1  傅立葉變換紅外分析的測量原理

傅立葉變換紅外分析（Fourier transform infrared，簡稱FT-IR）是基于紅外吸收原理的廣譜分析技術，在一般的應用中，其光譜波數范圍為 600～4200cm-1 。光源發(fā)射的紅外光線經過旋轉鏡面干涉儀（Carousel  inter- ferometer）被調制形成干涉紅外光線，進入樣品池后則被煙氣中的化學組分吸收，最終到達對紅外光敏感的檢測器。收集到的訊號是振幅-時間的函數，經過傅立葉變換處理改變成振幅－頻率的函數，即慣用的氣樣紅外吸收光譜。為了取得精確的紅外吸收光譜，還必須用單色性很好的He－Ne激光對得到的吸收光譜頻率進行校準，以獲取振幅和頻率的精確響應。

完成一個傅立葉變換的分析，需要三種光譜資料，即氣樣光譜（Sample  Spectrum）、背景光譜（Background Spectrum）和參考光譜（Reference  Spectrum）。氣樣光譜表示的是調制的紅外線被煙氣中各種組分吸收后的光譜；背景光譜則是調制的紅外線經過純N2的吸收光譜，有時也稱零點光譜（Zero  Spectrum）；而參考光譜是一種標準光譜，它貯存在計算機數據庫中，作為定性和定量的依據。FT-IR的步驟如圖1所示。

2  垃圾焚燒煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的組成和功能

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

垃圾焚燒在線煙氣監(jiān)測系統(tǒng)通常由各種煙氣監(jiān)測子系統(tǒng)組成，例如系統(tǒng)CX－4000的基本配置分為4個部分，如圖2所示。

（1）FT-IR監(jiān)測子系統(tǒng)，用于監(jiān)測煙氣中氣態(tài)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）煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)用于監(jiān)測煙氣中固體顆粒物的濃度。

（3）輔助參數監(jiān)測子系統(tǒng)，包括流量、溫度、壓力和 O2濃度的監(jiān)測，通過這些參數的測定，將污染物的排放濃度和排放量折算成標準狀況下，氧氣濃度為11VOL%時，干煙氣中各種污染物的排放濃度和排放量。

（4）數據采集和處理子系統(tǒng)，對監(jiān)測的數據進行采集，處理和存貯，并可形成報表及打印。

上述4個監(jiān)測子系統(tǒng)中，F(xiàn)T-IR監(jiān)測子系統(tǒng)是最重要的，也是最新的測量技術，因此本文著重介紹FT-IR監(jiān)測子系統(tǒng)。

2.2 FT-IR監(jiān)測子系統(tǒng)的功能及要求

（1）通常每條垃圾焚燒線配置一套FT-IR分析系統(tǒng)，安裝在脫硫塔（噴霧器）出口，監(jiān)測的數據可以調整和控制脫硫塔的運行，同時還可作為環(huán)評的依據。有的FT-IR分析系統(tǒng)配備兩套取樣探頭和兩根加熱取樣管線，巡回檢測兩個脫硫塔出口，形成“一拖二”分析模式，但這種模式的缺點是不能實時監(jiān)測。

（2）煙氣處理前，對煙氣中的HCl、SO2、NOX、 CO、HF、H2O氣體進行監(jiān)測，并把濃度信號提供給 DCS系統(tǒng)，作為過程控制的參數，參與控制噴霧塔加注石灰漿的數量。

（3）煙氣處理后，除對煙氣中的HCl、SO2、 NOX、CO、HF、H2O氣體進行監(jiān)測外，還參照煙塵、溫度、壓力、氧含量和流量的監(jiān)測進行排放評估。

（4）全套設備，包括采樣方法、測量原理、分析方法、性能指標均滿足《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485－2001）和《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》（HJ/T76-2001）中關于生活垃圾焚燒煙氣排放連續(xù)監(jiān)測的相關要求。

（5）除了取樣預處理部件具有很強的抗腐蝕性能以外，所有設備外殼或外罩均具有耐腐蝕性、密封良好、能有效防塵、防雨。

（6）FT-IR分析系統(tǒng)能自動或手動進行零點校準。

（7）具有隔離的4～20mA輸入/輸出接口和RS232通訊接口，可與控制室的DCS進行數據傳輸或通訊。

（8）數據采集處理子系統(tǒng)的硬件采用工控機，能與 FT-IR監(jiān)測子系統(tǒng)及DCS進行數據通訊；數據采集處理子系統(tǒng)配備顯示器和打印機，可顯示、打印SO2、NOX、HCl、 HF、CO、CO2、H2O、O2等氣體組分的濃度、煙塵濃度、煙氣流量的小時、日、月、年平均值及最大值、最小值。也能顯示、打印SO2、NOX、HCl、HF、CO、CO2、煙塵等污染物排放量的小時、日、月及年報表。報表格式符合國家環(huán)境保護總局頒布的《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》（HJ/T76-2001）的要求。

3  FT-IR系統(tǒng)的特點

3.1 FT-IR分析系統(tǒng)的優(yōu)點

（1）寬譜分析、測量組份多，可以分析50多個組份。就垃圾焚燒煙氣中氣態(tài)污染物對紅外線的吸收而言，其測量波數范圍在900～4200cm-1 之間，只分析SO2、 NOX(NO+NO2+N2O)、CO、CO2、HCl、HF、HCN、NH3、 CH4、H2O，共12個組份。只要補充軟件，還可以增加TOC的分析。

（2）濕法分析。系統(tǒng)全部處于180℃高溫下運轉，沒有水分冷凝引起的分析偏差和分析系統(tǒng)的腐蝕，不會因高沸點未知物凝固積累造成分析系統(tǒng)的堵塞。

（3）較寬的動態(tài)測量范圍和很低的檢測限。在垃圾焚燒煙氣中，某些組份的濃度有時很高，如H2O的濃度高達40VOL%，CO₂濃度高達20VOL%，但HCl和HF的濃度一般只有10～30mg/m³ ，其量程比例超過104 ，其它分析方法沒有這么寬的動態(tài)測量范圍，很難滿足這種要求。

（4）分析系統(tǒng)校準高度自動化，只用純N2氣體進行零點自動校準，不需要靈敏度校準就可以長期保持 ±2%的檢測精度，改變了以往分析系統(tǒng)依賴標準氣的陳舊模式，大大降低了運行成本。此外，克服了某些低濃度標準氣（如HCl、H₂O等）難以保證應有的精確度和存貯的問題。

（5）為了保證監(jiān)測數據的可比性，要求將測量數據修正成干煙氣條件下的排放濃度，因此水分的準確測量就顯得異常重要。生活垃圾不但水分含量高，而且變化大。能夠精確、穩(wěn)定地測定H2O的含量是FT-IR顯著的特點。

（6）響應迅速，12個組份的全分析時間T90<120s。

（7）穩(wěn)定性好，維護量小，使用壽命長。

3.2 FT-IR與其他分析系統(tǒng)的對比

我國的垃圾焚燒煙氣監(jiān)測工作大致走過了十年的路程，先后采用過非色散紅外煙氣分析系統(tǒng)（簡稱 NDIR）、氣體過濾相關分析系統(tǒng)（簡稱GFC）及FT－ IR系統(tǒng)。表1給出了這三種分析系統(tǒng)的性能比較。

4  FT-IR系統(tǒng)的組成

FT-IR系統(tǒng)由氣體取樣及預處理、傅立葉變換紅外分析儀和數據采集處理系統(tǒng)三個部分組成。FT-IR系統(tǒng)分析流程見圖3。

4.1 氣體取樣及預處理部分的部件組成

（1）高溫取樣探頭：由取樣管、取樣探頭、過濾器、加熱器和氣候防護箱組成，內置于取樣探頭的過濾器為SiC過濾介質，過濾煙氣中存在的煙塵（一次過濾），取樣探頭恒溫在180℃±2℃的范圍內，避免煙氣中的水分冷凝和未知高沸點化合物凝固。

（2）加熱取樣輸氣管線：為φ40mm的帶護套加熱取樣管，內置φ8Teflon或PFA耐高溫和耐腐蝕氟塑管（最高承受溫度為260℃），管內溫度控制在180℃。

（3）供氣單元：包括高溫泵、高溫切換閥、二次過濾器和流量計，所有部件均恒溫在180℃。其中高溫采樣泵可從煙道中抽取煙氣，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(jiān)視。

4.2 傅立葉變換紅外分析儀

傅立葉變換紅外分析儀由寬帶紅外光源、干涉計、加熱樣品池、檢測器和計算機控制單元五個部分組成，其工作程序如圖4。

（1）紅外光源：采用目前FT-IR中最常用的陶瓷 SiC光源，溫度1200℃，抗振、寬譜、壽命長。

（2）干涉計：卡洛斯（Carousel）干涉計，一種新型旋轉式干涉計，其結構緊湊，穩(wěn)定性高，抗振動，不受環(huán)境溫度和壓力變化的影響，適合于檢測微量濃度和寬頻響應。

（3）加熱樣品池：雙板定曲率鍍金鏡面反射樣品池，多光通道，總長可達7.0m，體積1.07L，窗口材料為BaF2，極耐腐蝕，樣品池恒溫在180℃。

（4）檢測器：DTGS（Deuterated Triglycine Sul- fate）熱導檢測器，響應時間0.001～0.1s，寬帶響應 600～4200cm-1 ，穩(wěn)定性好。對紅外光很敏感，吸收紅外輻射改變熱電子運動，從而引起電阻的變化。

（5）計算機控制單元：包括微處理器、前置放大器、主訊號放大器、模數轉換器、電子帶通過濾器和供電單元。微處理器控制整個分析過程，進行傅立葉變換和利用數據庫中標準譜圖對訊號進行分析、鎖定。

4.3  數據采集和處理單元

數據采集和處理單元包括工控機、顯示器、打印機和系統(tǒng)軟件四個部分。其作用為：

（1）控制整個FT-IR系統(tǒng)的操作，如取樣、反吹、零點校準等。

（2）監(jiān)視FT-IR系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并給出狀態(tài)信號。

（3）數據采集和處理。對氣態(tài)污染物如HCl、 SO2、CO、NOX，流量、煙塵溫度、壓力、O2含量等的訊號進行采集處理和存貯，并按有關規(guī)范的要求和格式打印報告。

（4）輸出4～20mA訊號，具有與DCS通訊的功能。

5  傅立葉變換紅外分析儀技術指標

5.1 主要技術指標

（1）型號：芬蘭GASMET生產的GASMETCX- 4000；測量原理：FT-IR；零點漂移：自動修正；靈敏度漂移：無；線性偏差≤2%F·S；響應時間（T90） ≤120s；防護等級：IP65；數據接口：通訊，RS- 232,D型9孔；電源：220V/50-60HZ。（2）Carousel干涉儀。分辨率：4cm-1 ；掃描速度： 10次/s；檢測器：Pelt ier制冷MCT；紅外光源：SiC, 1550K；窗口：BaF2；波數范圍：900～4200cm-1 。

（3）樣氣室。工作溫度：180℃；多次反射光程： 2.5～7.0m；材料：100%黃金鍍層；反射鏡：固定，黃金鍍層；體積：1.07L；接口：1/4”；密封：Viton. O-rings。

（4）采樣泵。樣氣流量：2～5L/min；塵過濾要求≤2μ。

5.2 主要測量組份及測量范圍（見表2）

6  FT-IR在國內的應用

近幾年，國內已有重慶同興垃圾焚燒發(fā)電廠、深能源深圳寶安垃圾焚燒發(fā)電廠、廣東順德垃圾焚燒發(fā)電廠、廣州李坑垃圾焚燒電廠、福建福州紅廟嶺垃圾焚燒發(fā)電廠、江蘇宜興垃圾焚燒發(fā)電廠等企業(yè)先后共引進15套FT-IR系統(tǒng)CX-4000，多數已投入運行且運行穩(wěn)定，監(jiān)測項目主要為HCl、SO2、NOX、CO、HF、 H2O、O2煙塵、流量，處理量為600～1200噸/天。其中已投入運行的監(jiān)測裝置均已通過環(huán)保驗收并在應用中取得了良好的效果，獲得用戶好評。這些垃圾焚燒發(fā)電廠大都引進國外的先進設備或技術，執(zhí)行歐洲的煙氣排放標準，對煙氣監(jiān)測的要求很高。FT-IR系統(tǒng)的引進，對我國垃圾焚燒發(fā)電事業(yè)起到了良好的推動作用。

7  討論

（1）由于我國的生活垃圾尚未進行分類，垃圾成分十分復雜，燃燒后排放的煙氣成分也很復雜，含有多種未知高分子化合物，各種組份波動也較大，因此如果煙氣處理不好，會影響分析系統(tǒng)的正常運行。

（2）我國生活垃圾含水量較高，燃燒后煙氣中水分含量就會增加，同時煙氣中存在多種強酸性化合物，大大增強了煙氣的腐蝕性，也就增大了對分析系統(tǒng)腐蝕的危險性。

（3）垃圾焚燒排放的煙氣中含有HF，脫硫后有時仍會超過10mg/m3 。HF的排放對農業(yè)（如養(yǎng)蠶業(yè)）會造成很大的危害。因此，HF排放濃度的監(jiān)測也具有現(xiàn)實意義。目前一些地方環(huán)保部門對HF排放的監(jiān)測已經提出了要求。

（4）目前，我國垃圾焚燒工程往往沒有依據國家標準的規(guī)定和煙氣監(jiān)測系統(tǒng)本身的要求進行設計。例如煙道直管段長度不夠4D，取樣點和分析系統(tǒng)距離太長，取樣點的選擇不合理等。這些問題都會直接影響系統(tǒng)測量的精度和穩(wěn)定性，甚至會影響到工程的環(huán)保驗收。

（5）垃圾焚燒煙氣監(jiān)測的難度遠高于一般固定污染源煙氣的監(jiān)測（如火電廠），需要較高素質的專業(yè)人員進行運行和維護。但由于我國的垃圾焚燒煙氣監(jiān)測起步較晚，專業(yè)人員缺乏，尚需要1～2年時間進行人員培訓和積累運行經驗。       

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