氨逃逸监测——直面工业与环境的双重挑战

SCR（选择性催化还原）方法是目前火电、水泥、钢铁、焦化等企业脱硝的一种方法，在一定温度（290~430℃）及催化剂的作用下，NO_x和氨（NH₃）反应将 NO_x转化为氨气（N₂）和水（H₂O）以减少NO_x排放。通常，NH₃和NO_x之间的反应效率可大于95%未反应的NH₃则被称为氨逃逸。氨逃逸不仅影响生产效率，更对环境和人体健康构成潜在威胁。本文将从氨逃逸的影响、所涉及的重点行业与常见逃逸部位、氨逃逸监测技术等方面对相关知识作出分享，感兴趣的小伙伴们一起来看看吧~

一、氨逃逸的影响

1、成为工业生产的隐形成本：氨气在工业生产中广泛应用，尤其是在化肥、化工和能源行业。然而，氨气逃逸现象普遍存在，它不仅增加了企业的运营成本，还可能导致设备损坏和环境污染。

2、腐蚀设备影响生产：氨气具有碱性和腐蚀性，逃逸的氨气会加速不锈钢/碳钢等材质设备的腐蚀过程，缩短设备使用寿命，在大量增加维护和更换成本的同时，也严重影响了生产进度。

3、导致布袋除尘器布袋堵塞：氨气与烟气中的酸性气体反应生成铵盐，这些盐类在低温条件下容易在布袋表面冷凝，形成硬壳或结块，导致布袋透气性下降，增大过滤阻力，进而影响除尘效率。

4、影响对烟气的脱硫效率：氨逃逸会干扰湿法脱硫系统的运行，铵盐的形成可能降低脱硫剂的利用率，影响SO_₂的吸收效率。

5、破坏环境：氨气是一种刺激性气体，过量排放会降低空气质量，对生态系统造成负面影响，还会参与二次颗粒物的形成（PM2.5），这是导致雾霾的主要成分之一，影响空气质量同时甚至会对人体健康造成危害。

6、不加控制难以合规：随着环保法规的日益严格，控制氨气排放已成为企业必须面对的法规要求。例如：HJ562-2010《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法》中规定，对于SCR（选择性催化还原）脱硝技术，氨逃逸的标准更为严格，一般要求控制在2.5mg/m³（或3ppm）以内；HJ563-2010《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性非催化还原法》中规定，对于SNCR（选择性非催化还原）脱硝技术，氨逃逸的标准一般不高于8mg/m³（或10ppm）。

除以上所述氨逃逸过量造成的危害以外，因控制过当造成氨排放量过少，也会为生产过程带来一些不良影响。首先就是会造成脱硝效率降低。氨逃逸过少意味着更多的氨被用于NO_x的还原反应，但此时可能已经导致SCR系统操作窗口变窄，稍有不慎就可能致使NOx排放超标。其次，氨逃逸减少会影响生产运行的稳定性。SCR系统需要一定量的氨气浓度作为“安全边际"，以保证在烟气条件波动时仍有足够的氨与NO_x反应，维持脱硝效率稳定吗，此时若因脱硝系统喷氨量不足，则会导致NO_x的还原反应不充分，从而造成NO_x排放超标。

二、重点行业与常见逃逸部位

氨逃逸在多个行业中较为常见，尤其是在燃煤发电、化工、制药等工业领域。此外，钢铁、焦化、水泥、碳素和玻璃等行业也广泛采用氨法脱硝和氨法脱硫技术，这些过程中也会产生氨逃逸。

氨逃逸主要发生在烟气脱硝装置中，尤其是SCR技术应用的系统里。具体来说，氨逃逸最易发生在以下部位：

1、氨喷枪区域：氨喷枪喷氨流量分布不均匀，可能导致烟气中氨水局部浓度过高，从而增加氨逃逸的风险。

2、烟气温度控制区域：反应温度过低或过高均可能导致NO_x与氨的反应速率降低或生成额外的NO，增加氨逃逸量。

3、催化剂反应区域：催化剂堵塞或性能老化，导致催化效率不同，可能需要增加喷氨量，进而加剧氨逃逸的可能性。

4、脱硝系统下游：锅炉烟气在SCR反应器停留时间过短，可能未能给氨水与氮氧化物足够的反应时间，导致氨逃逸。

5、高灰尘区域：如燃煤锅炉的脱硝反应区，积灰可能使催化剂活性下降，增加氨逃逸。

6、FGD系统（湿法脱硫系统）：少量逃逸的氨会随烟气进入FGD系统，在那里基本被脱硫循环浆液吸收。

7、锅炉尾部烟道：未反应的氨在这些部位凝结，长期累积会严重腐蚀设备，影响其运行效率和使用寿命。这里的重点部位就是空气预热器和电除尘器。由于未反应的氨气与烟气中的SO₃及飞灰在低温下发生固化反应，约20%的氨以硫酸盐形式粘附在空气预热器表面，导致其堵塞或腐蚀。而在电除尘器飞灰中，约有80%的氨进入，少于2%的氨会以气态形式随烟气排放出来。

由此可见，监测和控制氨逃逸对于保障工业生产的环保合规性和设备的正常运行至关重要。

三、氨逃逸监测技术

拥有一项精确的监测技术加持，对有效控制氨逃逸至关重要。以下是几种常见的氨逃逸监测技术：

1、激光光谱法（TDLAS）：在现有各类技术原理中采用TDLAS技术的产品众多，此技术利用激光与氨气分子相互作用，通过分析光谱信号来监测氨气浓度。这种技术可以在0~10ppm范围内对氨逃逸实现灵敏的精确测量，例如四方仪器的激光氨逃逸气体分析仪GasTDL-3000，在TDLAS监测技术基础上采用全程高温伴热的气体流路设计，可以有效预防铵盐结晶，减少氨气在传输过程中的冷凝损耗，确保测量数据的准确性。同时，采用低吸附材料和处理工艺，可以有效避免NH3冷凝损耗，提高测量的准确性。系统采用抽取式测量方法，可以避免测量过程中受到烟道内粉尘、温度和压力波动的影响，确保测量结果的可靠性。

2、红外吸收法（NDIR）：红外吸收法是利用氨气分子对特定红外光的吸收特性来测量氨气浓度的技术。这种方法具有较高的测量精度和稳定性，适用于恶劣环境下的氨气监测。然而，红外吸收法设备的价格相对较高，且需要定期维护和校准，以确保测量结果的准确性。

3、电化学法（ECD）：电化学法是通过电极与氨气发生化学反应，将化学能转化为电能，从而测量氨气浓度的技术。这种方案具有成本低、稳定性好和操作简单等优点。但电化学法容易受到环境因素的影响，如温度、湿度等，导致测量精度下降。

4、热导法（TCD）：热导法是利用氨气与其他气体的热导率差异来测量氨气浓度的技术。这种方法设备简单、成本低，但测量精度相对较低，适用于对氨气浓度要求不高的场合。

四、为何氨逃逸需要控制在10ppm以内

氨逃逸需要控制在小于10ppm以内，主要是因为过高的氨逃逸量会对设备、人体健康和环境产生不利影响。

1、对设备的影响：氨气具有一定的碱性和腐蚀性，当氨逃逸量较大时，随烟气进入后续处理设备（如布袋除尘器等）会增加对设备材质（如不锈钢、碳钢等）的腐蚀，从而缩短设备的使用寿命，降低催化剂的反应性能，减少脱硝效率，增加系统运营成本。此外，氨与烟气中的酸性气体（如SO₂、SO₃）反应生成铵盐，这些盐类在低温下容易在布袋表面冷凝，导致布袋透气性下降，过滤阻力增大，严重时可引起布袋堵塞，影响除尘效率。

2、对人体健康影响：氨气对人的呼吸系统有强烈刺激作用，高浓度氨气暴露可能导致呼吸困难等健康问题，长期暴露于低浓度氨气环境中，也可能引发慢性呼吸道疾病。所以尽量控制氨逃逸在10ppm以及更小的范围内，可以降低氨逃逸对人体健康的危害。

3、对环境的影响：根据不同的脱硝工艺和技术，氨逃逸的正常控制值有不同的标准。例如前文所提到的国家环境保护标准HJ562-2010与HJ563-2010中的要求，对于SCR脱硝技术，氨逃逸的标准更为严格，一般要求控制在2.5mg/m³（或3ppm）以内；对于SNCR脱硝技术，氨逃逸的标准一般不高于8mg/m³（或10ppm）。而一些地方标准对氨逃逸的控制有更加严格的要求，例如河北省发布的《锅炉大气污染物排放标准》中，采用SCR脱硝工艺或SNCR-SCR联合脱硝工艺的氨逃逸控制指标为2.3mg/m³；采用SNCR脱硝工艺的氨逃逸控制指标为7.6mg/m³。

五、氨逃逸的控制策略

氨逃逸的控制长期且连续的，是一个复杂的平衡过程，旨在确保高效脱硝的同时，最小化对后续设备的损害和对人体与环境的影响。一般通过以下几个关键措施来实现：

1、加强系统监控：通过对常见逃逸部位的氨气浓度监测，及时发现并解决潜在问题，确保氨逃逸率始终控制在理想范围内。首先要采用高精度的在线监测设备，减少测量偏差，确保氨逃逸控制在规定范围内。此外，还可以增加测点数量或提高维护质量，降低由于测点故障引起的自调功能失效时间。

2、优化喷氨系统：精确控制氨水或尿素的喷入量可以确保与NOx的反应达到最佳状态，是控制氨逃逸的关键。一般通过调整氨水喷枪前的球阀控制，确保每只枪喷氨分布均匀，降低NH₃/NO摩尔比，从而降低氨逃逸。还可以根据实际运行情况优化喷氨控制逻辑，减少因调节惯性和延时性导致的氨逃逸。

3、优化反应条件：例如调整反应温度和停留时间，以提高脱硝效率并减少不必要的氨逃逸。

4、控制烟气温度：根据锅炉负荷和燃烧情况，维持烟气温度在最佳范围内，以保证催化剂的活性和反应效率。

5、催化剂管理：定期检查催化剂，及时更换老化或堵塞的催化剂，以保持脱硝效率并减少氨逃逸。

6、提高雾化效果：确保氨水与烟气充分混合，提高压缩空气压力，增强雾化效果，减少氨逃逸。

7、优化燃烧调整：考虑风粉自调对脱硝入口NOx的影响，使脱硝入口NOx在负荷波动和其他扰动下波动幅度最小。

8、流场优化：在烟道内设置导流板和气流均布器，改善速度分层现象和流场不均匀状况。

理想的氨逃逸率应确保高效脱硝的同时，最大限度地保护后续设备和减少对环境的影响。通过采用先进的测量技术和控制策略，我们可以有效地控制氨逃逸水平，保障脱硝效率的同时减少对后续设备和环境的影响。随着技术的进步和环保意识的提高，氨逃逸的控制将变得更加精准和高效，为实现绿色生产和可持续发展做出贡献。

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