FT-IR系統在垃圾焚燒煙氣排放連續監測中的應用
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。
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2 垃圾焚燒煙氣排放連續監測系統的組成和功能
2.1 監測系統的組成
垃圾焚燒在線煙氣監測系統通常由各種煙氣監測子系統組成，例如系統CX－4000的基本配置分為4個部分，如圖2所示。
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（1）FT-IR監測子系統，用于監測煙氣中氣態污染物和水分含量，如SO2、NOX、CO、CO2、HCl和 H2O等。其中NOX包括NO、NO2和N2O。（2）煙塵監測子系統用于監測煙氣中固體顆粒物的濃度。
（3）輔助參數監測子系統，包括流量、溫度、壓力和 O2濃度的監測，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，對監測的數據進行采集，處理和存貯，并可形成報表及打印。
上述4個監測子系統中，FT-IR監測子系統是最重要的，也是最新的測量技術，因此本文著重介紹FT-IR監測子系統。
2.2 FT-IR監測子系統的功能及要求
（1）通常每條垃圾焚燒線配置一套FT-IR分析系統，安裝在脫硫塔（噴霧器）出口，監測的數據可以調整和控制脫硫塔的運行，同時還可作為環評的依據。有的FT-IR分析系統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測。
（2）煙氣處理前，對煙氣中的HCl、SO2、NOX、 CO、HF、H2O氣體進行監測，并把濃度信號提供給 DCS系統，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氣體進行監測外，還參照煙塵、溫度、壓力、氧含量和流量的監測進行排放評估。
（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監測系統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監測的相關要求。
（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的硬件采用工控機，能與 FT-IR監測子系統及DCS進行數據通訊；數據采集處理子系統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境保護總局頒布的《固定污染源排放煙氣連續監測系統技術要求及檢測方法》（HJ/T76-2001）的要求。
3 FT-IR系統的特點
3.1 FT-IR分析系統的優點
（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的腐蝕，不會因高沸點未知物凝固積累造成分析系統的堵塞。
（3）較寬的動態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測量范圍，很難滿足這種要求。
（4）分析系統校準高度自動化，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）穩定性好，維護量小，使用壽命長。
3.2 FT-IR與其他分析系統的對比
我國的垃圾焚燒煙氣監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（簡稱 NDIR）、氣體過濾相關分析系統（簡稱GFC）及FT－ IR系統。表1給出了這三種分析系統的性能比較。
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4 FT-IR系統的組成
FT-IR系統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三個部分組成。FT-IR系統分析流程見圖3。
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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。
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（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，穩定性高，抗振動，不受環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、打印機和系統軟件四個部分。其作用為：
（1）控制整個FT-IR系統的操作，如取樣、反吹、零點校準等。
（2）監視FT-IR系統的運行狀態，并給出狀態信號。
（3）數據采集和處理。對氣態污染物如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）
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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電廠、深能源深圳寶安垃圾焚燒發電廠、廣東順德垃圾焚燒發電廠、廣州李坑垃圾焚燒電廠、福建福州紅廟嶺垃圾焚燒發電廠、江蘇宜興垃圾焚燒發電廠等企業先后共引進15套FT-IR系統CX-4000，多數已投入運行且運行穩定，監測項目主要為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測裝置均已通過環保驗收并在應用中取得了良好的效果，獲得用戶好評。這些垃圾焚燒發電廠大都引進國外的先進設備或技術，執行歐洲的煙氣排放標準，對煙氣監測的要求很高。FT-IR系統的引進，對我國垃圾焚燒發電事業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（如養蠶業）會造成很大的危害。因此，HF排放濃度的監測也具有現實意義。目前一些地方環保部門對HF排放的監測已經提出了要求。
（4）目前，我國垃圾焚燒工程往往沒有依據國家標準的規定和煙氣監測系統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測量的精度和穩定性，甚至會影響到工程的環保驗收。
（5）垃圾焚燒煙氣監測的難度遠高于一般固定污染源煙氣的監測（如火電廠），需要較高素質的專業人員進行運行和維護。但由于我國的垃圾焚燒煙氣監測起步較晚，專業人員缺乏，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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