引言

基于可調(diào)二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)的激光光譜氣體分析系統(tǒng)已經(jīng)迅速應(yīng)用到對(duì)于靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、背景氣體免干擾等有較高要求的各種氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。TDLAS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的原地測(cè)量，避免了氣體抽樣測(cè)量帶來(lái)的一些問(wèn)題。Unisearch公司基于近紅外可調(diào)諧二極管技術(shù)開發(fā)了LasIR^TM氣體分析系統(tǒng)，整套系統(tǒng)耐用且易于安裝，LasIR^TM氣體分析系統(tǒng)特別適用于眾多工業(yè)領(lǐng)域氣體排放監(jiān)測(cè)和過(guò)程控制，例如：燃煤發(fā)電廠、鋁廠、鋼鐵廠、冶煉廠、核電站、垃圾發(fā)電站、水泥廠和化工廠等等，本篇論文闡述了部分行業(yè)的氣體監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

一套基本的LasIRTM氣體分析系統(tǒng)配置包括一個(gè)內(nèi)置可調(diào)諧激光源的分析儀、光學(xué)發(fā)射端、光學(xué)接收端?？烧{(diào)諧二極管激光器被調(diào)諧發(fā)射出特定氣體吸收線的激光，光束穿過(guò)被測(cè)氣體，由于被測(cè)氣體的吸收引起光強(qiáng)的衰減，通過(guò)檢測(cè)器檢測(cè)光強(qiáng)信號(hào)計(jì)算出氣體濃度。除氣體濃度之外，其他的一些參數(shù)，例如：氣體溫度、氣體壓力等也可以通過(guò)檢測(cè)透射光光強(qiáng)的變化來(lái)加以測(cè)定。TDLAS技術(shù)相對(duì)與其他氣體測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其快速的響應(yīng)時(shí)間、極低的檢測(cè)下限（可達(dá)ppb級(jí)）及完全不存在其他氣體分子的交叉干擾。

過(guò)去的20多年，由燃燒排放氣體引起的溫室氣體（greenhouse gases ，GHG)已成為最被關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。礦物燃料燃燒排放的氮氧化物（NOX）已經(jīng)成為大氣中氮氧化物污染物的主要來(lái)源。由于NOX會(huì)引起地面臭氧和酸雨的形成，因此其排放已經(jīng)開始被加以控制。后燃（post combustion） NOX控制技術(shù)的基本原理是通過(guò)注入氨與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)生成N2和水。但是過(guò)量的注入氨并不能進(jìn)一步降低NOX排放濃度，相反會(huì)導(dǎo)致過(guò)量的氨氣逃逸出反應(yīng)區(qū)，逃逸的氨氣會(huì)與工藝生產(chǎn)流程中硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成硫酸銨，銨鹽沉淀附著在下游設(shè)備的表面，造成了設(shè)備腐蝕，使得維護(hù)費(fèi)用和工作量顯著增加。為使氨逃逸量維持在一個(gè)最低水平線上，須做到以下兩點(diǎn)：一是要對(duì)氨注入的工藝程序進(jìn)行良好的控制，二是要做到在反應(yīng)區(qū)下游精確地、迅速地、連續(xù)地監(jiān)測(cè)到氨逃逸量。連續(xù)、實(shí)時(shí)的對(duì)氨逃逸量進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以瞬間為氨注入系統(tǒng)提供一個(gè)反饋，以此優(yōu)化氨注入系統(tǒng)的運(yùn)行。我們?cè)谶@里報(bào)告的是一些使用LasIRTM氣體分析系統(tǒng)的燃煤電廠獲得的NH3逃逸數(shù)據(jù)，LasIRTM氣體分析系統(tǒng)在過(guò)去已經(jīng)成功的應(yīng)用到燃煤和燃?xì)怆姀S脫除氮氧化物工藝中1,2,3。

LasIR^TM系統(tǒng)

LasIR^TM系統(tǒng)包括內(nèi)置可調(diào)諧激光器的分析儀、發(fā)射激光光束并穿過(guò)被測(cè)介質(zhì)的光學(xué)發(fā)射端、安裝在被測(cè)介質(zhì)另一端接收透射光的接收端。分析控制器（分析儀）自身可以安置在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1km之外的控制室內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)傳感系統(tǒng)與分析控制器之間通過(guò)光纖和同軸電纜連接，測(cè)量的數(shù)據(jù)被保存在LasIRTM系統(tǒng)的分析控制器內(nèi)的閃存卡或外部電腦上，外部電腦通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)口或RS232端口與分析控制器連接，數(shù)據(jù)信息也可以傳送到企業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

LasIR^TM系統(tǒng)的定量分析是以Beer-Lambert定律為基礎(chǔ)，Beer-Lambert定律指出了光吸收與光穿過(guò)被檢測(cè)的物質(zhì)之間的關(guān)系，當(dāng)一束頻率為V的光束穿過(guò)吸收物質(zhì)后，在其穿過(guò)的光徑上的光強(qiáng)變化為：

使用TDLAS技術(shù)測(cè)量的氣體濃度實(shí)際上是光束在穿過(guò)的區(qū)域上測(cè)得的平均濃度，LasIR^TM系統(tǒng)的原地測(cè)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于使用采樣探頭在煙道/管道一個(gè)點(diǎn)上抽取測(cè)量的方式，尤其是在氣體濃度呈梯度性變化或非均勻分布存在時(shí)，通過(guò)原地測(cè)量光徑上的氣體濃度平均值則更好的代表了過(guò)程氣體的一個(gè)整體濃度值。

在分析控制器內(nèi)部，光纖耦合激光器通過(guò)光多路器可以實(shí)現(xiàn)氣體的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)， LasIR^TM系統(tǒng)能夠做到使用單臺(tái)分析控制器同時(shí)做1~16個(gè)不同點(diǎn)的同步監(jiān)測(cè)，另外，在激光器可調(diào)諧范圍之內(nèi)，當(dāng)不同的氣體吸收譜線非常接近時(shí)，一臺(tái)分析控制器也可以對(duì)多種氣體進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)。無(wú)電源要求的光學(xué)傳感單元能非常容易的滿足有防爆要求的檢測(cè)場(chǎng)合（可以配置發(fā)射端和接受端都使用光纖傳輸）。

2010年，Unisearch公司開發(fā)了新一代LasIR^TM-R氣體分析系統(tǒng)，LasIRTM-R符合歐盟RoHS認(rèn)證，有機(jī)架安裝式和臺(tái)式兩種形式的分析控制器。Unisearch公司開發(fā)的這些高性價(jià)比氣體分析系統(tǒng)不僅體積緊湊、結(jié)實(shí)耐用，而且能夠提供從便攜的單通道氣體分析儀到能同時(shí)監(jiān)測(cè)多達(dá)16不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及某些多氣體組分的全系列產(chǎn)品。對(duì)于多通道來(lái)說(shuō)，各個(gè)通道的控制相互之間都是獨(dú)立的，因此，單臺(tái)多通道分析控制器能同時(shí)對(duì)管道/煙道、長(zhǎng)光程環(huán)境空氣、抽取池樣品等不同濃度級(jí)別的氣體進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，這些光學(xué)傳感單元可以在一個(gè)分析系統(tǒng)中任意組合，各個(gè)通道非常大的濃度差別都不存在相互的干擾，LasIRTM系統(tǒng)可能的配置如下圖1所示。LasIRTM系統(tǒng)還有一款光學(xué)部件和電子部件一體式設(shè)計(jì)的便攜式氣體分析儀，其輕便（小于5kg）而節(jié)能（功率小于20W），可以安裝在一個(gè)三腳架上使用，如使用多反射鏡陣列，可以在光徑長(zhǎng)達(dá)幾百米的開放式環(huán)境中對(duì)不同氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1. LasIRTM系統(tǒng)分析控制器與各種光學(xué)傳感單元通過(guò)光纖與同軸電纜連接的配置示意圖

LasIR^TM系統(tǒng)包含了適當(dāng)?shù)挠布蛙浖?，是無(wú)需校正的系統(tǒng)，所以在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需使用標(biāo)氣瓶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。為了某些用戶儀器管理規(guī)程的需要，我們可以提供手持式小巧的考核模塊，當(dāng)需要時(shí)，用戶可以使用這個(gè)考核模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)（分析控制器和光學(xué)傳感單元）進(jìn)行考核，也可以使用自動(dòng)考核功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)考核，自動(dòng)考核的結(jié)果將被保存并顯示在屏幕上。系統(tǒng)考核有兩種選擇，一是在光路上通入濃度已知的氣體進(jìn)行考核，二是使用我們可選的考核模塊進(jìn)行在線（inline ）或離線（offline）考核。LasIRTM系統(tǒng)快速、實(shí)時(shí)原地對(duì)氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)線性達(dá)到動(dòng)態(tài)5級(jí)（105 ，即ppm級(jí)到%級(jí)），是真正適合于各種不同工業(yè)氣體監(jiān)測(cè)的氣體分析系統(tǒng)。

燃煤發(fā)電廠的氨逃逸監(jiān)測(cè)

在大規(guī)模燃燒礦物燃料的領(lǐng)域，例如燃煤發(fā)電廠，都安裝了前燃（pre-combustion）或后燃（post combustion） NOX控制技術(shù)的脫硝裝置，后燃NOX控制技術(shù)可以是選擇性催化還原法(SCR)也可以是選擇性非催化還原法(SNCR)，但是無(wú)論應(yīng)用哪種方法，基本原理都是一樣的，即都是通過(guò)往反應(yīng)器內(nèi)注入氨與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生水和N2。注入的氨可以直接以NH3的形式，也可以先通過(guò)尿素分解釋放得到NH3再注入的形式，無(wú)論何種形式，控制好氨的注入總量和氨在反應(yīng)區(qū)的空間分布便可以最大化的降低NOX排放。氨注入的過(guò)少，就會(huì)降低還原轉(zhuǎn)化效率，氨注入的過(guò)量，不但不能減少NOX排放，反而因?yàn)檫^(guò)量的氨導(dǎo)致NH3逃逸出反應(yīng)區(qū)，逃逸的NH3會(huì)與工藝流程中產(chǎn)生的硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成硫酸銨鹽，且主要都是重硫酸銨鹽。銨鹽會(huì)在鍋爐尾部煙道下游固體部件表面上沉淀，例如沉淀在空氣預(yù)熱器扇面上，會(huì)造成嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕，并因此帶來(lái)昂貴的維護(hù)費(fèi)用。在反應(yīng)區(qū)注入的氨分布情況與NO和NO2的分布不匹配時(shí)也會(huì)出現(xiàn)氨逃逸現(xiàn)象，高氨量逃逸的情況伴隨著NOX轉(zhuǎn)化效率降低是一種非常糟糕的現(xiàn)象和很嚴(yán)重的問(wèn)題。

通過(guò)以上分析可以得出這樣一個(gè)結(jié)論，我們需要在最低的氨逃逸率水平下去降低氮氧化物的排放水平。在工業(yè)領(lǐng)域，越來(lái)越多的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠連續(xù)地、精確地、即時(shí)地監(jiān)測(cè)NH3,NO,NO2,CO,CO2,O2等與礦物燃料燃燒密切相關(guān)的氣體，基于光譜學(xué)技術(shù)如可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)已經(jīng)在很多燃燒礦物燃料的發(fā)電廠或其他工業(yè)燃燒領(lǐng)域被用于監(jiān)測(cè)以上提到的氣體濃度1,2,3,4,5。

圖2顯示了LasIRTM系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的燃煤發(fā)電廠因注入尿素過(guò)多而導(dǎo)致的氨逃逸現(xiàn)象出現(xiàn)的趨勢(shì)圖。這里使用了一臺(tái)分析控制器同時(shí)監(jiān)測(cè)氨氣（藍(lán)色曲線）和水汽（紫色曲線）的濃度值，趨勢(shì)圖上端的紅色曲線顯示的是光束從管道一端發(fā)射到管道另一端的透射光強(qiáng)，兩端距離大約是6米，氣體溫度是~350oC，測(cè)量間隔時(shí)間大約是10秒。周期性（大約每4分鐘）的煤灰進(jìn)入使透射光強(qiáng)減弱，檢測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度顯著降低（見圖上端紅色曲線），但是這并不影響對(duì)氨氣的監(jiān)測(cè)，在整個(gè)過(guò)程中水汽的濃度相對(duì)穩(wěn)定的停留在9.4%左右。

圖2. 燃煤發(fā)電廠過(guò)量注入尿素導(dǎo)致氨逃逸（藍(lán)色曲線）及同時(shí)檢測(cè)的水汽（紫色）含量曲線

圖3顯示在24小時(shí)里L(fēng)asIRTM系統(tǒng)對(duì)氨逃逸的一組長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)曲線數(shù)據(jù)圖，可以有效的為過(guò)程監(jiān)控提供一個(gè)的反饋信息。

圖3包括了氨氣逃逸、尿素注入、NOX排放及鍋爐總負(fù)荷的曲線走勢(shì)。顯示了隨鍋爐負(fù)荷改變而變化的相應(yīng)參數(shù)信息。當(dāng)大約在11:00am鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)（負(fù)荷增加），尿素注射量也隨之增加，結(jié)果出現(xiàn)了兩次氨逃逸的峰值：在第一次峰值出現(xiàn)時(shí)，NOX排放維持在一個(gè)低水平，這與當(dāng)初預(yù)計(jì)NOX排放會(huì)隨鍋爐負(fù)荷的增加而增加是不同的，峰值之后的氨逃逸量變化與NOX排放量變化趨勢(shì)出現(xiàn)了相一致情況；第二次氨逃逸峰值出現(xiàn)與NOX排放量增加是完全趨勢(shì)一致的，這兩個(gè)峰值的情況似乎與負(fù)載的一個(gè)小平穩(wěn)期有關(guān)。當(dāng)鍋爐負(fù)荷再次降低時(shí)，類似的氨逃逸峰值出現(xiàn)在大約23:00，其他的峰值如在0:00，02:00和08:00，這些氨逃逸量的波動(dòng)與尿素注入率都存在相互關(guān)聯(lián)性?？偟膩?lái)說(shuō)，在鍋爐低負(fù)荷期間，過(guò)量注入尿素導(dǎo)致了氨逃逸量的增加。

結(jié)論

基于可調(diào)諧二極管激光技術(shù)的LasIRTM氣體分析系統(tǒng)，作為一種可以原地對(duì)煙氣排放和工藝流程氣體監(jiān)測(cè)的測(cè)量工具，已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)在測(cè)量目標(biāo)氣體濃度時(shí)完全不受背景氣體的交叉干擾，具有極快的響應(yīng)時(shí)間，精準(zhǔn)的讀數(shù)。LasIRTM氣體分析系統(tǒng)特別適用于工藝流程中的過(guò)程控制，其體積小巧、無(wú)需校準(zhǔn)、堅(jiān)固而耐用、幾乎不需要任何的維護(hù)，安裝和操作都非常簡(jiǎn)單便捷。通過(guò)光纖連接可以把分析控制器安置在一個(gè)適宜的環(huán)境區(qū)域，遠(yuǎn)離實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。此外，光學(xué)多路技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)分析控制器同時(shí)對(duì)數(shù)個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因而整套系統(tǒng)的性價(jià)比非常高，全光纖系統(tǒng)可以滿足在防爆區(qū)的氣體監(jiān)測(cè)要求。LasIRTM氣體分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)被用做對(duì)各種與工藝生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行控制和優(yōu)化，從而提高了能源的使用效率、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間、改善了產(chǎn)品的質(zhì)量。

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