CN102183616A - 微量氨浓度测量装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微量氨浓度测量装置及其应用。取样探头以等速湿式取样方式，抽气泵作用下抽取烟道中微小部分的待测氨含量烟气；抽取的待测烟气其中一部分直接进入O₂分析仪和NO_X分析仪测量O₂、NO_X浓度，另一部分先经过包含电加热器和催化剂的预处理模块，待测烟气中的全部微量氨与NO_X反应转化为N₂后，再进入NO_X分析仪测量NO_X浓度；数据采集分析系统根据输入的O₂浓度信号和预处理前后的NO_X浓度信号，转换并输出为烟气中NH₃的浓度信号。本发明通过测量烟气中与全部微量逃逸NH₃反应前后的NO_X浓度变化来换算得到氨浓度，由于增大了测量的标本量，所以提高了测量精度，并可测量包括铵盐在内的总氨含量。

Description

微量氨浓度测量装置及其应用

所属技术领域

本发明涉及一种微量氨浓度测量装置及其应用，尤其适用于环保领域中测量燃煤锅炉中烟气经氨法脱硫或者脱硝处理后的微量氨逃逸量的微量氨浓度测量装置及其应用。

背景技术

我国是以煤炭为主要能源供应的少数国家之一，燃煤过程中产生的SO₂、NO_X等大气污染物质成为危害我国大气环境的主要污染源。为了降低SO₂、NO_X的排放量，国内外涌现了多种脱硫脱硝技术，其中以NH₃基（如氨、尿素）为脱除剂的方法在脱硫、脱硝中均有很好的工程应用，比如：氨法烟气脱硫技术、以氨作还原剂的选择性催化还原（SCR）或选择性非催化还原（SNCR）烟气脱硝技术。

氨法烟气脱硫技术，是以氨(废氨水、液氨、碳铵或氨水等)为原料，回收烟气中的SO₂，生产高价值的化肥。但是该工艺存在两个主要问题：一是从氨水中挥发出来的氨气会随着烟气逃逸；二是氨法烟气脱硫过程易产生大量的气溶胶颗粒，气溶胶微粒主要由氨水挥发的气态NH₃与烟气中的SO₂发生气相反应生成，含(NH₄)₂SO₃、NH₄HSO₃、(NH₄)₂S₂O₅和(NH₄)₂SO₃·H₂O等组分，其中(NH₄)₂SO₃占主要部分。这些气溶胶依靠常规的喷淋和除雾是难以去除的，会随着烟气排到大气中去。

SCR和SNCR烟气脱硝技术的原理是一样的，即通过注入氨与烟气中的氮氧化物发生反应，产生水和N₂，注入的氨可以是直接以NH₃的形式，也可以是先通过尿素分解释放得到NH₃进而注入的形式。注入氨量过少，就会使还原转化效率降低，注入过量则不但不能减少NO_X排放，反而因为过量的氨导致NH₃逃逸出反应区。逃逸的NH₃会和烟气中的硫酸盐发生反应生成硫酸铵盐，其中主要是重硫酸铵盐。铵盐会在锅炉尾部烟道下游固体部件表面上沉淀，例如沉淀在空气预热器风扇上面，会造成严重的腐蚀，并带来昂贵的维护费用。

在氨法烟气脱硫和脱硝工程中，由于氨逃逸既造成了原料的损失，又带来了大气二次污染。因此，在满足脱除效果的情况下必须严格控制氨逃逸量，需要实时对该参数进行监测。净化工艺出口烟气中含有的NH₃逃逸量是重要的性能考核指标，在上述工艺中一般要求氨逃逸量小于3.0ppmv(干基，6%O₂)。

NH₃化学活性高，在样气输送过程中极易被“污染”，而且某些原理的分析仪并不能直接测量其浓度，需借助于转换器，经过复杂的变换过程才可分析。一旦转换存在偏差，测量结果必将受到影响，分析精度无法得到保障，尤其微量氨逃逸量检测难度更大。目前工程中测量氨浓度通常采用激光二极管气体分析仪，其直接监测工艺生产中的气体，以半导体激光器作为光源，并采用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）对信号进行调制。TDLAS技术将激光源所发光的波长调制等于混合气体中NH₃的特定吸收波长，当光透过后会产生吸收，依据比尔兰姆波特定律分析接收信号就可得到NH₃的浓度。但是在实际工程应用中，由于逃逸氨的浓度过低，产生的信号非常微弱；并且由于燃煤锅炉烟气中含有粉尘，并存在动态变化，粉尘对激光分析仪有遮挡会影响信号强度，甚至完全阻挡激光传输与接收，而且其动态变化会造成信号不稳定，不利于信号的检测。因此氨逃逸量往往测量不准确，而且激光气体分析仪只能测游离氨，无法测出铵盐中那部分NH₃含量，对于氨法脱硫工艺，该参数即使测量准确也不能完全反应真实的氨逃逸量。

发明内容

发明目的

为了克服现有技术不足，本发明的目的在于提供一种精准可靠的测量微量氨浓度的方法，氨逃逸的测量范围可以包括游离氨和铵盐。由于在上述工艺处理后的烟气中，NO_X含量远大于逃逸氨的浓度，并且如果NO_X和NH₃发生反应，二者的反应摩尔比是1：1。因此，在给予合适的反应条件下，使得烟气中的逃逸氨全部以气态NH₃存在，并进而全部与烟气中的NO_X发生反应，这样通过测量反应前后的NO_X浓度变化就可以间接得出烟气中的氨浓度。由于NO_X的浓度范围一般在100～200ppm，因此无论采用化学法还是光学法测量NO_X的浓度都能得到很高的精度，进而也能够保证逃逸氨的测量精度。

技术方案

一种微量氨浓度测量装置，包括取样探头、伴热取样管、标气瓶、抽气泵、预处理模块、O₂分析仪、NO_X分析仪、数据采集分析系统，其特征在于：

所述的取样探头分别与抽气泵的进气口管道连接、标气瓶通过管道连接；抽气泵的出气口分别与O₂分析仪进气口、预处理模块进气口管道连接；O₂分析仪出气口分别与NO_X分析仪进气口管道连接；O₂分析仪与数据采集分析系统信号连接；预处理模块出气口与NO_X分析仪进气口管道连接；NO_X分析仪与数据采集分析系统信号连接；其中所述的管道连接为伴热取样管；所述的预处理模块包括电加热器和催化剂。

所述的预处理模块含有的电加热器在待测烟气温度低于250℃，将待测烟气加热到250~420℃；当在待测烟气温度高于250℃时，所述电加热器则不工作。

预处理模块含有的催化剂为V₂O₅-WO₃/TiO_2，其适用温度为250~420℃，催化剂对于反应物为过量。

一种微量氨浓度测量装置的应用，其特征在于取样探头在抽气泵的作用下从烟道内采集样气，并在取样处滤除颗粒物；整个取样管路采用伴热，以保证采样过程中不发生NH₃损失；抽气泵的出口样气分为两路，一路直接进入O₂分析仪和NO_X分析仪，另外一路经过预处理模块处理后再进入NO_X分析仪；最后从O₂分析仪、NO_X分析仪输出的三路信号均输入数据采集分析系统，处理后输出数据；标气瓶内装有用于校准测量系统的标气；

所述O₂分析仪根据燃料池的工作原理测量净烟气中O₂浓度

，测量范围为0~25%；所述NO_X分析仪采用直接抽取式采样方法，非分散红外分析分别测量预处理前后净烟气中的NO_X浓度

，测量范围为0~500ppm；数据采集分析系统根据输入的、

、

信号，按如下关系式，计算并输出净烟气中NH₃的浓度信号：

其中

为净烟气中的氨浓度，PPmvd6%O₂；

为净烟气中的O₂浓度，%；

为净烟气中的NO_X浓度，PPm；为经预处理后净烟气中的NO_X浓度，PPm。

具体来说：本发明的微量氨浓度测量装置，包括取样探头、伴热取样管、抽气泵、预处理模块（包括电加热器和催化剂）、O₂分析仪、NO_X分析仪、数据采集分析系统。取样探头在抽气泵的作用下从烟道内采集样气，并在取样处滤除颗粒物；整个取样管路采用伴热，以保证采样过程中不发生NH₃损失；抽气泵的出口样气分为两路：一路直接进入O₂分析仪和NO_X分析仪；另外一路经过预处理模块处理后再进入NO_X分析仪；最后从O₂分析仪、NO_X分析仪输出的三路信号均输入数据采集分析系统，处理后输出数据。此外，该装置还配有标气瓶，内装标气，用于对测量系统进行校准。

所述预处理模块含有的电加热器在待测烟气温度较低时（一般是氨法脱硫工艺），将烟气加热到250~420℃，使其含有的铵盐全部分解为NH₃、SO₂和SO₃等物质；如果烟气温度满足要求，所述电加热器则不使用。

所述预处理模块含有的催化剂适用温度为250~420℃，对NH₃和NO_X反应有较好的选择性，催化剂用量远多于反应需求量，确保烟气中NH₃全部反应转化成N₂。

本发明的微量氨浓度测量步骤为：

(1)     微量氨浓度测量装置在测量前，可用标气瓶中标气先对测量系统进行校准；

(2)     取样探头在抽气泵的作用下以等速湿式取样方式，从烟道中抽取微小部分的待测烟气，并在取样处滤除颗粒物，整个取样管路采用伴热，以保证采样过程中不发生NH₃损失；

(3)     抽气泵的出口样气分为两路：一路直接进入O₂分析仪和NO_X分析仪测量O₂、NO_X浓度；另外一路经过预处理模块处理后再进入NO_X分析仪测量NO_X浓度；

(4)     在预处理模块中，沿待测烟气流动方向布置电加热器和催化剂，对待测烟气进行预处理：电加热器的作用是在待测烟气温度达不到合适的反应温度时对待测烟气快速加热，催化剂则保证烟气中的氨气全部与NO_X反应转化为N₂；

(5)     从O₂分析仪、NO_X分析仪输出的三路信号均输入数据采集分析系统，处理后输出烟气中NH₃的浓度信号。

有益效果

本发明通过测量烟气中与全部微量逃逸NH₃反应前后的NO_X浓度变化来换算NH₃浓度，避免了直接测量微量氨浓度，由于增大了测量的标本量，提高了测量精度和可信度；在氨法脱硫工艺中，微量氨浓度测量装置测量得到的氨浓度，不仅包括游离氨，还包括铵盐。

附图说明

图1是本发明测量微量氨浓度的装置示意图。

图1中主要标记的说明如下：1.烟道，2.取样探头，3.伴热取样管（见图中加粗部分），4.标气瓶，5.抽气泵，6.预处理模块（6₁.电加热器，6₂.催化剂），7.O₂分析仪，8.NO_X分析仪，9.数据采集分析系统。

具体实施方式

实例1

以测量氨法脱硫工艺出口净烟气中氨浓度为例，结合附图对本发明作详细说明。

从脱硫吸收塔尾部烟道1出来的净烟气温度为50℃，氨主要以NH₃、(NH₄)₂SO₃形式存在。微量氨浓度测量装置在测量前，先用标气瓶4中装有的组分为9ppmNH₃、150ppmNO、8%O₂，其余为N₂的标气对测量系统进行校准。测量时，取样探头2在抽气泵5的作用下以等速湿式取样方式，从所述烟道1中抽取微小部分的待测烟气，流量约为4L/min，并在取样处滤除颗粒物，整个取样管3采用伴热，以保证采样过程中不发生NH₃损失。所述抽气泵5的出口样气分为两路，其中一路50%净烟气直接进入O₂分析仪7和NO_X分析仪8测量其中的O₂、NO_X浓度；另一路50%净烟气进入预处理模块6，先由电加热器6₁加热，温度从50℃升到360℃，此时亚硫铵气溶胶几乎完全分解为NH₃、SO₂和H₂O，继续流过V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂6₂，NH₃与NO_X发生如下反应：

4NO + 4NH₃+ O₂

4N₂ + 6H₂O      

NO+ NO₂ + 2NH₃

2N₂ + 3H₂O            

由于净烟气中NO_X的含量远大于NH₃，而且催化剂用量远满足反应要求，使得NH₃全部反应生成N₂，所述预处理模块6出口处不含氨气的净烟气进入所述NO_X分析仪8测量其中NO_X浓度。所述O₂分析仪7根据燃料池的工作原理测量净烟气中O₂浓度，测量范围为0~25%。所述NO_X分析仪8采用直接抽取式采样方法，非分散红外分析分别测量预处理前后净烟气中的NO_X浓度

、

，测量范围为0~500ppm。数据采集分析系统9根据输入的

、

、

信号，按如下关系式，计算并输出净烟气中NH₃的浓度信号：

       

其中

为净烟气中的氨浓度，PPmvd6%O₂；

为净烟气中的O₂浓度，%；

为净烟气中的NO_X浓度，PPm；

为经预处理后净烟气中的NO_X浓度，PPm。

实例2

以测量SCR烟气脱硝工艺出口烟气中氨浓度为例，结合附图对本发明作详细说明。

脱硝反应器出口烟道1中净烟气温度为320℃，氨以NH₃形式存在。微量氨浓度测量装置在测量前，先用标气瓶4中装有的组分为5ppm NH₃、50ppm NO、4%O₂，其余为N₂的标气对测量系统进行校准。测量时取样探头2在抽气泵5的作用下以等速湿式取样方式，从所述烟道1中抽取微小部分的待测烟气，流量约为4L/min，并在取样处滤除颗粒物，整个取样管3采用伴热，以保证采样过程中不发生NH₃损失。所述抽气泵5的出口样气分为两路，其中一路50%净烟气直接进入O₂分析仪7和NO_X分析仪8，测量其中的O₂、NO_X浓度；另一路50%净烟气进入预处理模块6，流经V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂6₂，NH₃与NO_X按方程式1、2发生反应，NH₃全部转化为N₂，所述预处理模块6出口处不含氨气的净烟气进入所述NO_X分析仪8测量其中NO_X浓度。所述O₂分析仪7根据燃料池的工作原理测量净烟气中O₂浓度，测量范围为0~25%。所述NO_X分析仪8采用直接抽取式采样方法，非分散红外分析分别测量流经催化剂前后净烟气中的NO_X浓度

、

，测量范围为0~500ppm。数据采集分析系统9根据输入的

、

信号，按关系式3计算并输出净烟气中NH₃的浓度信号。

Claims (4)

1.一种微量氨浓度测量装置，包括取样探头、伴热取样管、标气瓶、抽气泵、预处理模块、O₂分析仪、NO_X分析仪、数据采集分析系统，其特征在于：

所述的取样探头分别与抽气泵的进气口管道连接、标气瓶通过管道连接；抽气泵的出气口分别与O₂分析仪进气口、预处理模块进气口管道连接；O₂分析仪出气口分别与NO_X分析仪进气口管道连接；O₂分析仪与数据采集分析系统信号连接；预处理模块出气口与NO_X分析仪进气口管道连接；NO_X分析仪与数据采集分析系统信号连接；其中所述的管道连接为伴热取样管；所述的预处理模块包括电加热器和催化剂。

2.根据权利要求1所述的微量氨浓度测量装置，其特征在于：所述的预处理模块含有的电加热器在待测烟气温度低于250℃，将待测烟气加热到250~420℃；当在待测烟气温度高于250℃时，所述电加热器则不工作。

3.根据权利要求1所述的微量氨浓度测量装置，其特征在于：预处理模块含有的催化剂为V₂O₅-WO₃/TiO_2，其适用温度为250~420℃，催化剂对于反应物为过量。

4.根据权利要求1所述一种微量氨浓度测量装置的应用，其特征在于取样探头在抽气泵的作用下从烟道内采集样气，并在取样处滤除颗粒物；整个取样管路采用伴热，以保证采样过程中不发生NH₃损失；抽气泵的出口样气分为两路，一路直接进入O₂分析仪和NO_X分析仪，另外一路经过预处理模块处理后再进入NO_X分析仪；最后从O₂分析仪、NO_X分析仪输出的三路信号均输入数据采集分析系统，处理后输出数据；标气瓶内装有用于校准测量系统的标气；

所述O₂分析仪根据燃料池的工作原理测量净烟气中O₂浓度，测量范围为0~25%；所述NO_X分析仪采用直接抽取式采样方法，非分散红外分析分别测量预处理前后净烟气中的NO_X浓度

、

，测量范围为0~500ppm；数据采集分析系统根据输入的

、、

信号，按如下关系式，计算并输出净烟气中NH₃的浓度信号：

       

其中

为净烟气中的氨浓度，PPmvd6%O₂；

为净烟气中的O₂浓度，%；

为净烟气中的NO_X浓度，PPm；

为经预处理后净烟气中的NO_X浓度，PPm。