摘     要:傅立葉變換紅外分析（簡(jiǎn)稱FT-IR）系統(tǒng)具有如濕法分析、多組份監(jiān)測(cè)、低檢測(cè)限和極寬的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，特別適合垃圾焚燒爐排放的氣態(tài)污染物的監(jiān)測(cè)。本文主要介紹了FT-IR系統(tǒng)的測(cè)量原理、技術(shù)規(guī)格、系統(tǒng)組成和運(yùn)行結(jié)果，并討論了FT-IR系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)。

關(guān)鍵詞:傅立葉變換紅外分析 (FT-IR）系統(tǒng);垃圾處理廠;煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè);垃圾焚燒爐

1 傅立葉變換紅外分析的測(cè)量原理

傅立葉變換紅外分析（Fourier transform infrared，簡(jiǎn)稱FT-IR）是基于紅外吸收原理的廣譜分析技術(shù)，在一般的應(yīng)用中，其光譜波數(shù)范圍為600～4200cm-1。光源發(fā)射的紅外光線經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡面干涉儀（Carousel interferometer）被調(diào)制形成干涉紅外光線，進(jìn)入樣品池后則被煙氣中的化學(xué)組分吸收，最終到達(dá)對(duì)紅外光敏感的檢測(cè)器。收集到的訊號(hào)是振幅-時(shí)間的函數(shù)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換處理改變成振幅－頻率的函數(shù)，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(duì)得到的吸收光譜頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，以獲取振幅和頻率的精確響應(yīng)。

完成一個(gè)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(diào)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(diào)制的紅外線經(jīng)過(guò)純N2的吸收光譜，有時(shí)也稱零點(diǎn)光譜（Zero Spectrum）；而參考光譜是一種標(biāo)準(zhǔn)光譜，它貯存在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為定性和定量的依據(jù)。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(cè)系統(tǒng)的組成和功能

2.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

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

（1）FT-IR監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)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(cè)子系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)煙氣中固體顆粒物的濃度。

（3）輔助參數(shù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，包括流量、溫度、壓力和O2濃度的監(jiān)測(cè)，通過(guò)這些參數(shù)的測(cè)定，將污染物的排放濃度和排放量折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氧氣濃度為11VOL%時(shí)，干煙氣中各種污染物的排放濃度和排放量。

（4）數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，處理和存貯，并可形成報(bào)表及打印。

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

2.2FT-IR監(jiān)測(cè)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(cè)的數(shù)據(jù)可以調(diào)整和控制脫硫塔的運(yùn)行，同時(shí)還可作為環(huán)評(píng)的依據(jù)。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(cè)兩個(gè)脫硫塔出口，形成“一拖二”分析模式，但這種模式的缺點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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

（3）煙氣處理后，除對(duì)煙氣中的HCl、SO2、NOX、CO、HF、H2O氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還參照煙塵、溫度、壓力、氧含量和流量的監(jiān)測(cè)進(jìn)行排放評(píng)估。

（4）全套設(shè)備，包括采樣方法、測(cè)量原理、分析方法、性能指標(biāo)均滿足《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485－2001）和《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》（HJ/T76-2001）中關(guān)于生活垃圾焚燒煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求。

（5）除了取樣預(yù)處理部件具有很強(qiáng)的抗腐蝕性能以外，所有設(shè)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(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。

（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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或通訊。

（8）數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)的硬件采用工控機(jī)，能與FT-IR監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)及DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)配備顯示器和打印機(jī)，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(shí)、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(shí)、日、月及年報(bào)表。報(bào)表格式符合國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局頒布的《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》（HJ/T76-2001）的要求。

3 FT-IR系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1FT-IR分析系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）寬譜分析、測(cè)量組份多，可以分析50多個(gè)組份。就垃圾焚燒煙氣中氣態(tài)污染物對(duì)紅外線的吸收而言，其測(cè)量波數(shù)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(gè)組份。只要補(bǔ)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(yùn)轉(zhuǎn)，沒(méi)有水分冷凝引起的分析偏差和分析系統(tǒng)的腐蝕，不會(huì)因高沸點(diǎn)未知物凝固積累造成分析系統(tǒng)的堵塞。

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

（4）分析系統(tǒng)校準(zhǔn)高度自動(dòng)化，只用純N2氣體進(jìn)行零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)，不需要靈敏度校準(zhǔn)就可以長(zhǎng)期保持±2%的檢測(cè)精度，改變了以往分析系統(tǒng)依賴標(biāo)準(zhǔn)氣的陳舊模式，大大降低了運(yùn)行成本。此外，克服了某些低濃度標(biāo)準(zhǔn)氣（如HCl、H2O等）難以保證應(yīng)有的精確度和存貯的問(wèn)題。

（5）為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可比性，要求將測(cè)量數(shù)據(jù)修正成干煙氣條件下的排放濃度，因此水分的準(zhǔn)確測(cè)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(cè)定H2O的含量是FT-IR顯著的特點(diǎn)。

（6）響應(yīng)迅速，12個(gè)組份的全分析時(shí)間T90<120s。

（7）穩(wěn)定性好，維護(hù)量小，使用壽命長(zhǎng)。

3.2FT-IR與其他分析系統(tǒng)的對(duì)比

我國(guó)的垃圾焚燒煙氣監(jiān)測(cè)工作大致走過(guò)了十年的路程，先后采用過(guò)非色散紅外煙氣分析系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱NDIR）、氣體過(guò)濾相關(guān)分析系統(tǒng)（簡(jiǎn)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(yù)處理、傅立葉變換紅外分析儀和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)三個(gè)部分組成。FT-IR系統(tǒng)分析流程見(jiàn)圖3。

4.1氣體取樣及預(yù)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(guò)濾器、加熱器和氣候防護(hù)箱組成，內(nèi)置于取樣探頭的過(guò)濾器為SiC過(guò)濾介質(zhì)，過(guò)濾煙氣中存在的煙塵（一次過(guò)濾），取樣探頭恒溫在180℃±2℃的范圍內(nèi)，避免煙氣中的水分冷凝和未知高沸點(diǎn)化合物凝固。

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

（3）供氣單元：包括高溫泵、高溫切換閥、二次過(guò)濾器和流量計(jì)，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(jīng)二次過(guò)濾器再過(guò)濾，除去超細(xì)煙塵，流量計(jì)對(duì)煙氣流量進(jìn)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(jì)、加熱樣品池、檢測(cè)器和計(jì)算機(jī)控制單元五個(gè)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(zhǎng)。

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

（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(zhǎng)可達(dá)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(cè)器：DTGS（Deuterated Triglycine Sulfate）熱導(dǎo)檢測(cè)器，響應(yīng)時(shí)間0.001～0.1s，寬帶響應(yīng)600～4200cm-1，穩(wěn)定性好。對(duì)紅外光很敏感，吸收紅外輻射改變熱電子運(yùn)動(dòng)，從而引起電阻的變化。

（5）計(jì)算機(jī)控制單元：包括微處理器、前置放大器、主訊號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電子帶通過(guò)濾器和供電單元。微處理器控制整個(gè)分析過(guò)程，進(jìn)行傅立葉變換和利用數(shù)據(jù)庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)訊號(hào)進(jìn)行分析、鎖定。

4.3 數(shù)據(jù)采集和處理單元

數(shù)據(jù)采集和處理單元包括工控機(jī)、顯示器、打印機(jī)和系統(tǒng)軟件四個(gè)部分。其作用為：

（1）控制整個(gè)FT-IR系統(tǒng)的操作，如取樣、反吹、零點(diǎn)校準(zhǔn)等。

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

（3）數(shù)據(jù)采集和處理。對(duì)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(hào)進(jìn)行采集處理和存貯，并按有關(guān)規(guī)范的要求和格式打印報(bào)告。

（4）輸出4～20mA訊號(hào)，具有與DCS通訊的功能。

5 傅立葉變換紅外分析儀技術(shù)指標(biāo)

5.1主要技術(shù)指標(biāo)

（1）型號(hào)：芬蘭GASMET生產(chǎn)的GASMETCX-4000；測(cè)量原理：FT-IR；零點(diǎn)漂移：自動(dòng)修正；靈敏度漂移：無(wú)；線性偏差≤2%F·S；響應(yīng)時(shí)間（T90）≤120s；防護(hù)等級(jí)：IP65；數(shù)據(jù)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(cè)器：Peltier制冷MCT；紅外光源：SiC, 1550K；窗口：BaF2；波數(shù)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(guò)濾要求≤2μ。

5.2主要測(cè)量組份及測(cè)量范圍（見(jiàn)表2）

6 FT-IR在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

近幾年，國(guó)內(nèi)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(jìn)15套FT-IR系統(tǒng)CX-4000，多數(shù)已投入運(yùn)行且運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(yùn)行的監(jiān)測(cè)裝置均已通過(guò)環(huán)保驗(yàn)收并在應(yīng)用中取得了良好的效果，獲得用戶好評(píng)。這些垃圾焚燒發(fā)電廠大都引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備或技術(shù)，執(zhí)行歐洲的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煙氣監(jiān)測(cè)的要求很高。FT-IR系統(tǒng)的引進(jìn)，對(duì)我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電事業(yè)起到了良好的推動(dòng)作用。

7 討論

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

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

（3）垃圾焚燒排放的煙氣中含有HF，脫硫后有時(shí)仍會(huì)超過(guò)10mg/m3。HF的排放對(duì)農(nóng)業(yè)（如養(yǎng)蠶業(yè)）會(huì)造成很大的危害。因此，HF排放濃度的監(jiān)測(cè)也具有現(xiàn)實(shí)意義。目前一些地方環(huán)保部門對(duì)HF排放的監(jiān)測(cè)已經(jīng)提出了要求。

（4）目前，我國(guó)垃圾焚燒工程往往沒(méi)有依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如煙道直管段長(zhǎng)度不夠4D，取樣點(diǎn)和分析系統(tǒng)距離太長(zhǎng)，取樣點(diǎn)的選擇不合理等。這些問(wèn)題都會(huì)直接影響系統(tǒng)測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，甚至?xí)绊懙焦こ痰沫h(huán)保驗(yàn)收。

（5）垃圾焚燒煙氣監(jiān)測(cè)的難度遠(yuǎn)高于一般固定污染源煙氣的監(jiān)測(cè)（如火電廠），需要較高素質(zhì)的專業(yè)人員進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)。但由于我國(guó)的垃圾焚燒煙氣監(jiān)測(cè)起步較晚，專業(yè)人員缺乏，尚需要1～2年時(shí)間進(jìn)行人員培訓(xùn)和積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

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