本文簡要介紹了流程工業燃煤鍋爐、工業窯爐的煙氣脫硝工藝及脫硝微量氨逃逸監測應用的主要技術；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-化學發光分析、抽取熱濕法傅里葉變換紅外光譜分析等微量氨逃逸監測技術的應用進行了分析探討。

流程工業是節能減排的重點領域，特別是電力、鋼鐵、水泥、建材，以及石油化工的燃煤鍋爐、工業爐窯等固定污染源煙氣排放的二氧化硫、氮氧化物是重點控制對象。燃煤鍋爐及工業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生成氮和水。因此，脫硝反應過程中，要嚴格控制加氨量和監測煙氣中微量的逃逸氨。

煙氣脫硝微量氨逃逸監測技術

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反應使之轉化為N2的方法，以NH3作還原劑時，金屬氧化物（如：V2O5/MnO2等）是最常用的SCR工業催化劑。

該技術具有脫氮效率高（標準規定不低于80%，實際可達90%以上）、反應溫度較低（573~753K）、催化劑不含貴金屬、壽命長等優點，是目前被認為是最好的固定污染源煙氣脫硝技術，并已在燃煤電廠煙氣脫硝得到廣泛應用。SCR的基本反應過程是：

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

2NO2+4NH3=3N2+6H2O

SCR可能存在的問題如下：

氨泄漏，未反應的氨排出系統，造成二次污染。HJ562-2010《火電廠煙氣脫硝工程技術規范-選擇性催化還原法》標準規定：SCR法的氨逃逸量應控制在2.5mg/m3。

當燃用高硫煤時，煙氣中部分SO2將被氧化成SO3。標準規定SO2 /SO3的轉化率不大于1%。轉化的SO3以及煙氣中原有的SO3會與煙氣中的NH3進一步反應生成氨鹽（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℃區域，該還原劑迅速熱分解為NH3，并與NOX進行SNCR反應生成N2和H2O。

氨或尿素與NO的反應如下：

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法在國內的水泥、冶金、化工等行業的工業爐窯煙氣脫硝工藝中應用較多。SNCR不需要催化劑，設備改造少，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規范-選擇性非催化還原法》規定SNCR法的氨逃逸量應控制在8mg/m3。

SNCR氨逃逸產生的主要原因：一是由于噴入點的煙氣溫度偏低，影響氨與NOX的還原反應；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，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，不僅會增加設備的腐蝕，還生成銨鹽。煙氣中的NH3、H2O和SO3的反應生成銨鹽——硫酸氫胺（ABS），并易在設備表面形成液態懸浮顆粒。ABS在溫度降低時，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，增加反應器的壓損。在經過后續設備時，會在溫度較低的空氣預熱器熱交換表面產生沉積，增大壓降，降低空氣預熱器的效率，對后續設備也會產生堵塞及腐蝕。根據有關報告，SCR脫硝反應器出口煙氣的微量氨逃逸控制在2~3×10-6，可延長空氣預熱器的檢修周期。

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

原位激光法檢測技術

基本測量原理

可調諧激光光譜分析（TDLAS）采用“單線吸收光譜技術”。

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，可調諧激光二極管采取改變激勵電流或溫度，使激光波長被調諧實現涵蓋所選的波長范圍，包涵吸收譜線。當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。

技術分類

TDLAS測量技術根據吸收信號檢測技術不同分為：調制光譜-諧波分量（二次諧波）檢測技術和基于直接吸收檢測技術。

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

b）直接吸收檢測技術是采用直接的高頻電流信號產生高頻掃描光譜，通過接受檢測吸收光譜信號，獲得氣體濃度值，無需外部頻率調制，沒有諧波分量的相位問題。如：日本橫河、加拿大優勝光分等，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準氣體“鎖峰技術”，能實現長期穩定測量。

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

b）煙道兩側對裝的光纖傳輸型，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諧二極管激光光源，內置在分析儀的控制器內，通過光纖傳送到發射頭發出激光光束，接收信號由光纖再送到控制器。該儀器通過光纖技術可實現一個控制器帶3個測量探頭。系統主要包括中央處理單元；激光發射和接收探頭；復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采樣點。可調諧二極管為激光光源，安裝在中央處理器機柜內，通過光纜傳輸到各發射探頭，實現多點檢測。

加拿大優勝光分的LasIR R系列激光氣體分析儀系統，采用高功率的可調諧激光器，獨特的光學設計，測量光束的發射光斑可調，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，具有較強的抗顆粒物、液滴影響和抗振動漂移能力。

c）煙道單側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。激光分析儀的發射與接收器安裝在煙道單側，探頭伸入煙道內，探頭一段作為被測氣體擴散氣室，探頭未端有反射鏡將吸收光強信號送到接收器；可采用滲透保護管，用于通入標氣校正。Sick Maihak GM700激光氣體分析系統具有單側安裝和跨煙道雙側安裝等型式。

技術分析

采用原位激光法氣體分析微量氨的顯著優點是無需采樣處理，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，也不存在轉換器的轉換效率問題。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測量；線測量更具有代表性，更能反應煙氣中NH3濃度的真實性。

原位激光法氣體分析儀，在現場應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附近高達數十米的鋼質平臺上；儀器的發射、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生應變等環境因素的影響；安裝管道振動或位移會對激光測量的透射光斑產生位移，影響激光透射光到接收探頭光電池的信號，從而產生測量不穩定或不應有的漂移，影響測量結果準確性，嚴重時儀器將不能正常工作。

并非所有原位激光分析在 現場應用檢測微量逃逸氨都可能存在測量不準的問題，例如：加拿大優勝光分LASIR原位激光分析儀，采用高質量大功率激光器，其輸出功率20mw（其他儀器激光器僅幾兆瓦），及獨特的光學設計，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，都能準確測量逃逸氨。

抽取熱濕法激光檢測技術

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，其探頭前置過濾器采用2μm不銹鋼濾芯，探頭內部采用加熱保溫的陶瓷內芯，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確監測。

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。

典型產品

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

GCC-1000型抽取熱濕法激光光譜分析逃逸氨系統，自行設計的高溫取樣處理系統及高溫測量氣室，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；測量過程無銨鹽結晶，檢測靈敏度高；系統維護量很少，可在線標定。該產品已經在國內成功用于燃煤電廠煙氣脫硝微量逃逸氨的監測。

注意事項

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生接觸反應及吸附，會影響氨檢測的準確性，氨監測示值可能偏小，通常為系統誤差。美國熱電17i煙氣化學發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。

間接催化劑還原-化學發光檢測技術

高溫催化轉化探頭-化學發光法

日本堀場ENDA-C2000采用間接催化劑還原-化學發光法NH3分析技術，其原理是在樣品取樣探頭上設置催化劑通道及非催化劑通道，催化劑通道的反應器將樣品中的NH3定量還原，再通過化學發光法NOX分析儀測定兩個通道的NOX濃度差值，即可計算出微量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）。催化還原的化學反應與脫硝原理相同：4NO＋4NH3＋O2＝4N2＋6H2。ENDA-C2000帶反吹的加熱取樣探頭結構參見圖10。

取樣探頭的前處理裝置，將樣品氣溫度設定在350℃，并采用過濾加反吹系統，有效提高取樣探頭的耐久性。日本堀場ENDA-C2000采用交替流動調制方式-化學發光法，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制方式，只使用一個化學發光分析儀檢測，再通過計算獲取NH3濃度。其測量范圍為0~10×10-6 NH3/NOx。

稀釋抽取法加高溫轉化爐轉化-化學發光檢測技術

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

上述測量方法用于脫硝后檢測微量氨的同時，也可檢測脫硝后的氮氧化物；因此該技術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，要求轉化率應≥98%，催化效率降低會影響檢測微量氨的準確性。

傅里葉變換紅外光譜監測技術

傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）是一種多組分分析技術，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據采集處理系統等部分組成。

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，所有部件均安裝在恒溫180℃的機箱內。其中，高溫采樣泵從煙道中抽取煙氣，煙氣經二次過濾器再過濾，除去超細煙塵，流量計對煙氣流量進行監測。

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、檢測器和計算機控制單元組成。

FT-IR的數據采集處理系統，包括專用的光譜測量軟件，是指樣品光譜的數據采集，并通過對照專用軟件的光譜庫，進行數據處理，提供煙氣分析的測量結果。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1:1。因此，采用FT-IR用于脫硝后煙氣的全分析，不僅可以準確測量微量氨，還可以準確測定脫硝后煙氣中NOX的各個組分。

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

結束語

流程工業燃煤鍋爐、工業窯爐等固定污染源煙氣脫硝出口的氨逃逸量監測，要求抗干擾、檢測靈敏度高，其主流監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用于逃逸氨監測；國內由于工況條件惡劣，在某些現場原位法激光測量存在一些難題；因此，國內抽取熱濕法激光測量在逃逸氨監測中已很快得到推廣應用。

氨的監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mg/m3的微量氨監測；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發光法可用于分析脫硝出口煙氣中NO、NO2、NH3等；但是，從性價比分析，這兩種方法很少專用于煙氣脫硝逃逸氨的監測。