基于傅里叶红外原理的多点切换连续测量系统的设计及应用

王 锦，吕旭东

（1.苏州吴江光大环保能源有限公司，苏州 吴江 215200；2.北京帕莫瑞科技有限公司，北京 100070）

引言

城市生活垃圾是指在日常生活中或者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。我国城市生活垃圾的基本特点包括热值低、含水量高、成分复杂等。处理生活垃圾的总体目标是“减量化、资源化、无害化”。为实现该目标，目前生活垃圾主要有三种处理方式：卫生填埋、垃圾堆肥、垃圾焚烧，其中垃圾焚烧化处理已成为垃圾处理的一种主流方式，随着环保法规的日趋严格，对于大气污染物排放数据管理也成为整个垃圾焚烧工艺控制过程中的重中之重，为实现这一目标，越来越多的垃圾焚烧电厂不仅仅针对于排放口的污染物监测，开始实行全处理工艺过程中气体监测，同时对各处理设备入口，出口分别进行监测，此目的用以实现全处理工艺过程的精细化控制和提前控制。

1 傅里叶红外测量的原理

此系统设计采用的分析仪为ABB公司生产的MBGAS3000型多气体测量分析仪，此分析仪基于傅里叶变换红外原理，采用此原理进行多个采样点烟气测量是因为每套处理装置入口，出口烟气浓度范围跨度大，从2 mg/m3至1 000 mg/m3变化，且各处理装置烟气温度存在差异，傅里叶变换红外原理的分析仪采用高温测量，可以通过一台设备进行多个组分的测量，而且每个组分有高低两个量程，分析仪通过独有的算法分析可以进行不同量程的切换测量，保证高低量程的数据准确度[1]。

MBGAS3000型分析仪由气体池，红外光源，干涉仪，检测器和数据处理单元组成，其中气体池为3.6米长光程气体池，按照比尔兰伯特定律，光程与待测物质浓度成反比，光程越长，可测量物质浓度量程越小，垃圾焚烧过程烟气各个组分最大不超过4000 mg3，但最小会小于1 mg/m3，所以采用长光程气体池是比较适合的选择。

红外光源发出红外光经过半球形反射镜收集和反射，反射光通过准直镜反射出来的平行光进入干涉仪，从干涉仪出来的平行光进入气体池，通过气体池多次反射后进入检测器，检测器的信号进入数据处理单元，经过红外光谱分析得出气体浓度显示在终端显示设备上。

MBGAS3000型采用中红外光源，依靠碳硅棒加热后发光，其中干涉仪是分析仪的核心设备，采用立方角镜耦合式干涉仪，干涉仪中有两块动镜，采用镀金立方角镜，动镜固定在扭摆式基体上，当基体绕轴扭摆时，从分束器透射和反射的两束光产生光程差，因而得到干涉光，因为采用立方角镜，即时在动镜摆动时立方角镜沿轴方向发生较小的便宜，仍然能保证入射光线和出射光线绝对平行，提高了仪器的抗干扰能力。

通过干涉仪的红外光进行干涉后得到红外光的干涉图，对干涉图进行傅里叶变换计算，可以得到基于频域的红外光谱图，因为不同物质分子震动频率的差异，所以针对每一种物质都有自己的特征光谱，基于此可以通过数学建模的手段分析红外光谱得到每种物质浓度，见图1。

图1 傅里叶变换原理

2 多点切换连续测量系统的设计

以往的多点监测一般会采用传统的手工采样进行每个点独立采样分析，此方法耗时耗力，而且效率极低，某些组分，如HCL无法实时得到测量结果，数据无连续性、实时性，对于整个处理工艺没有实际的指导意义，另外也会采用针对每个采样点单独设置分析设备，此方法成本高昂，而且需要对所有设备进行定期维护。所以选择设计一种多点切换采样装置对多个采样点进行轮询采样测量，采样点的选择可以手动控制，自动控制或者通过编程控制进行独立切换，仅采用一台分析设备实现所有采样点的测量。

多点切换连续测量系统包括采样探头，预处理箱，加热管线，切换控制箱，配电箱，分析系统柜组成，其中采样探头，预处理箱，加热管线分别安装至每个采样点，通过加热管线全部接入切换控制箱，切换控制箱通过一个独立的加热管线进入分析系统柜内部采样口，分析系统柜柜门安装有7寸触摸式显示屏，可以进行采样点的手动切换，自动切换设置，以及切换间隔时间等多项参数的设置[2]。

多点切换连续测量系统的主体部分为切换控制箱，因为每个采样点烟气温度均超过120度，所以切换控制箱内所有烟气直接接触的元器件必须为加热状态，避免冷凝水的产生导致腐蚀和烟气的测量损失，切换采样箱内部进行切换的阀采用气动阀，阀体本身通过加热座对其进行加热，设定温度为180度，气动阀线圈部分暴露在加热体外部，通过风扇散热保证其正常工作，通过独立的电磁阀对气动阀线圈进行控制实现气动阀的开闭。同时因为每个采样点位置不同，采样管线长度有很大差异，此项目中，最短的长度为41米，最长的长度为135米，为保证测量数据的实时性，切换采样箱内对每一路采样点增加预采样气动阀，当此采样点不进行采样工作时，通过真空射流泵对其进行预采样，当其切换至采样动作时，预采样气动阀关闭，可以加快测量数据的响应时间，保证数据的实时性。

每个采样点通过加热管线2、3进入切换采样箱，进入的管线分两路分别连接采样控制气动阀4，预采样控制气动阀5，其中电磁阀7独立控制每个气动阀的开闭，采样泵6采用高温加热型隔膜泵，将采样点烟气抽取后通过加热管线1正压送入分析仪内测量，真空射流泵8始终处于工作状态，对任意一路预采样气动阀处于打开状态的采样点进行预采样。其中压缩空气过滤单元是对总压缩空气进行除油除水过滤处理，保证压缩空气的洁净，确保各个气动阀长期工作稳定，见图2。

图2 多点切换装置结构

通过分析系统柜门上的触摸屏可实现整套系统的全部操作，操作包括探头反吹，切换控制，切换间隔时间设定，分析仪标定，分析仪零点，可以手动独立选择单独的某个采样点长时间采样，也可以设定切换的时间实现所有采样点轮询自动采样，最终可以在内部的电脑上生成数据曲线和报表，曲线和报表中会标记当前采样点名称，方便日后数据的统计和分析[3]。

3 实际生产中的应用

在实际的生产过程中，各个烟气处理工艺产生的过程气体都会很大程度影响最终的污染物排放指标，光大环境吴江扩建项目采用千吨级焚烧炉、多相物料、大比例掺烧模式处置生活垃圾、工业垃圾、污泥。烟气处理采用“SNCR炉内脱硝+半干式脱酸+干石灰喷射+活性炭吸附+布袋除尘+GGH+湿法脱酸+SGH+烟气再循环”工艺如图3所示。

图3 烟气处理系统流程图

设备选择的采样点分别在每条焚烧线的省煤器出口处及布袋除尘器出口处安装，3条焚烧线总共6个采样点。考虑在这两个处安装取样点的思路是省煤器出口处读取的烟气数据除完成脱硝处理以外，SO2、HCl均是未处理的原始值。而布袋除尘器出口处的烟气已经过半干式脱酸+干石灰喷射的处理，此处的SO2、HCl已经降为较低值，就可计算出以上脱硫设备的实际运行效率，最终读取烟囱排口的SO2、HCl数据就可计算出湿法脱酸塔的实际运行效率。结合一段时间运行数据的积累能辅助测算出脱酸经济运行的方式，同时能提早的干预脱酸环保耗材的投加量[4]。

因焚烧炉正常运行中因工业垃圾的成分不同，常有出现突发某一时段SO2、HCL飙升，该设备安装投运后截取了运行中出现的一次SO2数据超标的情况[5]。

如图4中，焚烧线正常运行过程中布袋除尘器SO2数据出现升高，当时运行人员并未注意观察该数据，半小时后烟囱出口SO2值开始升高并接近限制值。运行人员开始快速增加雾化器石灰浆流量，随即布袋除尘器SO2数据开始快速降低，同步烟囱出口SO2值也开始逐渐降低。

图4 DCS数据画面

通过分析，当布袋除尘器处SO2值升高时虽然运行人员未增加脱酸环保耗材的情况下烟囱出口SO2并未超标，主要原因是湿法脱酸塔压制了SO2值，但随着湿法塔内PH值在快速降低并低于正常运行控制值时，脱酸反应能力降低，烟囱出口SO2的数据逐步开始升高[6]。

此时运行人员也发现了SO2排放指标升高的情况并加大雾化器石灰浆流量来压制，图5中可明显发现，布袋除尘器处SO2值随着雾化器石灰浆流量的加大数值快速降低，烟囱出口也随即逐步降低。

图5 数据曲线图

4 结语

多点切换连续测量系统的设计满足了现场多个采样点连续切换测量的功能，可以实时准确的反应不同处理工艺位置烟气数据趋势，该系统能给实际运行带来3点帮助。

（1）可以通过省煤器出口处、布袋除尘器出口处及烟囱出口处的三处测量数据来测试环保设备的运行效率，经过长时间的数据积累，当效率降低时及时进行停炉检查，寻找环保设备可能存在的问题并进行修复。

（2）通过设备在省煤器出口处轮巡检测的方式来跟踪运行的焚烧线是否有环保指标突升的情况，以便及时快速的处理，确保烟囱排口的环保参数符合排放标准。

（3）目前脱硫的环保耗材分别采用石灰浆液及液碱，通过分别测试不同脱硫环保设备的脱硫效率来选择更加经济的运行方式，做到降本增效的作用。