燃煤電廠脫硝過程中逃逸氨激光檢測

王 芳， 付作偉， 閆寶全， 邵 欣

(1.內蒙古阿拉善生態環境監測站，內蒙古 阿拉善盟 750306；2.中創精儀( 天津) 科技有限公司，天津 300301；3.天津中德應用技術大學，天津 300350)

引 言

研究表明，大氣中的氮氧化物(NOx)有助于形成酸雨、光化學煙霧和破壞臭氧層，它們對環境極為有害。燃煤電廠的高溫燃燒過程是NOx產生的重要來源之一。為了減少燃煤電廠在燃燒過程中釋放氮氧化物(NOx)等污染物，已經開發了幾種不同的NOx還原方法(脫硝工藝)，其中，最常見的脫硝工藝為選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術。在這個技術中對噴氨量、噴氨時間以及噴氨速度嚴格控制對于脫硝效率有著決定性的影響。因此，實時監測煙氣中逃逸NH3濃度、H2O濃度以及溫度是十分必要的[1]。

可調諧二極管激光吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)具有高靈敏度和短響應時間等優點，已經被廣泛應用于燃煤電廠脫硝氨逃逸的檢測。Webber等[2]利用1.5 μm外腔二極管激光傳感器，在2.4 m光程和465 K溫度下測得NH3的最低檢測限為22×10-6；然而，在高溫和低NH3濃度環境下，CO2和H2O的躍遷對吸收光譜的干擾明顯升高，傳感器的性能也隨之降低。Chuanliang Li等[3]利用1.53 μm的分布反饋二極管激光器，在15 m光程和415 K溫度下測得NH3的最低檢測限為0.16×10-6，然而該傳感器在實際測量過程中需加熱到一定溫度以上，否則將出現氨吸附的情況，從而影響測量的準確性。Stritzke等[4-5]利用2.20 μmDFB激光傳感器，在138 mm光程和800 K溫度下測得NH3的檢測限為50×10-6～70×10-6；之后，經過改進，在247 mm光程和高于800 K溫度下測得NH3的檢測限為10×10-6，然而，當待測氣體濃度過低時， H2O和CO2會對該傳感器造成強烈干擾導致測量失效。Chao等[6]利用2.25 μmDFB激光傳感器，在3.58 m光程和620 K溫度下測得NH3的最低檢測限為15×10-6；實現了乙烯-空氣燃燒器尾氣中NH3和NO濃度的同時檢測，然而，該波段中碳氫化合物中C-H鍵的光譜干擾會明顯降低傳感器的性能。Miller等[7]利用9.06 μmQCL開放式激光傳感器，在30 m～60 m光程下測得大氣中NH3的最低檢測限為0.15×10-9；但該波段內極易受到溫度波動和其他NH3譜線的干擾，故不適合用于工業領域。Peng W Y等[8]采用基于10.6 μm量子級聯激光器(QCL)的直接吸收光譜方案，在1.79 m光程和600 K溫度下測得NH3的最低檢測限為2.815×10-6；該研究在不犧牲信噪比的情況下降低了H2O和CO2的干擾，對NH3的檢測靈敏度比較高，但是中紅外QCL方案成本很高。

根據市場上激光傳感器系統的測量種類可知，便攜式脫硝氨逃逸激光檢測儀正在向小型化、多組分、多參量同時檢測的方向發展，為滿足燃煤電廠脫硝過程檢測的實際需求，本文基于單個近紅外的DFB激光器和波長調制光譜(WMS)技術，開發了一種小型化便攜式的激光檢測儀，實現逃逸氨濃度、水蒸氣濃度以及溫度的同時測量。并通過對該傳感器進行實地檢測，驗證了系統的有效性和可靠性。

1 方法

1.1 WMS-2f/1f

目前，WMS技術在TDLAS激光檢測系統被廣泛采用，當掃描波長被頻率為fm的高頻調制信號調制時，激光器同時產生頻率調制(FM)與強度調制(IM)6，如式(1)和式(2)所示[9]。

v(t)=v0+mcos(aπfmt)

(1)

(2)

根據朗伯-比爾定律[10]，對于光學薄的情況下[吸光度α(v)<0.05]，利用級數展開對透射率τ(v)進行近似描述，如式(3)所示。

τ(v)=exp[-α(v)]≈1-α(v)

=1-S(T)·P·χabs·L·φ(v)

(3)

吸光度α(v)傅立葉形式的改寫表達式如式(4)所示。

(4)

其中，Hk(v0,m)分別為調制后的各項傅里葉系數。

WMS中可利用鎖相放大器同時檢測一次諧波(1f)信號和二次諧波(2f)，并使用1f對2f信號進行歸一化處理，得到2f吸收信號峰值與1f吸收信號平均中值的比值Z2f / 1f，如式(5)所示。

由式(5)可以得出，WMS-2f/1f信號可以降低激光強度漂移和共模噪聲以及無吸收損耗，可以提高激光的穩定性。當激光器通過波數校正得到參數i0、ψ1后，通過檢測到的吸收信號與仿真信號進行多譜線擬合，即可得到待測氣體的濃度和溫度，實現無標測量。

1.2 WMS-2f/1f雙線測溫

WMS雙線測溫法[11]測量同一氣體的兩條吸收譜線，兩條譜線的WMS-2f/1f信號峰高之比為溫度的唯一單調單值函數，通過兩條譜線的峰高比即可推斷出所測氣體的溫度。由于兩條WMS-2f/1f吸收譜線測量的是在同一壓力、同一摩爾分數的氣體，并且是在同一個光程下測得的，因此WMS-2f/1f信號峰高的比值R2f/1f可以由式(6)來表示。

當調制深度a取合適值使得兩條譜線的調制指數m≤2.2[12]時，式(6)中的積分項近似相等，測得的信號峰高比在較大的溫度范圍內都可以簡化為線強之比，即有式(7)。

(7)

其中，線性調制幅度i01和i02可以提前測量。因此，由測量的標準化的峰高比結合事先得到的線強溫度函數就可以直接推算出待測溫度。

1.3 譜線選擇與分析

選擇近紅外吸收譜線波段6610.5 cm-1～6613.5 cm-1為目標測量譜段，如第51頁圖1所示，在該波段內，有4條H2O的譜線和豐富的NH3吸收譜線，單個近紅外的DFB激光器可以很好地覆蓋這些譜線。由吸光度表明，這些躍遷足夠強，可以同時檢測脫硝過程中的逃逸氨和水蒸氣。而且在同等條件下CO、CO2、NO等氣體在該波段內比NH3和H2O吸收線強低4個數量級，對測量的干擾可忽略不計。

1.4 氣體濃度反演算法

選擇NH3的吸收譜線以及H2O的第一條和第三條譜線的調制幅度，使其調制指數m都為2.2。同時采集到解調后的WMS-2f和1f信號，根據式(7)將H2O的兩條譜線的WMS-2f和1f信號進行處理，測量出線強之比從而得到溫度T，然后根據所得到的溫度仿真出H2O和NH3在對應溫度和壓強下的WMS-2f/1f吸收信號，利用LM算法將測量得到H2O和NH3的WMS-2f/1f曲線與之進行最小二乘線性擬合，可得到H2O和NH3濃度，具體流程如第51頁圖2所示。

圖1 吸收光譜及線強(數據來源：HITRAN)

圖2 多譜線擬合算法流程圖

2 激光檢測儀系統構成

便攜式激光檢測儀分為主機和探槍兩部分。主機部分包括一個DFB半導體激光器、激光驅動電路、鎖相放大器、嵌入式處理器等模塊，探槍包括光電探測器、光纖準直器和多光程氣體池[13]。傳感器總體方案設計原理如圖3所示。

圖3 傳感器總體方案設計原理圖

本激光檢測儀工作的具體流程為：首先將探槍插入待測的SCR反應器后面的煙道測孔中。然后通過氣泵將煙道內的煙氣抽入到氣室內，經過一段時間的沖洗和預熱后，可以通過鎖相放大模塊檢測到待測氣體吸收信號的波形并對其進行波長調制，將調制后的信號輸送給激光驅動模塊，然后和溫度控制模塊一起驅動激光器將電流信號轉化為所需要的光信號；將得到的光信號經過光纖準直器輸入到多光程氣體池的氣室內，經過多次反射后通過光電探測器進行檢測并將其轉換為電信號，然后通過鎖相放大模塊進行解調，最后將解調后的信號輸入到嵌入式處理器進行采集和處理后即可得到煙道內逃逸氨和水蒸汽的濃度還有煙道內的溫度[15-18]。

3 現場測試

在某燃煤電廠進行實地現場測量以驗證該傳感器的性能。在現場測量時，首先調整好采樣系統的光路部分，并將探槍外接2 m的延長桿之后通過SCR反應器后面煙道的預留測孔插入測點中，如圖4所示，連接好線路后開啟采樣氣泵，將煙道內的煙氣抽入到氣室內，約10 min后，待氣室內壁的溫度達到穩定時，開始測量NH3濃度、溫度、H2O濃度等物理量[19-20]。

圖4 便攜式激光檢測儀在燃煤電廠脫硝現場測量安裝示意圖

實驗過程中采集的原始數據如圖5所示，在一個鋸齒掃描周期內同時覆蓋了氨氣和水的3個吸收峰，對應的WMS-1f和2f信號分別如圖5a)和b)所示，將氨氣和水的吸收線分別提取出來，并按照第二節中的理論進行處理得到WMS-2f/1f信號，按照圖2的算法進行處理，實測結果和仿真結果的擬合如第52頁圖6所示，二者具有相當好的一致性，按照算法處理之后得到氨氣和水蒸氣的濃度以及溫度值，并輸出在顯示屏截面顯示，如第52頁圖7所示。

圖5 實測WMS-1f信號a)和WMS-2f信號b)

圖6 水和氨氣的WMS-2f/1f信號的測量信號與仿真信號的擬合結果

圖7 激光逃逸氨檢測儀的顯示界面

根據圖2的算法流程反演H2O濃度和溫度，通過對譜線進行解析可得，實際測量環境中的溫度為426.1 K，水蒸氣質量分數為7%。然后通過線性最小二乘法對該氨氣吸收譜線進行反演，得到氨氣質量分數2.78×10-6[21-23]。通過對現場連續的數據進行再分析，記錄典型的8次NH3濃度、溫度和H2O濃度測量參數的變化情況，如表1所示。

將上述現場測量結果與燃煤電廠在線式激光傳感器的測量結果進行實時對比，在同一時刻，氨氣濃度、水蒸氣濃度和溫度的最大測量偏差分別為2.5%、5.2%和15%。該結果證明本便攜式傳感器系統在燃煤電廠脫硝過程中對NH3濃度、溫度、H2O濃度的測量誤差在允許范圍內，可用于現場應用。

表1 現場測量中8次測量結果

4 結語

本文基于可調諧激光吸收光譜技術，采用WMS技術，利用近紅外DFB激光器開發了一套低成本的激光檢測儀，通過將多譜線擬合算法與LM算法相結合，根據吸收譜線擬合得到了氣體的溫度和水蒸氣濃度，并將WMS-2f/1f技術和線性最小二乘法相結合實現了對NH3濃度的無標測量。用于同時監測燃煤電廠脫硝尾氣中氨氣濃度、溫度和水蒸氣濃度。最后，對激光檢測儀應用于燃煤電廠脫硝尾氣的現場測試，得到NH3濃度、溫度和H2O濃度的最大測量偏差分別為2.5%、5.2%和15%。實驗結果表明，本激光傳感器系統能夠滿足燃煤電廠的惡劣工況下對于脫硝逃逸NH3的實時檢測要求。