基于傅里叶红外原理的在线监测设备在垃圾焚烧原烟气污染物监测中的应用

史海超，吕旭东

（1.光大环保能源（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为日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，以及法律、行政法规规定视为生活垃圾的固体废物。我国城市生活垃圾包括热值低、含水量高、成分复杂等特点，目前生活垃圾主要有三种处理方式有卫生填埋、垃圾堆肥、垃圾焚烧。目前国内普遍采用的方法为垃圾焚烧，焚烧法是将垃圾进行高温热处理，在850℃以上的焚烧炉炉膛内，通过燃烧，使垃圾中的化学活性成分充分氧化，释放热量，转化为高温烟气和少量性质稳定的残渣，其中高温烟气可以作为热能回收，用于发电或供热。垃圾经焚烧处理后，垃圾中的细菌、病毒被消灭，带恶臭的氨气和有机质废气被高温分解，燃烧过程中产生的有害气体和烟尘经环保处理后达到排放要求。

整个焚烧过程中，会在最终的烟囱排放口安装在线监测设备，用于监测排放到大气中的污染物浓度，以此来作为环保指标对垃圾焚烧的工艺进行控制。近几年，随着垃圾焚烧项目在国内的大量兴建，对于垃圾焚烧发电厂的精细化运营管理已经上升到了不可或缺的高度，为了实现精细化运营管理，则需要在物料消耗方面进行控制，为了实现这一目标，特此在光大环保能源（衢州）有限公司项目省煤器出口处，安装了一套基于傅里叶红外原理的在线监测设备，用于对原烟气进行监测，实现原烟气和尾部烟道烟气同时进行焚烧系统工艺的闭环控制。

1 傅里叶红外原理简介及几种常见的烟气监测原理

1.1 傅里叶红外原理介绍

Fourier Transform Infrared 简写为FTIR，不同于色散型分析原理，他没有单色器和狭缝，利用立方角干涉仪获得入射光的干涉图，然后通过傅里叶数学变换，把时间域函数干涉图变换为频率域函数图，也就是普通的红外光谱图，之后通过传统红外光谱分析技术可以对测量物质进行定性和定量的研究。

红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。当一定频率的红外光照射到样品时，其辐射的能量不能引起分子中电子能级的跃迁，而只能被样品的分子吸收，引起分子的振动能级和转动能级的跃迁，样品分子中某个基团的振动频率和照射的红外光频率一致时，二者就会产生共振，此时光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，表现为这个分子基团吸收一定频率的红外光，导致分子内原子在其平衡位置振动和转动，而产生分子振动能级和转动能级的跃迁。

若采用连续改变频率的红外光照射某样品时，由于该样品分子的特定基团对某些频率的光有吸收，而对其它频率的光无吸收，并且吸收的程度和该基团组成和结构有关，呈现出带状光谱，从而表征出整个分子不同基团的特征吸收峰位，可作为鉴别分子中各种基团的依据，并进而推断分子的整体结构信息[1]。

1.2 几种常见的烟气监测原理

目前针对垃圾焚烧几种常见的监测方法为NDIR，GFC，FTIR方法，其中NDIR与GFC方法为早期使用的测量方法，需要采用多种滤光片实现对不同测量组分的分析（如图1），通过电机转动滤光片轮，注意选择被分析组分的吸收光谱，随着测量组分的增加，测量系统的复杂性也随之增加，不适用于分析微量组分，对HF无法进行分析。

图1 GFC原理

FTIR方法为傅里叶红外变换方法，宽光谱红外光通过角立方干涉仪后，形成干涉光谱，经样气吸收后的红外光经过傅里叶变换后与计算机中的谱库进行对比分析，最终实现定性，定量分析，系统配置不会随测量组分增加有改变，红外光经过干涉后，光强增加，信噪比远远高于GFC与NDIR方法，灵敏性高，检出限低，因为属于高温采样，采样点温度与测量池温度均可加热至180度，所以对水溶性物质，如HCL、HF、SO2的测量可以达到很高的精度[2]。目前国内80%以上的垃圾焚烧电厂均已采用傅里叶红外原理的在线监测设备（如图2）。

图2 傅里叶原理

2 针对原烟气监测的应用

2.1 原烟气与尾部烟道气体组分的区别

光大环保能源（衢州）有限公司项目设置两条烟气净化线与两条焚烧线相对应（如图3）。烟气处理系统采用SNCR+半干法+干法+活性炭喷射+布袋+SCR+GGH+湿法的烟气净化方式。烟气经过SNCR+半干法+干法+活性炭喷射+布袋系统后，达到欧盟2010排放标准。湿法脱酸塔用于保证粉尘、S02、HC1分别达到5 mg/Nm3、10 mg/Nm3、5 mg/Nm3的排放标准。SCR保证N0x排放达到50 mg/Nm3的排放标准。

图3 衢州拉法工艺流程

一般原烟气是指省煤器入口或者出口处的烟气组分，此处对烟气的处理工艺只有炉内脱销，所以烟气成分复杂，具体高温，高湿，高酸，高粉尘的特点，而尾部烟道烟气是指最终通过烟囱排放至大气的烟气组分，此处对烟气的处理工艺包括脱酸，SCR脱销，布袋除尘等，烟气成分简单，已经远远低于国家环保标准规定的排放浓度限值，主要组分及浓度可参考表1。

表1 烟气成分组分及浓度

2.2 使用傅里叶原理的优点

因为原烟气成分复杂，烟气湿度大，浓度高，会导致烟气湿度对其它组分的测量干扰增加，使用常规GFC，NDIR方法的分析仪会造成待测物质测量值偏差大，同时因为烟气湿度对待测物质的干扰，会造成SO2浓度偏低。

原烟气监测设备一般安装在省煤器出口及入口位置，此位置因为炉内脱销喷氨的原因，会造成某些时刻氨逃逸增大，过量的逃逸氨气同时也会干扰SO2气体的测量。

傅里叶原理因为对红外光进行干涉调制处理，提高红外光整体强度，提高了信噪比，所以适用于高湿高浓度气体的测量，同时采用偏最小二乘方法及标准Hitran光谱库对光谱之间的干扰进行处理，很大程度上消除了各物质之间光谱重叠的影响，所以当前，使用傅里叶红外原理对原烟气的测量能很大程度上保证测量的准确性及精确性[3]。

2.3 原烟气在线监测设备的组成

原烟气监测设备位于所有处理工艺之前，所以原烟气具有酸性气体浓度高，烟气温度高，粉尘浓度高，烟气湿度高等特点，常规用于尾部烟道排放监测设备，并不能直接用在此位置进行测量，需要针对在线监测设备的组成部分做出一些设备的改造及系统运行逻辑的调整。

常规烟气在线监测设备是由分析仪，采样探头，加热管线，粉尘测量单元，温压流测量单元，氧气测量单元组成，其中氧气一般采用内置氧化锆进行测量，针对原烟气测量，需要进行一些设备的改造及调整。

2.3.1 采样探头

因为原烟气烟气温度一般为200度以上，粉尘含量高，一般为4 g/m3以上，所以采样探头不可以直接采用316 L材质进行使用，需要在伸入烟道部分采用陶瓷保护套对探头本体进行保护，防止长时间使用（如图4），因为粉尘磨损，造成探头泄露甚至断裂。

图4 原烟气采样探头

同时因为粉尘浓度高，所以采样探头前置过滤器需要采用大表面积过滤材料，确保反吹的效果及长期使用的耐久度。

2.3.2 氧气测量单元

常规监测设备使用内置式氧化锆探头进行氧气的测量，但因为原烟气中烟气浓度高，高还原性气体会导致氧化锆锆头损耗快，所以需要采用外置式氧化锆探头，外置式氧化锆探头有针对原烟气的保护设计，可以提高探头的使用寿命。

2.3.3 温压流及粉尘测量单元

原烟气的测量主要作为炉内脱销控制的前馈系统，脱酸效率的评估，所以针对烟气流速及烟尘的测量意义不大，目前国内垃圾焚烧电厂鲜有安装烟气流速设备及粉尘设备用于原烟气的测量，如果需要进行粉尘的测量，需要考虑粉尘仪设备的环境使用温度，避免因为环境温度过高，导致粉尘仪损坏。

2.3.4 分析系统

原烟气监测设备多采用傅里叶红外变换原理光谱仪，通过真空射流泵将烟气抽取至分析仪内气体池中，其中加热管线，采样探头，气体池均加热至180度，整个烟气传输路径中不能存在任何冷点，因为高粉尘的原因，分析系统需要采用脉冲式反吹，并且提高反吹周期，确保延长探头的维护周期。

原烟气监测设备多放置在厂房内部，在无监测小屋的情况下，需要配置机柜空调，防止环境温度过高，导致分析仪工作不正常。

3 原烟气监测的应用

3.1 原烟气监测在SNCR控制中的应用

SNCR系统作为降低NOx浓度的主要方法，被广泛用于垃圾焚烧电厂工艺过程中，此前通过尾部烟道监测NOx和NH3的浓度来参与控制SNCR系统氨水喷量，但由于尾部烟道与炉膛距离较远，反馈回来的NOx和NH3浓度并不能表征当前炉膛内实际工况，所以会造成SNCR系统控制过程中存在或多或少的延时，对于PID调节会增加一定的困难。

原烟气在线监测设备实时监测NOx和NH3浓度，通过模拟量或者数字量通讯的方式将测量值接入DCS系统内，因为原烟气系统距离炉膛距离近，使得SNCR系统可以通过前馈方式动态调整SNCR氨水喷量，使得控制策略延时减少，更加容易收敛。如下图所示为2022年9月9日16点至17点数据，图5为时间点一致的在线烟气监测设备的NOx浓度曲线。

图5 在线烟气监测设备的NOx浓度曲线1

图6将原烟气浓度曲线向后偏移了8个数据单位，即8分钟，此时看到原烟气浓度与尾部烟道NOx浓度曲线重合，说明原烟气设备测量有一定的提前量。此提前量对于SNCR的控制有很重要的影响因素。

图6 在线烟气监测设备的NOx浓度曲线2

3.2 原烟气监测在SCR控制中的应用

SCR系统，全称选择性催化还原技术，因其脱销效率高，高达80%以上，目前也被广泛用于垃圾焚烧电厂工艺过程中，通过对原烟气的监测，可以通过NOx的排放浓度，适时调整SCR系统的启停，某些情况下，在仅使用SNCR系统控制下即可满足环保要求，可以适时的停止SCR系统，节省催化剂的消耗。

原烟气监测系统通过对NH3、SO2的监测，可以防止过量的NH3、SO2进入SCR系统，导致催化剂中毒等问题，当然，如果需要精细调整SCR工作状态，需要在SCR前后安装监测系统。

3.3 原烟气监测在燃烧控制中的应用

因为原烟气监测系统距离炉膛距离近，可以更准确的反应炉膛内燃烧状态，通过监测CO与O2的含量，可以更准确的反应当前炉膛内是否燃烧充分，提前控制风门开度等操作，以免尾部烟道CO浓度超标造成的环保督办。

3.4 原烟气监测在脱酸塔中的应用

目前垃圾焚烧电厂普遍采用旋转雾化器对酸性气体，诸如SO2，HCl进行脱除，旋转雾化器属于动设备，通过原烟气监测系统对SO2和HCL进行监测，可以实时了解旋转雾化器脱酸效率，对于设备的维护检修周期提供数据依据，可以更好的对设备状态起到监控作用。

4 结语

综上所述，对于原烟气的监测，可以更好地对垃圾焚烧电厂各设备工作状态进行评估，在某些工艺控制过程中，引入原烟气监测可以降低控制难度，提高控制策略的响应时间。随着中国经济对环境保护的重视，垃圾焚烧势必会成为主流的处理方式，全厂运行的精细化管理也必将成为重中之重，对于原烟气的监测也会成为今后垃圾焚烧控制及管理过程中的重点。