傅里叶红外气体分析仪在氨逃逸监测中的应用.pdf

2023 年第 4 期59No.4 Jul.2023分析仪器Analytical Instrumentation傅里叶红外气体分析仪在氨逃逸监测中的应用陈 磊 周新奇*查丽霞 王越峰 李天麟 刘立鹏(杭州谱育科技发展有限公司，杭州 310000)摘 要：当前，随着NOx排放限值的不断提升，SCR/SNCR等高效脱硝技术已大量应用，但同时也出现了某些企业为了降低NOx的排放量而过量喷氨的现象。大气中的氨是生成二次细颗粒物的促进剂，对二次细颗粒物的形成和增长具有显著作用。为控制脱硝技术喷氨量及氨逃逸水平，傅里叶红外法是一种高效准确的氨逃逸监测手段。通过实验室的研究表明，傅里叶红外对氨的监测具有准确度高，抗水汽干扰能力强的特点。氨的检出限约为0.4mg/m3且在100mg/m3以下的示值误差小于5%。并且在实际应用中适用于高湿、高温、高粉尘、高腐蚀等复杂工况。关键词：傅里叶红外 氨逃逸 红外光谱分析DOI:10.3969/j.issn.1001232x.2023.04.012The application of Fourier infrared gas analyzer in ammonia escape monitoring.Chen Lei,Zhou Xinqi*,Zha Lixia,Wang Yuefeng,Li Tianlin,Liu Lipeng（Hangzhou Puyu Technology,Inc.,Hangzhou 310000,China）Abstract:At present,with the continuous improvement of NOx emission limit,high-efficiency denitrification technologies such as SCR/SNCR have been widely used,but some enterprises have also excessively sprayed ammonia to reduce NOx emissions.Ammonia in the atmosphere is a promoter for the formation of secondary fine particles,and has a significant effect on the formation and growth of secondary fine particles.In order to control the amount of ammonia sprayed and the level of ammonia escape of denitrification technology,Fourier infrared method is an efficient and accurate monitoring method for ammonia escape.Laboratory research shows that Fourier infrared monitoring of ammonia has the characteristics of high accuracy and strong resistance to water vapor interference.The detection limit of ammonia is about 0.4mg/m3,and the indication error below 100mg/m3 is less than 5%.And in practical applications,it is suitable for complex working conditions such as high humidity,high temperature,high dust,and high corrosion.Key words:FTIR;Ammonia escape;Infrared spectroscopy基金项目：浙江省重点研发项目资助（2022C02020）。目 前，企 业 为 了 降 低 N O x 排 放，一 般 采 用SCR+SNCR脱硝技术,还原剂氨与烟气中NOx产生还原反应,将烟气中的NOx还原为无毒无污染的氮气和水1，2。在降低了NOx排放量的同时，我们也需要关注氨的排放，氨也是一种有毒气体，过量的氨进入大气后，将会与其他污染物反应并加速PM2.5细颗粒物的生成，严重危害人体健康和加重环境污染。因此，在监测烟气中NOx等污染物排放的同时还需要监测氨的排放3。另外，通过对烟气中氨逃逸量的实时监测来控制脱硝效率和注氨量，还可以有效降低成本,并且减小逃逸氨对设备的腐蚀。傅里叶红外气体分析仪是基于傅里叶红外光谱技术4，5，它可以实现NO、NO2、SO2、NH3等多组分的实时监测，且仪器采用的是耐高温、耐腐蚀材料，自带多级过滤装置，能够很好的适用于高温、高湿、高粉尘、高腐蚀等环境。2023 年第 4 期60No.4 Jul.2023分析仪器Analytical Instrumentation1 试验部分1.1 仪器与试剂便携式傅里叶红外气体分析仪EXPEC 1680（杭州谱育科技）：波数范围：9004500cm-1；气体室光程：10m；光谱分辨率：8cm-1；温度控制：180；采样速率：2L/min。模拟烟气发生器D-1000（杭州谱育科技）：可以配制030%的水汽和不同浓度标气的混气，模拟高水汽的烟气工况，从而更好的验证傅里叶红外分析仪的性能。高温烟气采样枪，高温伴热管，高纯氮气（99.999%，大连大特）,4种浓度的NH3标气（5mg/m3、20mg/m3、60mg/m3、100mg/m3，不确定度2%，大连大特）。1.2 试验方法波数范围：9004500cm-1；气体室光程：5m；光谱分辨率：8cm-1；温度控制：180；采样速率：2L/min。1.2.1 检出限及测定下限测定方法按照仪器说明书连接管路，采用5mg/m3低浓度NH3气体重复7次试验，计算其标准偏差，按3.143倍的标准偏差计算方法检出限，按“只进不舍”的修约规则进行检出限结果修约，并保留至整数位。测定下限为检出限的4倍。1.2.2 示值误差测定方法为保证测定结果的准确性，将标准气体直接导入分析仪，分别连续重复测定至少3次，按公式（1）计算示值误差。Ce=100%C.S.AC.S.（1）式中：Ce 示值误差（%）；A 标准气体测定结果的平均值；C.S.标准气体浓度值。1.2.3 现场氨逃逸测定方法将EXPEC 1680开机预热至180，待光源能量、气体室温度等稳定后，往仪器气体室内通入高纯氮气，约2min后采集氮气光谱作为背景光谱并保存。然后将高温采样枪和高温伴热管也加热至180，与仪器连接后即可以打开采样泵进行烟气的测量，烟气采集过程全程伴热，气路中无冷凝点，确保数值的准确 性。2 结果与讨论2.1 氨气的检出限及测定下限的验证试验按照HJ168-2020的有关规定6，采用5mg/m3的标准气体，按本方法操作步骤及流程进行7次平行测定，计算平均值、标准偏差、测定下限及检出限等各项参数，结果如表1所示，最终得到傅里叶红外气体分析仪EXPEC 1680的检出限为0.4mg/m3，测定下限为1.6mg/m3。表1 方法检出限、测定下限测定结果mg/m3平行号标准气NH3(5.00)14.9424.9434.9044.9955.1065.1075.28平均值x i5.04标准偏差Si0.133t值3.143检出限MDL0.4测定下限RQL1.6备注：1）检出限计算公式：MDL=3.143Si，式中：MDL 为检出限，Si为标准偏差；2）测定下限计算公式：RQL=K*MDL，式中：RQL 为测定下限浓度，MDL 为方法检出限，K 为系数（表中化合物均取 4）。2.2 氨气示值误差测定待傅里叶红外气体分析仪的气体池加热至180，且仪器运行稳定后，通入高纯氮气进行背景采集；依次通入100mg/m3、60mg/m3、20mg/m3、5mg/m3浓度的NH3标气，连续测量，待示数稳定后读取NH3的数值；再次通入高纯氮气，使数值回零，重复测试3次，以3次示数的平均值来计算其示值误差，结果如表2所示，最终测得仪器的示值误差小于3%。表2 氨气示值误差测定结果序号NH3标准浓度（mg/m3）仪器示数（mg/m3）平均值（mg/m3）相对误差（%）123110098.95 98.71 99.0598.90-1.1026060.35 60.29 60.4260.350.5932020.65 20.11 20.5520.432.182023 年第 4 期61No.4 Jul.2023分析仪器Analytical Instrumentation2.3 水分干扰验证试验由于氨气极易溶于水，烟气中的水汽含量可能会对氨气的检测造成干扰。本试验通过模拟烟气发生器（D-1000）配制不同浓度的水分和氨气来对仪器进行干扰试验，选取15%、20%、25%和30%的水分含量对6.59mg/m3、15.81mg/m3、19.76mg/m3 3个梯度氨标准气体，结果如表3所示。试验结果表明：在不同水分的情况下，对不同浓度的NH3标准气体的示值误差都小于5%，仪器具备较好的抗水分干扰能力。表3 水分对氨测定的干扰结果NH3（mg/m3）H2O（%）实测NH3（mg/m3）示值误差（%）6.59156.864.10206.793.03256.52-1.06306.853.9415.811516.081,712015.80-0.062516.293.033016.172.2819.761519.551.062019.46-1,522519.34-2.133019.63-0.662.4 现场氨逃逸监测现场氨逃逸监测选取了两个类型的企业作为测试对象，分别是水泥厂和垃圾焚烧电厂 7。它们都采用SCR/SNCR的脱硝技术，通过喷氨的方式将NOx还原为N2和H2O，从而降低烟气中的NOx排放量。第一个监测对象是北京某水泥厂，在该企业使用EXPEC 1680便携傅里叶红外分析仪进行长时间的实时监测。在监测过程中，通过数据能够发现烟气中NOx含量上升，逃逸氨的量随之减小，NOx和NH3的含量呈现一个负相关，如图1所示。从而可以看出企业的NOx排放情况，通过改变喷氨量控制在60mg/m3左右，但是该企业明显存在氨过喷的现象，排放的烟气中含有较高的NH3。图1 北京某水泥厂监测数据第二个监测对象是北京某固体废物处理厂，在该企业进行了两次长时间的实时监测，该企业主要排放的是NO，从图2中也能明显的看到NO和NH3呈现一个负相关，NO的大幅度变化同时引起NH3的变化，最终将NO的排放量控制在50mg/m3左右。该企业的脱销工艺控制的较好，在降低NO排放的同时，没有过量的氨逃逸。图2 北京某固体废物处理厂监测数据第三个监测对象是北京某生活垃圾焚烧厂，该企业除了有较高的NOx排放，还有HCl的排放，因此除了关注NOx和NH3的关系之外，也关注了NH3和HCl的关系。生活垃圾焚烧厂的烟气中水汽含量一般较高，当烟气中含有较高的HCl时，它也将与逃逸氨进行反应。如图3实时监测结果所示，前半段时间内烟气中的NOx和HCl含量较高，逃逸氨的量就比较低，随后增大喷氨量后，HCl被NH3中和，NOx被NH3还原，相应NH3（mg/m3）NH3（mg/m3）NH3（mg/m3）NO（mg/m3）NO（mg/m3）NOx（mg/m3）NONH3NONH3NH3NOx2023 年第 4 期62No.4 Jul.2023分析仪器Analytical Instrumentation的HCl和NOx排放量随之降低，三者的变化趋势与理论相符。图3 北京某生活垃圾焚烧厂第四个监测对象是杭州某生活垃圾处理厂，在该企业使用EXPEC 1680与5台芬兰的Gasmet Dx4000同时对排口的NH3排放进行监测，从表4中得到6台不同仪器之间的相对标准偏差小于2.5%，说明仪器监测得到数据具有很高的可信度。表4 杭州某生活垃圾处理厂氨排放监测结果实验室号NH3实测浓度（mg/m3）1234561.EXPEC 168023.86 23.95 24.24 23.86 24.17 24.672.Gasmet Dx4000 25.09 24.88 24.84 24.38 24.38 24.463.Gasmet Dx4000 25.51 25.36 25.42 24.97 25.02 25.194.Gasmet Dx4000 24.47 24.71 24.90 24.51 24.84 25.405.Gasmet Dx4000 24.29 24.26 24.67 24.21 24.54 25.076.Gasmet Dx4000 24.68 24.88 25.11 24.57 24.84 25.39平均值xi24.65 24.67 24.86 24.42 24.63 25.03标准偏差Si0.590.500.400.370.320.39相对标准偏差RSDi2.4%2.0%1.6%1.5%1.3%1.5%3 结论傅里叶红外分析仪在氨逃逸实时监测中展现了很好的相关性，并且在水泥厂（高温、高粉尘）、垃圾焚烧电厂（高温、高湿、高腐蚀）这类较为恶劣的环境中也能够得到准确可靠的数据。因此，企业可以利用傅里叶红外气体分析仪实时监测烟道中逃逸氨量，然后根据逃逸氨量的趋势来实时调节喷氨量，以达到脱硝和防止氨过量的目的。参考文献1 李潘,汪冰冰,刘桢,等.脱硝工艺中氨逃逸在线监测技术研究J.工业安全与环保,2015(10):92-94.2 康玺,吴华成,路璐,等.脱硝氨逃逸浓度监测技术分析J.华北电力技术,2015,000(001):54-57.3 周荣,褚定杉,丁怀,等.水泥厂氨排放标准存在的问题及氨排放控制J.环境污染与防治,2015,37(1):5.4 季生福,季伟捷,寇元,李树本.付里叶变换红外光谱仪的操作参数对光谱的影响J.分析测试技术与仪器,1995(02):56-59.5 唐忠华.氨逃逸在线分析仪在烟气脱硝中的应用J.自动化与仪器仪表,2019(S1):98-100.6 中华人民共和国生态环境部.环境监测分析方法标准制订技术导则：HJ 168-2020S.中国环境科学出版社，2020.7 冯永超,胡勇,彭逸,熊强.燃煤电厂减污降碳协同治理探析J.广州化工,2022,50(03):103-105.收稿日期：2022-10-10作者简介：陈磊，男，1995年出生，硕士，主要从事傅里叶红外气体分析仪的研究，Email：。*通讯作者：周新奇，男，1981年出生，硕士，高级工程师，主要从事环境监测仪器研发工作，Email：。浓度（mg/m3）NH3（mg/m3）NH3NOxHCl