基于傅里葉紅外原理的在線監測設備在垃圾焚燒原煙氣污染物監測中的應用

史海超，呂旭東

（1.光大環保能源（衢州）有限公司，浙江 衢州 324000；2.北京帕莫瑞科技有限公司，北京 100070）

城市生活垃圾是指在日常生活中或為日常生活提供服務的活動中產生的固體廢物，以及法律、行政法規規定視為生活垃圾的固體廢物。我國城市生活垃圾包括熱值低、含水量高、成分復雜等特點，目前生活垃圾主要有三種處理方式有衛生填埋、垃圾堆肥、垃圾焚燒。目前國內普遍采用的方法為垃圾焚燒，焚燒法是將垃圾進行高溫熱處理，在850℃以上的焚燒爐爐膛內，通過燃燒，使垃圾中的化學活性成分充分氧化，釋放熱量，轉化為高溫煙氣和少量性質穩定的殘渣，其中高溫煙氣可以作為熱能回收，用于發電或供熱。垃圾經焚燒處理后，垃圾中的細菌、病毒被消滅，帶惡臭的氨氣和有機質廢氣被高溫分解，燃燒過程中產生的有害氣體和煙塵經環保處理后達到排放要求。

整個焚燒過程中，會在最終的煙囪排放口安裝在線監測設備，用于監測排放到大氣中的污染物濃度，以此來作為環保指標對垃圾焚燒的工藝進行控制。近幾年，隨著垃圾焚燒項目在國內的大量興建，對于垃圾焚燒發電廠的精細化運營管理已經上升到了不可或缺的高度，為了實現精細化運營管理，則需要在物料消耗方面進行控制，為了實現這一目標，特此在光大環保能源（衢州）有限公司項目省煤器出口處，安裝了一套基于傅里葉紅外原理的在線監測設備，用于對原煙氣進行監測，實現原煙氣和尾部煙道煙氣同時進行焚燒系統工藝的閉環控制。

1 傅里葉紅外原理簡介及幾種常見的煙氣監測原理

1.1 傅里葉紅外原理介紹

Fourier Transform Infrared 簡寫為FTIR，不同于色散型分析原理，他沒有單色器和狹縫，利用立方角干涉儀獲得入射光的干涉圖，然后通過傅里葉數學變換，把時間域函數干涉圖變換為頻率域函數圖，也就是普通的紅外光譜圖，之后通過傳統紅外光譜分析技術可以對測量物質進行定性和定量的研究。

紅外吸收光譜是一種分子吸收光譜。當一定頻率的紅外光照射到樣品時，其輻射的能量不能引起分子中電子能級的躍遷，而只能被樣品的分子吸收，引起分子的振動能級和轉動能級的躍遷，樣品分子中某個基團的振動頻率和照射的紅外光頻率一致時，二者就會產生共振，此時光的能量通過分子偶極矩的變化而傳遞給分子，表現為這個分子基團吸收一定頻率的紅外光，導致分子內原子在其平衡位置振動和轉動，而產生分子振動能級和轉動能級的躍遷。

若采用連續改變頻率的紅外光照射某樣品時，由于該樣品分子的特定基團對某些頻率的光有吸收，而對其它頻率的光無吸收，并且吸收的程度和該基團組成和結構有關，呈現出帶狀光譜，從而表征出整個分子不同基團的特征吸收峰位，可作為鑒別分子中各種基團的依據，并進而推斷分子的整體結構信息[1]。

1.2 幾種常見的煙氣監測原理

目前針對垃圾焚燒幾種常見的監測方法為NDIR，GFC，FTIR方法，其中NDIR與GFC方法為早期使用的測量方法，需要采用多種濾光片實現對不同測量組分的分析（如圖1），通過電機轉動濾光片輪，注意選擇被分析組分的吸收光譜，隨著測量組分的增加，測量系統的復雜性也隨之增加，不適用于分析微量組分，對HF無法進行分析。

圖1 GFC原理

FTIR方法為傅里葉紅外變換方法，寬光譜紅外光通過角立方干涉儀后，形成干涉光譜，經樣氣吸收后的紅外光經過傅里葉變換后與計算機中的譜庫進行對比分析，最終實現定性，定量分析，系統配置不會隨測量組分增加有改變，紅外光經過干涉后，光強增加，信噪比遠遠高于GFC與NDIR方法，靈敏性高，檢出限低，因為屬于高溫采樣，采樣點溫度與測量池溫度均可加熱至180度，所以對水溶性物質，如HCL、HF、SO2的測量可以達到很高的精度[2]。目前國內80%以上的垃圾焚燒電廠均已采用傅里葉紅外原理的在線監測設備（如圖2）。

圖2 傅里葉原理

2 針對原煙氣監測的應用

2.1 原煙氣與尾部煙道氣體組分的區別

光大環保能源（衢州）有限公司項目設置兩條煙氣凈化線與兩條焚燒線相對應（如圖3）。煙氣處理系統采用SNCR+半干法+干法+活性炭噴射+布袋+SCR+GGH+濕法的煙氣凈化方式。煙氣經過SNCR+半干法+干法+活性炭噴射+布袋系統后，達到歐盟2010排放標準。濕法脫酸塔用于保證粉塵、S02、HC1分別達到5 mg/Nm3、10 mg/Nm3、5 mg/Nm3的排放標準。SCR保證N0x排放達到50 mg/Nm3的排放標準。

圖3 衢州拉法工藝流程

一般原煙氣是指省煤器入口或者出口處的煙氣組分，此處對煙氣的處理工藝只有爐內脫銷，所以煙氣成分復雜，具體高溫，高濕，高酸，高粉塵的特點，而尾部煙道煙氣是指最終通過煙囪排放至大氣的煙氣組分，此處對煙氣的處理工藝包括脫酸，SCR脫銷，布袋除塵等，煙氣成分簡單，已經遠遠低于國家環保標準規定的排放濃度限值，主要組分及濃度可參考表1。

表1 煙氣成分組分及濃度

2.2 使用傅里葉原理的優點

因為原煙氣成分復雜，煙氣濕度大，濃度高，會導致煙氣濕度對其它組分的測量干擾增加，使用常規GFC，NDIR方法的分析儀會造成待測物質測量值偏差大，同時因為煙氣濕度對待測物質的干擾，會造成SO2濃度偏低。

原煙氣監測設備一般安裝在省煤器出口及入口位置，此位置因為爐內脫銷噴氨的原因，會造成某些時刻氨逃逸增大，過量的逃逸氨氣同時也會干擾SO2氣體的測量。

傅里葉原理因為對紅外光進行干涉調制處理，提高紅外光整體強度，提高了信噪比，所以適用于高濕高濃度氣體的測量，同時采用偏最小二乘方法及標準Hitran光譜庫對光譜之間的干擾進行處理，很大程度上消除了各物質之間光譜重疊的影響，所以當前，使用傅里葉紅外原理對原煙氣的測量能很大程度上保證測量的準確性及精確性[3]。

2.3 原煙氣在線監測設備的組成

原煙氣監測設備位于所有處理工藝之前，所以原煙氣具有酸性氣體濃度高，煙氣溫度高，粉塵濃度高，煙氣濕度高等特點，常規用于尾部煙道排放監測設備，并不能直接用在此位置進行測量，需要針對在線監測設備的組成部分做出一些設備的改造及系統運行邏輯的調整。

常規煙氣在線監測設備是由分析儀，采樣探頭，加熱管線，粉塵測量單元，溫壓流測量單元，氧氣測量單元組成，其中氧氣一般采用內置氧化鋯進行測量，針對原煙氣測量，需要進行一些設備的改造及調整。

2.3.1 采樣探頭

因為原煙氣煙氣溫度一般為200度以上，粉塵含量高，一般為4 g/m3以上，所以采樣探頭不可以直接采用316 L材質進行使用，需要在伸入煙道部分采用陶瓷保護套對探頭本體進行保護，防止長時間使用（如圖4），因為粉塵磨損，造成探頭泄露甚至斷裂。

圖4 原煙氣采樣探頭

同時因為粉塵濃度高，所以采樣探頭前置過濾器需要采用大表面積過濾材料，確保反吹的效果及長期使用的耐久度。

2.3.2 氧氣測量單元

常規監測設備使用內置式氧化鋯探頭進行氧氣的測量，但因為原煙氣中煙氣濃度高，高還原性氣體會導致氧化鋯鋯頭損耗快，所以需要采用外置式氧化鋯探頭，外置式氧化鋯探頭有針對原煙氣的保護設計，可以提高探頭的使用壽命。

2.3.3 溫壓流及粉塵測量單元

原煙氣的測量主要作為爐內脫銷控制的前饋系統，脫酸效率的評估，所以針對煙氣流速及煙塵的測量意義不大，目前國內垃圾焚燒電廠鮮有安裝煙氣流速設備及粉塵設備用于原煙氣的測量，如果需要進行粉塵的測量，需要考慮粉塵儀設備的環境使用溫度，避免因為環境溫度過高，導致粉塵儀損壞。

2.3.4 分析系統

原煙氣監測設備多采用傅里葉紅外變換原理光譜儀，通過真空射流泵將煙氣抽取至分析儀內氣體池中，其中加熱管線，采樣探頭，氣體池均加熱至180度，整個煙氣傳輸路徑中不能存在任何冷點，因為高粉塵的原因，分析系統需要采用脈沖式反吹，并且提高反吹周期，確保延長探頭的維護周期。

原煙氣監測設備多放置在廠房內部，在無監測小屋的情況下，需要配置機柜空調，防止環境溫度過高，導致分析儀工作不正常。

3 原煙氣監測的應用

3.1 原煙氣監測在SNCR控制中的應用

SNCR系統作為降低NOx濃度的主要方法，被廣泛用于垃圾焚燒電廠工藝過程中，此前通過尾部煙道監測NOx和NH3的濃度來參與控制SNCR系統氨水噴量，但由于尾部煙道與爐膛距離較遠，反饋回來的NOx和NH3濃度并不能表征當前爐膛內實際工況，所以會造成SNCR系統控制過程中存在或多或少的延時，對于PID調節會增加一定的困難。

原煙氣在線監測設備實時監測NOx和NH3濃度，通過模擬量或者數字量通訊的方式將測量值接入DCS系統內，因為原煙氣系統距離爐膛距離近，使得SNCR系統可以通過前饋方式動態調整SNCR氨水噴量，使得控制策略延時減少，更加容易收斂。如下圖所示為2022年9月9日16點至17點數據，圖5為時間點一致的在線煙氣監測設備的NOx濃度曲線。

圖5 在線煙氣監測設備的NOx濃度曲線1

圖6將原煙氣濃度曲線向后偏移了8個數據單位，即8分鐘，此時看到原煙氣濃度與尾部煙道NOx濃度曲線重合，說明原煙氣設備測量有一定的提前量。此提前量對于SNCR的控制有很重要的影響因素。

圖6 在線煙氣監測設備的NOx濃度曲線2

3.2 原煙氣監測在SCR控制中的應用

SCR系統，全稱選擇性催化還原技術，因其脫銷效率高，高達80%以上，目前也被廣泛用于垃圾焚燒電廠工藝過程中，通過對原煙氣的監測，可以通過NOx的排放濃度，適時調整SCR系統的啟停，某些情況下，在僅使用SNCR系統控制下即可滿足環保要求，可以適時的停止SCR系統，節省催化劑的消耗。

原煙氣監測系統通過對NH3、SO2的監測，可以防止過量的NH3、SO2進入SCR系統，導致催化劑中毒等問題，當然，如果需要精細調整SCR工作狀態，需要在SCR前后安裝監測系統。

3.3 原煙氣監測在燃燒控制中的應用

因為原煙氣監測系統距離爐膛距離近，可以更準確的反應爐膛內燃燒狀態，通過監測CO與O2的含量，可以更準確的反應當前爐膛內是否燃燒充分，提前控制風門開度等操作，以免尾部煙道CO濃度超標造成的環保督辦。

3.4 原煙氣監測在脫酸塔中的應用

目前垃圾焚燒電廠普遍采用旋轉霧化器對酸性氣體，諸如SO2，HCl進行脫除，旋轉霧化器屬于動設備，通過原煙氣監測系統對SO2和HCL進行監測，可以實時了解旋轉霧化器脫酸效率，對于設備的維護檢修周期提供數據依據，可以更好的對設備狀態起到監控作用。

4 結語

綜上所述，對于原煙氣的監測，可以更好地對垃圾焚燒電廠各設備工作狀態進行評估，在某些工藝控制過程中，引入原煙氣監測可以降低控制難度，提高控制策略的響應時間。隨著中國經濟對環境保護的重視，垃圾焚燒勢必會成為主流的處理方式，全廠運行的精細化管理也必將成為重中之重，對于原煙氣的監測也會成為今后垃圾焚燒控制及管理過程中的重點。