煙氣在線檢測技術(shù)在脫硫脫硝中的應(yīng)用探討
近年來，霧霾已然成為了嚴(yán)重影響我國居民生產(chǎn)生活的“心肺之患”。燃煤是造成霧霾的主要原因，而我國50%的燃煤是用于發(fā)電，因此，要求電廠和大型燃煤工廠除塵、脫硫、脫硝也就成了環(huán)保部長期以來治理煙氣的主要發(fā)展方向。煙氣脫硫、脫硝工藝使空氣污染因子中具有毒性的二氧化硫、氮氧化物成分得以減少，無疑是積極的，也是必須的。這也是為什么國內(nèi)霧霾頻發(fā)，但并沒有像當(dāng)年的倫敦那樣發(fā)生毒霧奪萬人性命慘劇的原因所在。
典型電廠鍋爐煙氣處理流程是脫硝在前脫硫在后，脫硝后需要檢測如NO、NO2（通稱NOX，氮氧化物）、O2及NH3等；而脫硫前需要檢測SO2、SO3；O2、CO2；粉塵等。按照常規(guī)的做法就是在脫硝出口安裝一套CEMS，除塵器后進(jìn)脫硫塔前安裝一套CEMS，這樣做的好處是煙氣采樣數(shù)據(jù)上傳時間短，容易實(shí)現(xiàn)脫硝的自動控制。以尿素法、LIFAC工藝等半干法脫硫脫氮系統(tǒng)為例，其工藝是把堿性物質(zhì)(石灰石、氫氧化鈉、碳酸氫鈉等等)的溶液或尿素溶液噴入爐膛、煙道或噴霧洗滌塔內(nèi)進(jìn)行脫硫脫氮。這類系統(tǒng)的脫硫、脫硝效率就主要取決于煙氣中SO2和NOx的體積比、反應(yīng)溫度、吸收劑的粒度和停留時間。
在CEMS系統(tǒng)中，抽取法結(jié)合紅外氣體分析技術(shù)是主流，微流紅外技術(shù)則是紅外氣體分析技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的微音電容傳感器檢測紅外光聲信號的方法存在受水分干擾、工藝復(fù)雜、抗震性差等缺點(diǎn)；相較而言，微流紅外探測器具有工藝簡單、測量準(zhǔn)確、抗震性好等多種優(yōu)勢，目前在進(jìn)口紅外煙氣分析儀中普遍使用。值得一提的是，國內(nèi)也有銳意自控這種自主研發(fā)微流紅外氣體分析技術(shù)并將其運(yùn)用到煙氣分析儀的科技創(chuàng)新企業(yè)。
不同檢測傳感器的非分光紅外測量方法比較
在實(shí)際應(yīng)用中，解決好煙氣分析問題是脫硫、脫硝系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的保障。下文將結(jié)合銳意自控的紅外煙氣分析儀Gasboard-3000，介紹微流紅外技術(shù)在煙氣脫硫、脫硝效率監(jiān)測中應(yīng)用的挑戰(zhàn)及對策，并闡述經(jīng)過改進(jìn)的微流紅外傳感器在煙氣檢測中的主要技術(shù)優(yōu)勢。
紅外煙氣分析儀Gasboard-3000
1、消除溫度對傳感器信號的影響
環(huán)境溫度的變化對于紅外氣體分析儀檢測過程存在較大的影響，它將直接影響紅外光源的穩(wěn)定，影響紅外輻射的強(qiáng)度，影響測量氣室連續(xù)流動的氣樣密度。另一方面，為減少其他組分對SO2、NO的影響，紅外煙氣分析儀在微流紅外探測器的前端設(shè)有窄帶紅外濾光片，這種濾光片是一種多層的半導(dǎo)體鍍膜，溫度升高會使得濾光片朝長波方向偏移，從而進(jìn)一步影響SO2、NO的測量結(jié)果。特別是在北方晝夜溫差較大的地域，即使設(shè)備房安裝了空調(diào)，也會存在一定的溫差。大多數(shù)紅外煙氣分析儀往往采用溫度修正的方法，來解決因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致測量結(jié)果變化的問題，但這種方法只能解決部分問題，并不能完全消除由溫度變化所帶來的誤差。
不同溫度和氣體濃度下的SO2傳感器響應(yīng)曲線
不同溫度和氣體濃度下的NO傳感器響應(yīng)曲線
怎樣最大限度的消除溫度變化對測量結(jié)果帶來的影響呢？Gasboard-3000內(nèi)部設(shè)置有溫控裝置及超溫保護(hù)電路，通過對包括濾光片在內(nèi)的整個傳感器進(jìn)行整體55℃恒溫處理，同時配合窄溫度范圍溫度修正的方法，為微流紅外氣體傳感器設(shè)置了“雙重保險”：當(dāng)外部環(huán)境溫度變化時，由于傳感器處于恒溫裝置內(nèi)部，因此受溫度變化影響極；即使有一定的溫度波動，也可以通過溫度修正來減少溫度漂移，從而保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
2、消除水分對SO2、NO測量的影響
無論是半干法脫硫還是濕法脫硫，脫硫后的煙氣溫度都比較低且含有大量水分。水分是影響二氧化硫和氮氧化物測量的主要干擾物（參考H2O、SO2、NO紅外吸收光譜圖），水分干擾直接影響了儀器的測量精度。這也是為什么部分紅外氣體分析儀在實(shí)驗(yàn)室條件下使用標(biāo)準(zhǔn)氣檢定時合格，在工業(yè)現(xiàn)場測試卻達(dá)不到要求的原因。
H2O、SO2、NO紅外吸收光譜圖
通常CEMS系統(tǒng)取樣中采取冷干法脫除水分，以防止水分冷凝和水分干擾，但由于排放工況的變化和冷凝效率的原因，冷凝器的出口露點(diǎn)往往存在波動。在高濕低濃度條件下，水分的干擾往往超過了儀器本身的測量誤差，干擾誤差尤為明顯。
Gasboard-3000在傳統(tǒng)微流紅外傳感器的基礎(chǔ)上，增加了調(diào)水機(jī)構(gòu)。它通過將不同溫度下的飽和空氣依次通入紅外傳感器，通過調(diào)節(jié)調(diào)水機(jī)構(gòu)，使得含有非冷凝水的氣體與N2的信號一致。同時通過硬件調(diào)節(jié)及線性修正，來消除H2O（氣）對SO2、NOx的干擾。實(shí)驗(yàn)表明，通過該方法調(diào)節(jié)后的傳感器可以滿足各種水分含量條件下的水分干擾消除，干擾的程度可控制在5ppm以內(nèi)。
3、消除HC化合物對SO2測量的影響
除了水分干擾以外，碳?xì)浠衔锶缃够瘡S排放的氣態(tài)污染物中存在未燃盡的CH4、C2H6、C3H8等組分，也會對SO2的測量結(jié)果帶來很大干擾。如下圖所示，SO2的吸收峰波段為7.28～7.62μm，在該波段CH4的吸收干擾最大，其次是C3H8和C2H6。
SO2、CH4、C2H6、C3H8的吸收光譜對照圖
為減少HC對SO2測量的影響， Gasboard-3000在傳統(tǒng)的微流紅外傳感器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了帶CH4濾波氣室的SO2傳感器。實(shí)驗(yàn)表明，通入4000ppm的CH4，碳?xì)浠衔飳O2的干擾不超過4ppm。
帶CH4濾波氣室的SO2傳感器
隨著國家對大氣環(huán)境的重視以及人們對空氣質(zhì)量要求的提高,我國大氣污染治理行業(yè)逐步駛?cè)肟燔嚨。作為大氣綜合治理的關(guān)鍵設(shè)備，煙氣分析儀在工業(yè)煙囪廢氣監(jiān)測以及脫硫、脫硝系統(tǒng)的效率監(jiān)測中正發(fā)揮著不可或缺的監(jiān)督與控制作用，其應(yīng)用前景也日益廣闊。也隨著工業(yè)技術(shù)的不斷更新完善，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，CEMS系統(tǒng)集成化自動化程度越來越高，可以預(yù)見微流紅外技術(shù)將來必在環(huán)保領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
來源：微信公眾號@工業(yè)過程氣體監(jiān)測技術(shù)，轉(zhuǎn)載請務(wù)必注明出處。
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