FT-IR系统在垃圾焚烧烟气排放连续监测中的应用
摘 要:傅立叶变换红外分析（简称FT-IR）系统具有如湿法分析、多组份监测、低检测限和极宽的动态测量范围，特别适合垃圾焚烧炉排放的气态污染物的监测。本文主要介绍了FT-IR系统的测量原理、技术规格、系统组成和运行结果，并讨论了FT-IR系统的发展和改进。
关键词:傅立叶变换红外分析 (FT-IR）系统;垃圾处理厂;烟气排放连续监测;垃圾焚烧炉
1 傅立叶变换红外分析的测量原理
傅立叶变换红外分析（Fourier transform infrared，简称FT-IR）是基于红外吸收原理的广谱分析技术，在一般的应用中，其光谱波数范围为600～4200cm-1。光源发射的红外光线经过旋转镜面干涉仪（Carousel interferometer）被调制形成干涉红外光线，进入样品池后则被烟气中的化学组分吸收，最终到达对红外光敏感的检测器。收集到的讯号是振幅-时间的函数，经过傅立叶变换处理改变成振幅－频率的函数，即惯用的气样红外吸收光谱。为了取得精确的红外吸收光谱，还必须用单色性很好的He－Ne激光对得到的吸收光谱频率进行校准，以获取振幅和频率的精确响应。
完成一个傅立叶变换的分析，需要三种光谱资料，即气样光谱（Sample Spectrum）、背景光谱（Background Spectrum）和参考光谱（Reference Spectrum）。气样光谱表示的是调制的红外线被烟气中各种组分吸收后的光谱；背景光谱则是调制的红外线经过纯N2的吸收光谱，有时也称零点光谱（Zero Spectrum）；而参考光谱是一种标准光谱，它贮存在计算机数据库中，作为定性和定量的依据。FT-IR的步骤如图1所示。
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2 垃圾焚烧烟气排放连续监测系统的组成和功能
2.1监测系统的组成
垃圾焚烧在线烟气监测系统通常由各种烟气监测子系统组成，例如系统CX－4000的基本配置分为4个部分，如图2所示。
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（1）FT-IR监测子系统，用于监测烟气中气态污染物和水分含量，如SO2、NOX、CO、CO2、HCl和H2O等。其中NOX包括NO、NO2和N2O。
（2）烟尘监测子系统用于监测烟气中固体颗粒物的浓度。
（3）辅助参数监测子系统，包括流量、温度、压力和O2浓度的监测，通过这些参数的测定，将污染物的排放浓度和排放量折算成标准状况下，氧气浓度为11VOL%时，干烟气中各种污染物的排放浓度和排放量。
（4）数据采集和处理子系统，对监测的数据进行采集，处理和存贮，并可形成报表及打印。
上述4个监测子系统中，FT-IR监测子系统是最重要的，也是最新的测量技术，因此本文着重介绍FT-IR监测子系统。
2.2FT-IR监测子系统的功能及要求
（1）通常每条垃圾焚烧线配置一套FT-IR分析系统，安装在脱硫塔（喷雾器）出口，监测的数据可以调整和控制脱硫塔的运行，同时还可作为环评的依据。有的FT-IR分析系统配备两套取样探头和两根加热取样管线，巡回检测两个脱硫塔出口，形成“一拖二”分析模式，但这种模式的缺点是不能实时监测。
（2）烟气处理前，对烟气中的HCl、SO2、NOX、CO、HF、H2O气体进行监测，并把浓度信号提供给DCS系统，作为过程控制的参数，参与控制喷雾塔加注石灰浆的数量。
（3）烟气处理后，除对烟气中的HCl、SO2、NOX、CO、HF、H2O气体进行监测外，还参照烟尘、温度、压力、氧含量和流量的监测进行排放评估。
（4）全套设备，包括采样方法、测量原理、分析方法、性能指标均满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485－2001）和《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》（HJ/T76-2001）中关于生活垃圾焚烧烟气排放连续监测的相关要求。
（5）除了取样预处理部件具有很强的抗腐蚀性能以外，所有设备外壳或外罩均具有耐腐蚀性、密封良好、能有效防尘、防雨。
（6）FT-IR分析系统能自动或手动进行零点校准。
（7）具有隔离的4～20mA输入/输出接口和RS232通讯接口，可与控制室的DCS进行数据传输或通讯。
（8）数据采集处理子系统的硬件采用工控机，能与FT-IR监测子系统及DCS进行数据通讯；数据采集处理子系统配备显示器和打印机，可显示、打印SO2、NOX、HCl、HF、CO、CO2、H2O、O2等气体组分的浓度、烟尘浓度、烟气流量的小时、日、月、年平均值及最大值、最小值。也能显示、打印SO2、NOX、HCl、HF、CO、CO2、烟尘等污染物排放量的小时、日、月及年报表。报表格式符合国家环境保护总局颁布的《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》（HJ/T76-2001）的要求。
3 FT-IR系统的特点
3.1FT-IR分析系统的优点
（1）宽谱分析、测量组份多，可以分析50多个组份。就垃圾焚烧烟气中气态污染物对红外线的吸收而言，其测量波数范围在900～4200cm-1之间，只分析SO2、NOX(NO+NO2+N2O)、CO、CO2、HCl、HF、HCN、NH3、CH4、H2O，共12个组份。只要补充软件，还可以增加TOC的分析。
（2）湿法分析。系统全部处于180℃高温下运转，没有水分冷凝引起的分析偏差和分析系统的腐蚀，不会因高沸点未知物凝固积累造成分析系统的堵塞。
（3）较宽的动态测量范围和很低的检测限。在垃圾焚烧烟气中，某些组份的浓度有时很高，如H2O的浓度高达40VOL%，CO2浓度高达20VOL%，但HCl和HF的浓度一般只有10～30mg/m3，其量程比例超过104，其它分析方法没有这么宽的动态测量范围，很难满足这种要求。
（4）分析系统校准高度自动化，只用纯N2气体进行零点自动校准，不需要灵敏度校准就可以长期保持±2%的检测精度，改变了以往分析系统依赖标准气的陈旧模式，大大降低了运行成本。此外，克服了某些低浓度标准气（如HCl、H2O等）难以保证应有的精确度和存贮的问题。
（5）为了保证监测数据的可比性，要求将测量数据修正成干烟气条件下的排放浓度，因此水分的准确测量就显得异常重要。生活垃圾不但水分含量高，而且变化大。能够精确、稳定地测定H2O的含量是FT-IR显著的特点。
（6）响应迅速，12个组份的全分析时间T90<120s。
（7）稳定性好，维护量小，使用寿命长。
3.2FT-IR与其他分析系统的对比
我国的垃圾焚烧烟气监测工作大致走过了十年的路程，先后采用过非色散红外烟气分析系统（简称NDIR）、气体过滤相关分析系统（简称GFC）及FT－IR系统。表1给出了这三种分析系统的性能比较。
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4 FT-IR系统的组成
FT-IR系统由气体取样及预处理、傅立叶变换红外分析仪和数据采集处理系统三个部分组成。FT-IR系统分析流程见图3。
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4.1气体取样及预处理部分的部件组成
（1）高温取样探头：由取样管、取样探头、过滤器、加热器和气候防护箱组成，内置于取样探头的过滤器为SiC过滤介质，过滤烟气中存在的烟尘（一次过滤），取样探头恒温在180℃±2℃的范围内，避免烟气中的水分冷凝和未知高沸点化合物凝固。
（2）加热取样输气管线：为φ40mm的带护套加热取样管，内置φ8Teflon或PFA耐高温和耐腐蚀氟塑管（最高承受温度为260℃），管内温度控制在180℃。
（3）供气单元：包括高温泵、高温切换阀、二次过滤器和流量计，所有部件均恒温在180℃。其中高温采样泵可从烟道中抽取烟气，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视。
4.2傅立叶变换红外分析仪
傅立叶变换红外分析仪由宽带红外光源、干涉计、加热样品池、检测器和计算机控制单元五个部分组成，其工作程序如图4。
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（1）红外光源：采用目前FT-IR中最常用的陶瓷SiC光源，温度1200℃，抗振、宽谱、寿命长。
（2）干涉计：卡洛斯（Carousel）干涉计，一种新型旋转式干涉计，其结构紧凑，稳定性高，抗振动，不受环境温度和压力变化的影响，适合于检测微量浓度和宽频响应。
（3）加热样品池：双板定曲率镀金镜面反射样品池，多光通道，总长可达7.0m，体积1.07L，窗口材料为BaF2，极耐腐蚀，样品池恒温在180℃。
（4）检测器：DTGS（Deuterated Triglycine Sulfate）热导检测器，响应时间0.001～0.1s，宽带响应600～4200cm-1，稳定性好。对红外光很敏感，吸收红外辐射改变热电子运动，从而引起电阻的变化。
（5）计算机控制单元：包括微处理器、前置放大器、主讯号放大器、模数转换器、电子带通过滤器和供电单元。微处理器控制整个分析过程，进行傅立叶变换和利用数据库中标准谱图对讯号进行分析、锁定。
4.3 数据采集和处理单元
数据采集和处理单元包括工控机、显示器、打印机和系统软件四个部分。其作用为：
（1）控制整个FT-IR系统的操作，如取样、反吹、零点校准等。
（2）监视FT-IR系统的运行状态，并给出状态信号。
（3）数据采集和处理。对气态污染物如HCl、SO2、CO、NOX，流量、烟尘温度、压力、O2含量等的讯号进行采集处理和存贮，并按有关规范的要求和格式打印报告。
（4）输出4～20mA讯号，具有与DCS通讯的功能。
5 傅立叶变换红外分析仪技术指标
5.1主要技术指标
（1）型号：芬兰GASMET生产的GASMETCX-4000；测量原理：FT-IR；零点漂移：自动修正；灵敏度漂移：无；线性偏差≤2%F·S；响应时间（T90）≤120s；防护等级：IP65；数据接口：通讯，RS-232,D型9孔；电源：220V/50-60HZ。
（2）Carousel干涉仪。分辨率：4cm-1；扫描速度：10次/s；检测器：Peltier制冷MCT；红外光源：SiC, 1550K；窗口：BaF2；波数范围：900～4200cm-1。
（3）样气室。工作温度：180℃；多次反射光程：2.5～7.0m；材料：100%黄金镀层；反射镜：固定，黄金镀层；体积：1.07L；接口：1/4”；密封：Viton.O-rings。
（4）采样泵。样气流量：2～5L/min；尘过滤要求≤2μ。
5.2主要测量组份及测量范围（见表2）
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6 FT-IR在国内的应用
近几年，国内已有重庆同兴垃圾焚烧发电厂、深能源深圳宝安垃圾焚烧发电厂、广东顺德垃圾焚烧发电厂、广州李坑垃圾焚烧电厂、福建福州红庙岭垃圾焚烧发电厂、江苏宜兴垃圾焚烧发电厂等企业先后共引进15套FT-IR系统CX-4000，多数已投入运行且运行稳定，监测项目主要为HCl、SO2、NOX、CO、HF、H2O、O2烟尘、流量，处理量为600～1200吨/天。其中已投入运行的监测装置均已通过环保验收并在应用中取得了良好的效果，获得用户好评。这些垃圾焚烧发电厂大都引进国外的先进设备或技术，执行欧洲的烟气排放标准，对烟气监测的要求很高。FT-IR系统的引进，对我国垃圾焚烧发电事业起到了良好的推动作用。
7 讨论
（1）由于我国的生活垃圾尚未进行分类，垃圾成分十分复杂，燃烧后排放的烟气成分也很复杂，含有多种未知高分子化合物，各种组份波动也较大，因此如果烟气处理不好，会影响分析系统的正常运行。
（2）我国生活垃圾含水量较高，燃烧后烟气中水分含量就会增加，同时烟气中存在多种强酸性化合物，大大增强了烟气的腐蚀性，也就增大了对分析系统腐蚀的危险性。
（3）垃圾焚烧排放的烟气中含有HF，脱硫后有时仍会超过10mg/m3。HF的排放对农业（如养蚕业）会造成很大的危害。因此，HF排放浓度的监测也具有现实意义。目前一些地方环保部门对HF排放的监测已经提出了要求。
（4）目前，我国垃圾焚烧工程往往没有依据国家标准的规定和烟气监测系统本身的要求进行设计。例如烟道直管段长度不够4D，取样点和分析系统距离太长，取样点的选择不合理等。这些问题都会直接影响系统测量的精度和稳定性，甚至会影响到工程的环保验收。
（5）垃圾焚烧烟气监测的难度远高于一般固定污染源烟气的监测（如火电厂），需要较高素质的专业人员进行运行和维护。但由于我国的垃圾焚烧烟气监测起步较晚，专业人员缺乏，尚需要1～2年时间进行人员培训和积累运行经验。
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