本文簡要介紹了流程工業(yè)燃煤鍋爐、工業(yè)窯爐的煙氣脫硝工藝及脫硝微量氨逃逸監(jiān)測應(yīng)用的主要技術(shù)；分別對原位法激光氣體分析、抽取熱濕法激光氣體分析、間接法催化劑還原-化學(xué)發(fā)光分析、抽取熱濕法傅里葉變換紅外光譜分析等微量氨逃逸監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析探討。

流程工業(yè)是節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域，特別是電力、鋼鐵、水泥、建材，以及石油化工的燃煤鍋爐、工業(yè)爐窯等固定污染源煙氣排放的二氧化硫、氮氧化物是重點(diǎn)控制對象。燃煤鍋爐及工業(yè)爐窯煙氣的脫硝工藝大多采用選擇性催化還原法（SCR），以及非選擇性催化還原法（SNCR）等，脫硝工藝采用NHX基還原劑，如氨、尿素；在催化劑作用下氨和氮氧化物反應(yīng)生成氮和水。因此，脫硝反應(yīng)過程中，要嚴(yán)格控制加氨量和監(jiān)測煙氣中微量的逃逸氨。

煙氣脫硝微量氨逃逸監(jiān)測技術(shù)

選擇性催化還原法（SCR）

SCR法是在固體催化劑存在下，利用各種還原氣體和NOX反應(yīng)使之轉(zhuǎn)化為N2的方法，以NH3作還原劑時(shí)，金屬氧化物（如：V2O5/MnO2等）是最常用的SCR工業(yè)催化劑。

該技術(shù)具有脫氮效率高（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不低于80%，實(shí)際可達(dá)90%以上）、反應(yīng)溫度較低（573~753K）、催化劑不含貴金屬、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是目前被認(rèn)為是最好的固定污染源煙氣脫硝技術(shù)，并已在燃煤電廠煙氣脫硝得到廣泛應(yīng)用。SCR的基本反應(yīng)過程是：

4NO+4 NH3+ O2 =4N2+6 H2O

2NO2+4NH3=3N2+6H2O

SCR可能存在的問題如下：

氨泄漏，未反應(yīng)的氨排出系統(tǒng)，造成二次污染。HJ562-2010《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范-選擇性催化還原法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：SCR法的氨逃逸量應(yīng)控制在2.5mg/m3。

當(dāng)燃用高硫煤時(shí)，煙氣中部分SO2將被氧化成SO3。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定SO2 /SO3的轉(zhuǎn)化率不大于1%。轉(zhuǎn)化的SO3以及煙氣中原有的SO3會與煙氣中的NH3進(jìn)一步反應(yīng)生成氨鹽（NH4HSO3）從而造成催化劑中毒或管路堵塞等。另外過量NH3可能和O2反應(yīng)生成N2O。

非催化還原法（SNCR）

SNCR法是把含有NHX基的還原劑，噴入爐膛溫度為800~1000℃區(qū)域，該還原劑迅速熱分解為NH3，并與NOX進(jìn)行SNCR反應(yīng)生成N2和H2O。

氨或尿素與NO的反應(yīng)如下：

2NO+2NH3+1/2O2=2N2+3H2O

2NO+2CO（NH2）2+1/2O2=2N2+ CO2+2H2O

該法受溫度及NH3停留時(shí)間的影響較大，氨液消耗量大于SCR，氨的泄漏量大、脫氮效率不高，只適用于要求不高于40%的場合；目前SNCR法在國內(nèi)的水泥、冶金、化工等行業(yè)的工業(yè)爐窯煙氣脫硝工藝中應(yīng)用較多。SNCR不需要催化劑，設(shè)備改造少，投資較SCR小，但是氨逃逸量較大。HJ563-2010《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范-選擇性非催化還原法》規(guī)定SNCR法的氨逃逸量應(yīng)控制在8mg/m3。

SNCR氨逃逸產(chǎn)生的主要原因：一是由于噴入點(diǎn)的煙氣溫度偏低，影響氨與NOX的還原反應(yīng)；另一原因是由于噴入的還原劑過量或還原劑分布不均勻。

微量逃逸氨在線監(jiān)測的重要性

煙氣脫硝過程中，氨的注入量既要保證有足夠的NH3與NOX反應(yīng)，以降低NOX的排放量，又要避免向煙氣中注入過量的NH3；注入過量的氨，不僅會增加設(shè)備的腐蝕，還生成銨鹽。煙氣中的NH3、H2O和SO3的反應(yīng)生成銨鹽——硫酸氫胺（ABS），并易在設(shè)備表面形成液態(tài)懸浮顆粒。ABS在溫度降低時(shí)，會吸收煙氣中的水分，形成腐蝕性溶液；在溫度較低的催化劑表面，煙氣中ABS會堵塞催化劑，造成催化劑失活，增加反應(yīng)器的壓損。在經(jīng)過后續(xù)設(shè)備時(shí)，會在溫度較低的空氣預(yù)熱器熱交換表面產(chǎn)生沉積，增大壓降，降低空氣預(yù)熱器的效率，對后續(xù)設(shè)備也會產(chǎn)生堵塞及腐蝕。根據(jù)有關(guān)報(bào)告，SCR脫硝反應(yīng)器出口煙氣的微量氨逃逸控制在2~3×10-6，可延長空氣預(yù)熱器的檢修周期。

監(jiān)測脫硝反應(yīng)器出口煙氣的微量氨逃逸，存在高溫（300~400℃）、高濕(水汽達(dá)飽和)、高粉塵（20~40g/nm3）、ABS易結(jié)晶和安裝環(huán)境條件惡劣等問題，使監(jiān)測微量逃逸氨難度增大。

原位激光法檢測技術(shù)

基本測量原理

可調(diào)諧激光光譜分析（TDLAS）采用“單線吸收光譜技術(shù)”。

TDLAS是基于氣體的特征吸收光譜來測定氣體成份濃度。通過選擇激光波長接近于待測成份的某吸收譜線，可調(diào)諧激光二極管采取改變激勵(lì)電流或溫度，使激光波長被調(diào)諧實(shí)現(xiàn)涵蓋所選的波長范圍，包涵吸收譜線。當(dāng)激光波長等于被測氣體的特征吸收波長，激光將被吸收，將激光吸收的測量信號與處理單元參比信號相比，即可得到待測氣體成份濃度。

激光分析微量氨是基于近紅外波段NH3的特征吸收光譜來測定氨。近紅外波段NH3及H2O的吸收光譜。

技術(shù)分類

TDLAS測量技術(shù)根據(jù)吸收信號檢測技術(shù)不同分為：調(diào)制光譜-諧波分量（二次諧波）檢測技術(shù)和基于直接吸收檢測技術(shù)。

a）調(diào)制光譜-諧波分量（二次諧波）檢測技術(shù)是廣泛應(yīng)用的可以獲得高檢測靈敏度的TDLAS技術(shù)，如西門子、ABB、SICK、NEC及國內(nèi)聚光科技等公司的激光氣體分析儀均采用該技術(shù)。

b）直接吸收檢測技術(shù)是采用直接的高頻電流信號產(chǎn)生高頻掃描光譜，通過接受檢測吸收光譜信號，獲得氣體濃度值，無需外部頻率調(diào)制，沒有諧波分量的相位問題。如：日本橫河、加拿大優(yōu)勝光分等，橫河采用峰面積積分法測量，不受其他氣體干擾影響；不少激光分析儀采用標(biāo)準(zhǔn)氣體“鎖峰技術(shù)”，能實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定測量。

TDLAS技術(shù)按照取樣方式不同可分為原位安裝式、抽取式，原位安裝按照安裝方式不同又分為：對射安裝和單邊安裝式。基本有以下類型：

a）煙道兩側(cè)對裝的非光纖傳輸型， 激光分析儀的發(fā)射與接收頭分別安裝在煙道兩側(cè)，可調(diào)諧激光二極管直接安裝在發(fā)射頭。不采用光纖傳輸信號，直接測量分析，該儀器一套發(fā)射/接收探頭只能分析一種組分，一個(gè)測量煙道須安裝一套發(fā)射、接受器及控制器；可實(shí)現(xiàn)在智能化探頭上直接顯示測量結(jié)果，無需控制器。發(fā)射單元的I/O模塊支持測量氣體溫度、壓力測量輸出的4~20mA信號，激光分析儀通過實(shí)時(shí)獲取被測氣體的溫度壓力變化，可進(jìn)行高精度光譜分析測量。

b）煙道兩側(cè)對裝的光纖傳輸型，如：西門子LDS6激光氣體分析儀。加拿大Unisearch的LasIR R系列激光氣體分析儀。

LDS6激光氣體分析儀的可調(diào)諧二極管激光光源，內(nèi)置在分析儀的控制器內(nèi)，通過光纖傳送到發(fā)射頭發(fā)出激光光束，接收信號由光纖再送到控制器。該儀器通過光纖技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制器帶3個(gè)測量探頭。系統(tǒng)主要包括中央處理單元；激光發(fā)射和接收探頭；復(fù)合光纜與回路光纜等。中央處理單元包括操作控制面板、顯示、處理器、激光源等，處理器最多可控制三個(gè)采樣點(diǎn)?？烧{(diào)諧二極管為激光光源，安裝在中央處理器機(jī)柜內(nèi)，通過光纜傳輸?shù)礁靼l(fā)射探頭，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測。

加拿大優(yōu)勝光分的LasIR R系列激光氣體分析儀系統(tǒng)，采用高功率的可調(diào)諧激光器，獨(dú)特的光學(xué)設(shè)計(jì)，測量光束的發(fā)射光斑可調(diào)，使入射到對面檢測端的光斑大于檢測器的接受窗口；較好解決了原位激光法存在高粉塵、煙道變形及振動的影響，具有較強(qiáng)的抗顆粒物、液滴影響和抗振動漂移能力。

c）煙道單側(cè)安裝的原位激光分析,如Sick Maihak 的GM700激光氣體分析儀，參見圖6。激光分析儀的發(fā)射與接收器安裝在煙道單側(cè)，探頭伸入煙道內(nèi)，探頭一段作為被測氣體擴(kuò)散氣室，探頭未端有反射鏡將吸收光強(qiáng)信號送到接收器；可采用滲透保護(hù)管，用于通入標(biāo)氣校正。Sick Maihak GM700激光氣體分析系統(tǒng)具有單側(cè)安裝和跨煙道雙側(cè)安裝等型式。

技術(shù)分析

采用原位激光法氣體分析微量氨的顯著優(yōu)點(diǎn)是無需采樣處理，通過原位法直接測量微量氨，沒有樣品取樣、處理及傳輸可能帶來對微量氨測量的影響，也不存在轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率問題。采用原位激光分析測量微量氨，激光穿過煙道測量分析，是線測量；抽取式取樣分析是點(diǎn)測量；線測量更具有代表性，更能反應(yīng)煙氣中NH3濃度的真實(shí)性。

原位激光法氣體分析儀，在現(xiàn)場應(yīng)用中存在的主要問題是：儀器安裝在SCR出口，SCR處于鍋爐省煤器出口的高塵段，大多直接安裝在測量點(diǎn)附近高達(dá)數(shù)十米的鋼質(zhì)平臺上；儀器的發(fā)射、接受探頭直接安裝在煙道壁上，易受到鋼制煙道壁的振動，或鋼制煙道受溫度變化發(fā)生應(yīng)變等環(huán)境因素的影響；安裝管道振動或位移會對激光測量的透射光斑產(chǎn)生位移，影響激光透射光到接收探頭光電池的信號，從而產(chǎn)生測量不穩(wěn)定或不應(yīng)有的漂移，影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)儀器將不能正常工作。

并非所有原位激光分析在 現(xiàn)場應(yīng)用檢測微量逃逸氨都可能存在測量不準(zhǔn)的問題，例如：加拿大優(yōu)勝光分LASIR原位激光分析儀，采用高質(zhì)量大功率激光器，其輸出功率20mw（其他儀器激光器僅幾兆瓦），及獨(dú)特的光學(xué)設(shè)計(jì)，使該儀器在高粉塵50g/nm3左右，光程6m左右及煙道有振動或變形等惡劣工況下，都能準(zhǔn)確測量逃逸氨。

抽取熱濕法激光檢測技術(shù)

抽取熱濕法激光測量逃逸氨，通過高溫取樣處里、高溫測量氣室等，克服原位激光法存在的高粉塵、高水分、煙道振動變形及光能量不足等問題。該系統(tǒng)的典型部件如下：

高溫取樣探頭及傳輸管線，采取加熱過濾的專用高溫取樣探頭及高溫電加熱管線；從取樣探頭到高溫測量氣室采取全程加熱，并保溫在脫硝煙氣的露點(diǎn)之上。脫硝測氨高溫取樣探頭加熱溫度為280~300℃，探頭取樣管采用316L不銹鋼材質(zhì)，其探頭前置過濾器采用2μm不銹鋼濾芯，探頭內(nèi)部采用加熱保溫的陶瓷內(nèi)芯，煙塵過濾精度≤2μm。加熱管線溫度為180℃。測量全程高溫，可確保煙氣微量氨準(zhǔn)確監(jiān)測。

高溫測量池，測量池分為單次反射池或多次反射式（Herriott檢測池）兩種。圖5為Unisearch（優(yōu)勝）R系列激光氣體分析儀連接的單次反射池和Herriott式多次反射池。

典型產(chǎn)品

國內(nèi)已有多家公司開發(fā)了抽取熱濕法激光分析微量氨系統(tǒng)，如：杭州聚光、南京霍普斯等。以南京霍普斯的GCC-1000型微量氨分析系統(tǒng)為例，其分析系統(tǒng)流程圖參見圖8。

GCC-1000型抽取熱濕法激光光譜分析逃逸氨系統(tǒng)，自行設(shè)計(jì)的高溫取樣處理系統(tǒng)及高溫測量氣室，全程保溫在180℃，檢測采用ABB的激光氨表改裝。高溫取樣探頭采取反吹，適用于高粉塵取樣；測量過程無銨鹽結(jié)晶，檢測靈敏度高；系統(tǒng)維護(hù)量很少，可在線標(biāo)定。該產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)成功用于燃煤電廠煙氣脫硝微量逃逸氨的監(jiān)測。

注意事項(xiàng)

抽取熱濕法激光分析微量氨的取樣中，煙氣微量氨與取樣探頭及管道、濾芯材料等有可能會發(fā)生接觸反應(yīng)及吸附，會影響氨檢測的準(zhǔn)確性，氨監(jiān)測示值可能偏小，通常為系統(tǒng)誤差。美國熱電17i煙氣化學(xué)發(fā)光分析測量微量氨的采樣探頭，采用鉻鎳鐵合金（Inconel合金），在高溫320~400℃工作，可有效減少微量氨的接觸吸附反應(yīng)。

間接催化劑還原-化學(xué)發(fā)光檢測技術(shù)

高溫催化轉(zhuǎn)化探頭-化學(xué)發(fā)光法

日本堀場ENDA-C2000采用間接催化劑還原-化學(xué)發(fā)光法NH3分析技術(shù)，其原理是在樣品取樣探頭上設(shè)置催化劑通道及非催化劑通道，催化劑通道的反應(yīng)器將樣品中的NH3定量還原，再通過化學(xué)發(fā)光法NOX分析儀測定兩個(gè)通道的NOX濃度差值，即可計(jì)算出微量NH3濃度值。其中非催化劑通道測量NOX，還原催化劑通道測量（NOX-NH3）。催化還原的化學(xué)反應(yīng)與脫硝原理相同：4NO＋4NH3＋O2＝4N2＋6H2。ENDA-C2000帶反吹的加熱取樣探頭結(jié)構(gòu)參見圖10。

取樣探頭的前處理裝置，將樣品氣溫度設(shè)定在350℃，并采用過濾加反吹系統(tǒng)，有效提高取樣探頭的耐久性。日本堀場ENDA-C2000采用交替流動調(diào)制方式-化學(xué)發(fā)光法，利用非催化劑通道和催化劑通道的NOx濃度差通過交替流動調(diào)制方式，只使用一個(gè)化學(xué)發(fā)光分析儀檢測，再通過計(jì)算獲取NH3濃度。其測量范圍為0~10×10-6 NH3/NOx。

稀釋抽取法加高溫轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化-化學(xué)發(fā)光檢測技術(shù)

美國熱電的17i化學(xué)發(fā)光法分析煙氣微量氨是采用稀釋抽取法加間接催化轉(zhuǎn)換-化學(xué)發(fā)光法測量；樣品進(jìn)入系統(tǒng)后分為三路，一路經(jīng)過750℃的不銹鋼轉(zhuǎn)換爐，將煙氣中的NO2 、NH3都轉(zhuǎn)化成NO，進(jìn)入分析儀測得總氮（NT）濃度；一路經(jīng)過除氨器后，進(jìn)入分析儀測得不含氨的樣氣，其中分一路進(jìn)入325℃的轉(zhuǎn)化爐，把NO2還原成NO，由分析儀測得NOX的濃度；另分一路不經(jīng)轉(zhuǎn)化爐，進(jìn)入分析儀，測得NO濃度；最終計(jì)算出氨逃逸量：NH3=NT-NOX。稀釋法間接催化轉(zhuǎn)換-化學(xué)發(fā)光測量的優(yōu)點(diǎn)是：采樣量小，僅20~50mL/min，維護(hù)量小，采用17i化學(xué)發(fā)光法煙氣分析儀的最低檢測限可達(dá)0.1×10-9。

上述測量方法用于脫硝后檢測微量氨的同時(shí)，也可檢測脫硝后的氮氧化物；因此該技術(shù)適用于測量脫硝出口煙氣的逃逸氨及NO、NO2 、NOX。采用間接法測量微量氨，存在NH3的催化還原效率問題，要求轉(zhuǎn)化率應(yīng)≥98%，催化效率降低會影響檢測微量氨的準(zhǔn)確性。

傅里葉變換紅外光譜監(jiān)測技術(shù)

傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）是一種多組分分析技術(shù)，采用抽取熱濕法傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）不僅可測量微量NH3，同時(shí)還可檢測脫硝后的NO、NO2，及其他組分：SO2、SO3、HCL、HF、H2O等。FT-IR由高溫取樣、樣品處理、傅立葉變換紅外光譜儀和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等部分組成。

取樣處理，由高溫取樣探頭、電加熱樣品輸送管線及樣品處理單元等組成。樣品處理單元包括：高溫泵、高溫切換閥、二次過濾器和流量計(jì)，所有部件均安裝在恒溫180℃的機(jī)箱內(nèi)。其中，高溫采樣泵從煙道中抽取煙氣，煙氣經(jīng)二次過濾器再過濾，除去超細(xì)煙塵，流量計(jì)對煙氣流量進(jìn)行監(jiān)測。

傅立葉變換紅外光譜儀，主要由寬帶紅外光源、干涉儀、加熱樣品池、檢測器和計(jì)算機(jī)控制單元組成。

FT-IR的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，包括專用的光譜測量軟件，是指樣品光譜的數(shù)據(jù)采集，并通過對照專用軟件的光譜庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提供煙氣分析的測量結(jié)果。脫硝后的煙氣組分中，NO與NO2的比例是隨脫硝觸媒的工況條件變化，有的甚至高達(dá)1:1。因此，采用FT-IR用于脫硝后煙氣的全分析，不僅可以準(zhǔn)確測量微量氨，還可以準(zhǔn)確測定脫硝后煙氣中NOX的各個(gè)組分。

由于FT-IR價(jià)格較貴，目前在脫硝工藝中采用FT-IR技術(shù)測量脫硝逃逸氨的應(yīng)用還很少，大多應(yīng)用在垃圾焚燒爐煙氣的多組分檢測。

結(jié)束語

流程工業(yè)燃煤鍋爐、工業(yè)窯爐等固定污染源煙氣脫硝出口的氨逃逸量監(jiān)測，要求抗干擾、檢測靈敏度高，其主流監(jiān)測方法是原位法激光測量法，或抽取熱濕法激光測量法。在國外，原位激光法已大量應(yīng)用于逃逸氨監(jiān)測；國內(nèi)由于工況條件惡劣，在某些現(xiàn)場原位法激光測量存在一些難題；因此，國內(nèi)抽取熱濕法激光測量在逃逸氨監(jiān)測中已很快得到推廣應(yīng)用。

氨的監(jiān)測可以采用紫外或紅外分析法，氨逃逸檢測中，主要考慮因素是存在工況條件惡劣、被測組分嚴(yán)重干擾（如水分等）、檢測靈敏度不夠高等問題，不適宜用于脫硝煙氣中幾個(gè)mg/m3的微量氨監(jiān)測；傅里葉變換紅外分析法可適用于脫硝出口煙氣的全組份（包含：NO、NO2、NH3、、SO2、SO3、H2O）分析；間接法測量微量氨的化學(xué)發(fā)光法可用于分析脫硝出口煙氣中NO、NO2、NH3等；但是，從性價(jià)比分析，這兩種方法很少專用于煙氣脫硝逃逸氨的監(jiān)測。