本文简要介绍了流程工业燃煤锅炉、工业窑炉的烟气脱硝工艺及脱硝微量氨逃逸监测应用的主要技术；分别对原位法激光气体分析、抽取热湿法激光气体分析、间接法催化剂还原-化学发光分析、抽取热湿法傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR）等微量氨逃逸监测技术的应用进行了分析探讨。

流程工业是节能减排的重点领域，特别是电力、钢铁、水泥、建材，以及石油化工的燃煤锅炉、工业炉窑等固定污染源烟气排放的二氧化硫、氮氧化物是重点控制对象。燃煤锅炉及工业炉窑烟气的脱硝工艺大多采用选择性催化还原法（SCR），以及非选择性催化还原法（SNCR）等，脱硝工艺采用NHX基还原剂，如氨、尿素；在催化剂作用下氨和氮氧化物反应生成氮和水。因此，脱硝反应过程中，要严格控制加氨量和监测烟气中微量的逃逸氨。

烟气脱硝微量氨逃逸监测技术

选择性催化还原法（SCR）

SCR法是在固体催化剂存在下，利用各种还原气体和NOX反应使之转化为N2的方法，以NH3作还原剂时，金属氧化物（如：V2O5/MnO2等）是最常用的SCR工业催化剂。

该技术具有脱氮效率高（标准规定不低于80%，实际可达90%以上）、反应温度较低（573~753K）、催化剂不含贵金属、寿命长等优点，是目前被认为是最好的固定污染源烟气脱硝技术，并已在燃煤电厂烟气脱硝得到广泛应用。SCR的基本反应过程是：

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

2NO2+4NH3=3N2+6H2O

SCR可能存在的问题如下：

氨泄漏，未反应的氨排出系统，造成二次污染。HJ562-2010《火电厂烟气脱硝工程技术规范-选择性催化还原法》标准规定：SCR法的氨逃逸量应控制在2.5mg/m3。

当燃用高硫煤时，烟气中部分SO2将被氧化成SO3。标准规定SO2 /SO3的转化率不大于1%。转化的SO3以及烟气中原有的SO3会与烟气中的NH3进一步反应生成氨盐（NH4HSO3）从而造成催化剂中毒或管路堵塞等。另外过量NH3可能和O2反应生成N2O。

非催化还原法（SNCR）

SNCR法是把含有NHX基的还原剂，喷入炉膛温度为800~1000℃区域，该还原剂迅速热分解为NH3，并与NOX进行SNCR反应生成N2和H2O。

氨或尿素与NO的反应如下：

2NO+2NH3+1/2O2=2N2+3H2O

2NO+2CO（NH2）2+1/2O2=2N2+ CO2+2H2O

该法受温度及NH3停留时间的影响较大，氨液消耗量大于SCR，氨的泄漏量大、脱氮效率不高，只适用于要求不高于40%的场合；目前SNCR法在国内的水泥、冶金、化工等行业的工业炉窑烟气脱硝工艺中应用较多。SNCR不需要催化剂，设备改造少，投资较SCR小，但是氨逃逸量较大。HJ563-2010《火电厂烟气脱硝工程技术规范-选择性非催化还原法》规定SNCR法的氨逃逸量应控制在8mg/m3。

SNCR氨逃逸产生的主要原因：一是由于喷入点的烟气温度偏低，影响氨与NOX的还原反应；另一原因是由于喷入的还原剂过量或还原剂分布不均匀。

微量逃逸氨在线监测的重要性

烟气脱硝过程中，氨的注入量既要保证有足够的NH3与NOX反应，以降低NOX的排放量，又要避免向烟气中注入过量的NH3；注入过量的氨，不仅会增加设备的腐蚀，还生成铵盐。烟气中的NH3、H2O和SO3的反应生成铵盐——硫酸氢胺（ABS），并易在设备表面形成液态悬浮颗粒。ABS在温度降低时，会吸收烟气中的水分，形成腐蚀性溶液；在温度较低的催化剂表面，烟气中ABS会堵塞催化剂，造成催化剂失活，增加反应器的压损。在经过后续设备时，会在温度较低的空气预热器热交换表面产生沉积，增大压降，降低空气预热器的效率，对后续设备也会产生堵塞及腐蚀。根据有关报告，SCR脱硝反应器出口烟气的微量氨逃逸控制在2~3×10-6，可延长空气预热器的检修周期。

监测脱硝反应器出口烟气的微量氨逃逸，存在高温（300~400℃）、高湿(水汽达饱和)、高粉尘（20~40g/nm3）、ABS易结晶和安装环境条件恶劣等问题，使监测微量逃逸氨难度增大。

原位激光法检测技术

基本测量原理

可调谐激光光谱分析（TDLAS）采用“单线吸收光谱技术”。

TDLAS是基于气体的特征吸收光谱来测定气体成份浓度。通过选择激光波长接近于待测成份的某吸收谱线，可调谐激光二极管采取改变激励电流或温度，使激光波长被调谐实现涵盖所选的波长范围，包涵吸收谱线。当激光波长等于被测气体的特征吸收波长，激光将被吸收，将激光吸收的测量信号与处理单元参比信号相比，即可得到待测气体成份浓度。

激光分析微量氨是基于近红外波段NH3的特征吸收光谱来测定氨。近红外波段NH3及H2O的吸收光谱见图3。

技术分类

TDLAS测量技术根据吸收信号检测技术不同分为：调制光谱-谐波分量（二次谐波）检测技术和基于直接吸收检测技术。

a）调制光谱-谐波分量（二次谐波）检测技术是广泛应用的可以获得高检测灵敏度的TDLAS技术，如西门子、ABB、SICK、NEC及国内聚光科技等公司的激光气体分析仪均采用该技术。

b）直接吸收检测技术是采用直接的高频电流信号产生高频扫描光谱，通过接受检测吸收光谱信号，获得气体浓度值，无需外部频率调制，没有谐波分量的相位问题。如：日本横河、加拿大优胜光分等，横河采用峰面积积分法测量，不受其他气体干扰影响；不少激光分析仪采用标准气体“锁峰技术”，能实现长期稳定测量。

TDLAS技术按照取样方式不同可分为原位安装式、抽取式，原位安装按照安装方式不同又分为：对射安装和单边安装式。基本有以下类型：

a）烟道两侧对装的非光纤传输型， 激光分析仪的发射与接收头分别安装在烟道两侧，可调谐激光二极管直接安装在发射头。不采用光纤传输信号，直接测量分析，该仪器一套发射/接收探头只能分析一种组分，一个测量烟道须安装一套发射、接受器及控制器；可实现在智能化探头上直接显示测量结果，无需控制器。发射单元的I/O模块支持测量气体温度、压力测量输出的4~20mA信号，激光分析仪通过实时获取被测气体的温度压力变化，可进行高精度光谱分析测量。

b）烟道两侧对装的光纤传输型，如：西门子LDS6激光气体分析仪参见图4。加拿大Unisearch的LasIR R系列激光气体分析仪参见图5。

LDS6激光气体分析仪的可调谐二极管激光光源，内置在分析仪的控制器内，通过光纤传送到发射头发出激光光束，接收信号由光纤再送到控制器。该仪器通过光纤技术可实现一个控制器带3个测量探头。系统主要包括中央处理单元；激光发射和接收探头；复合光缆与回路光缆等。中央处理单元包括操作控制面板、显示、处理器、激光源等，处理器最多可控制三个采样点。可调谐二极管为激光光源，安装在中央处理器机柜内，通过光缆传输到各发射探头，实现多点检测。

加拿大优胜光分的LasIR R系列激光气体分析仪系统，采用高功率的可调谐激光器，独特的光学设计，测量光束的发射光斑可调，使入射到对面检测端的光斑大于检测器的接受窗口；较好解决了原位激光法存在高粉尘、烟道变形及振动的影响，具有较强的抗颗粒物、液滴影响和抗振动漂移能力。

c）烟道单侧安装的原位激光分析,如Sick Maihak 的GM700激光气体分析仪，参见图6。激光分析仪的发射与接收器安装在烟道单侧，探头伸入烟道内，探头一段作为被测气体扩散气室，探头未端有反射镜将吸收光强信号送到接收器；可采用渗透保护管，用于通入标气校正。Sick Maihak GM700激光气体分析系统具有单侧安装和跨烟道双侧安装等型式。

技术分析

采用原位激光法气体分析微量氨的显著优点是无需采样处理，通过原位法直接测量微量氨，没有样品取样、处理及传输可能带来对微量氨测量的影响，也不存在转换器的转换效率问题。采用原位激光分析测量微量氨，激光穿过烟道测量分析，是线测量；抽取式取样分析是点测量；线测量更具有代表性，更能反应烟气中NH3浓度的真实性。

原位激光法气体分析仪，在现场应用中存在的主要问题是：仪器安装在SCR出口，SCR处于锅炉省煤器出口的高尘段，大多直接安装在测量点附近高达数十米的钢质平台上；仪器的发射、接受探头直接安装在烟道壁上，易受到钢制烟道壁的振动，或钢制烟道受温度变化发生应变等环境因素的影响；安装管道振动或位移会对激光测量的透射光斑产生位移，影响激光透射光到接收探头光电池的信号，从而产生测量不稳定或不应有的漂移，影响测量结果准确性，严重时仪器将不能正常工作。

并非所有原位激光分析在 现场应用检测微量逃逸氨都可能存在测量不准的问题，例如：加拿大优胜光分LASIR原位激光分析仪，采用高质量大功率激光器，其输出功率20mw（其他仪器激光器仅几兆瓦），及独特的光学设计，使该仪器在高粉尘50g/nm3左右，光程6m左右及烟道有振动或变形等恶劣工况下，都能准确测量逃逸氨。

抽取热湿法激光检测技术

抽取热湿法激光测量逃逸氨，通过高温取样处里、高温测量气室等，克服原位激光法存在的高粉尘、高水分、烟道振动变形及光能量不足等问题。该系统的典型部件如下：

高温取样探头及传输管线，采取加热过滤的专用高温取样探头及高温电加热管线；从取样探头到高温测量气室采取全程加热，并保温在脱硝烟气的露点之上。脱硝测氨高温取样探头加热温度为280~300℃，探头取样管采用316L不锈钢材质，其探头前置过滤器采用2μm不锈钢滤芯，探头内部采用加热保温的陶瓷内芯，烟尘过滤精度≤2μm。加热管线温度为180℃。测量全程高温，可确保烟气微量氨准确监测。

高温测量池，测量池分为单次反射池或多次反射式（Herriott检测池）两种。图5为Unisearch（优胜）R系列激光气体分析仪连接的单次反射池和Herriott式多次反射池。

典型产品

国内已有多家公司开发了抽取热湿法激光分析微量氨系统，如：杭州聚光、南京霍普斯等。以南京霍普斯的GCC-1000型微量氨分析系统为例，其分析系统流程图参见图8。

GCC-1000型抽取热湿法激光光谱分析逃逸氨系统，自行设计的高温取样处理系统及高温测量气室，全程保温在180℃，检测采用ABB的激光氨表改装。高温取样探头采取反吹，适用于高粉尘取样；测量过程无铵盐结晶，检测灵敏度高；系统维护量很少，可在线标定。该产品已经在国内成功用于燃煤电厂烟气脱硝微量逃逸氨的监测。

注意事项

抽取热湿法激光分析微量氨的取样中，烟气微量氨与取样探头及管道、滤芯材料等有可能会发生接触反应及吸附，会影响氨检测的准确性，氨监测示值可能偏小，通常为系统误差。美国热电17i烟气化学发光分析测量微量氨的采样探头，采用铬镍铁合金（Inconel合金），在高温320~400℃工作，可有效减少微量氨的接触吸附反应。

间接催化剂还原-化学发光检测技术

高温催化转化探头-化学发光法

日本堀场ENDA-C2000采用间接催化剂还原-化学发光法NH3分析技术，其原理是在样品取样探头上设置催化剂通道及非催化剂通道，催化剂通道的反应器将样品中的NH3定量还原，再通过化学发光法NOX分析仪测定两个通道的NOX浓度差值，即可计算出微量NH3浓度值。其中非催化剂通道测量NOX，还原催化剂通道测量（NOX-NH3）。催化还原的化学反应与脱硝原理相同：4NO＋4NH3＋O2＝4N2＋6H2。ENDA-C2000带反吹的加热取样探头结构参见图10。

取样探头的前处理装置，将样品气温度设定在350℃，并采用过滤加反吹系统，有效提高取样探头的耐久性。日本堀场ENDA-C2000采用交替流动调制方式-化学发光法，利用非催化剂通道和催化剂通道的NOx浓度差通过交替流动调制方式，只使用一个化学发光分析仪检测，再通过计算获取NH3浓度。其测量范围为0~10×10-6 NH3/NOx。

稀释抽取法加高温转化炉转化-化学发光检测技术

美国热电的17i化学发光法分析烟气微量氨是采用稀释抽取法加间接催化转换-化学发光法测量；样品进入系统后分为三路，一路经过750℃的不锈钢转换炉，将烟气中的NO2 、NH3都转化成NO，进入分析仪测得总氮（NT）浓度；一路经过除氨器后，进入分析仪测得不含氨的样气，其中分一路进入325℃的转化炉，把NO2还原成NO，由分析仪测得NOX的浓度；另分一路不经转化炉，进入分析仪，测得NO浓度；最终计算出氨逃逸量：NH3=NT-NOX。稀释法间接催化转换-化学发光测量的优点是：采样量小，仅20~50mL/min，维护量小，采用17i化学发光法烟气分析仪的最低检测限可达0.1×10-9。

上述测量方法用于脱硝后检测微量氨的同时，也可检测脱硝后的氮氧化物；因此该技术适用于测量脱硝出口烟气的逃逸氨及NO、NO2 、NOX。采用间接法测量微量氨，存在NH3的催化还原效率问题，要求转化率应≥98%，催化效率降低会影响检测微量氨的准确性。

傅里叶变换红外光谱监测技术

傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）是一种多组分分析技术，采用抽取热湿法傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）不仅可测量微量NH3，同时还可检测脱硝后的NO、NO2，及其他组分：SO2、SO3、HCL、HF、H2O等。FT-IR由高温取样、样品处理、傅立叶变换红外光谱仪和数据采集处理系统等部分组成。

取样处理，由高温取样探头、电加热样品输送管线及样品处理单元等组成。样品处理单元包括：高温泵、高温切换阀、二次过滤器和流量计，所有部件均安装在恒温180℃的机箱内。其中，高温采样泵从烟道中抽取烟气，烟气经二次过滤器再过滤，除去超细烟尘，流量计对烟气流量进行监测。

傅立叶变换红外光谱仪，主要由宽带红外光源、干涉仪、加热样品池、检测器和计算机控制单元组成。

FT-IR的数据采集处理系统，包括专用的光谱测量软件，是指样品光谱的数据采集，并通过对照专用软件的光谱库，进行数据处理，提供烟气分析的测量结果。脱硝后的烟气组分中，NO与NO2的比例是随脱硝触媒的工况条件变化，有的甚至高达1:1。因此，采用FT-IR用于脱硝后烟气的全分析，不仅可以准确测量微量氨，还可以准确测定脱硝后烟气中NOX的各个组分。

由于FT-IR价格较贵，目前在脱硝工艺中采用FT-IR技术测量脱硝逃逸氨的应用还很少，大多应用在垃圾焚烧炉烟气的多组分检测。

结束语

流程工业燃煤锅炉、工业窑炉等固定污染源烟气脱硝出口的氨逃逸量监测，要求抗干扰、检测灵敏度高，其主流监测方法是原位法激光测量法，或抽取热湿法激光测量法。在国外，原位激光法已大量应用于逃逸氨监测；国内由于工况条件恶劣，在某些现场原位法激光测量存在一些难题；因此，国内抽取热湿法激光测量在逃逸氨监测中已很快得到推广应用。

氨的监测可以采用紫外或红外分析法，氨逃逸检测中，主要考虑因素是存在工况条件恶劣、被测组分严重干扰（如水分等）、检测灵敏度不够高等问题，不适宜用于脱硝烟气中几个mg/m3的微量氨监测；傅里叶变换红外分析法可适用于脱硝出口烟气的全组份（包含：NO、NO2、NH3、、SO2、SO3、H2O）分析；间接法测量微量氨的化学发光法可用于分析脱硝出口烟气中NO、NO2、NH3等；但是，从性价比分析，这两种方法很少专用于烟气脱硝逃逸氨的监测。