热加温，温度保持在140℃以上（酸露点：130~135℃），输气管线是自热式的，利用加热材料的居里点进行控温，当温度低于居里点时，它是导体，通过电流加热。温度超过居里点时，它转为绝缘体，不加热。

居里点就是其恒定温度。用该方法控温的最大好处是可靠性高。选择的加热温度140℃。加热管线的外套是用抗紫外线照射和耐高低温的绝热材料制成的。

本方案特点：

优势：在满足本工况特点基础上响应时间短、安装简单、不需要仪表间、等优点。

分析及取样难度：不同于脱硫工况。温度高、含尘量高。要求反应测量速度快（参与控制）。

2.用直插法测量方案

仪表能直接安装在烟道上，实现连续监测，仪表的防护等级不低于IP67，能防尘、防雨，与烟气接触测量探头能耐磨、耐腐蚀、耐高温，有防堵和自清洁装置，仪表二次信号处理部分和传感器为一体化。因为SCR的出口和入口样气都含有高粉尘并具有很高的温度。按照工艺要求，对样气的测量的响应时间也应该愈短愈好

本方案特点：

分析及取样难度：不同于脱硫工况，温度高、含尘量高，要求反映测量速度快（参与控制）。

四、近零排放改造后NOX测量的新问题

我厂脱硝出口氮氧化物分析仪原设计为德国GM31原位式紫外固定波长氮氧化物分析仪，机组近零排放改造脱硝喷氨量增加后，出现脱硝出口氮氧化物值在机组高负荷（550MW以上）测量不准的现象。

与河南电科院多次实测比对（采用电化学式及红外分析式），偏低近20mg/m3。经与电科院专家及SICK技师现场检查分析：GM31分析仪为原位式紫外固定波长检测NO和NO2组分浓度，对低于25mg/m3的高浓度NO可以较为准确测量（与电科院测值吻合），喷氨量增加后NO浓度降低，NH3浓度变化导致GM31检测到的低浓度NO光谱吸收峰被覆盖，NO浓度测量准确度降低。

五、结论

经广泛调研其他电厂脱硝出口氮氧化物测量极少采用原位式紫外固定波长测量，采用多组份红外抽取式分析仪较多，因SICK公司生产的GM31原位式NOX分析仪为紫外固定波长检测，近零排放改造势必会改变脱硝出口各组分含量，造成GM31检测到的低浓度NO光谱吸收峰被覆盖，分析仪无法准确测量NO组分的低浓度。

目前西克公司升级产品GM32为紫外光波长自动切换型测量，可以在被测气体发生变化时自动切换NO的测量波长到干扰小的其他波长继续进行小浓度准确测量，该产品可以解决以上问题，另外依照各省环保厅相关文件要求，新建或改造的脱硝基站，应安装环保厅指定的维护厂商监测设备。

另外，脱硝出口NOX测量仪表的选型，除考虑设备稳定可靠维护量小等因素外，尽量与烟囱排放NOX分析仪表的测量原理及形式保持一致，可避免测量方式和测量原理差异带来的测量偏差，如国华孟津电厂在脱硝出口分析仪改造时，依照河南省环保厅要求选用了雪迪龙公司SCS-900监测系统，分析仪为西门子U23红外抽取式多组份分析仪，改造完成后经与电科院及环保局实测比对，测量偏差在合格范围内。

脱硝出口NOX测量的准确性与稳定性时脱硝喷氨自动的基础条件，近零排放改造后，空预器内产生硫酸氢胺的增加，氨盐的形成容易造成空预器阻力增加，严重时会发生空预器腐蚀堵塞，脱硝NOX值与NH3的测量显得尤为重要，为脱硝及下游设备的安全运行提供保障。