固体废物及垃圾焚烧烟气排放的在线监测技术

来源：《现代科学仪器》期刊2016-09-14点击：1377

【核心介绍】本文简要介绍了固体废物的危害、垃圾焚烧技术的发展、焚烧烟气的排放限值要求，以及垃圾焚烧炉的典型工艺流程和排放烟气的主要特性，概要介绍了固废垃圾焚烧炉烟气在线监测应用的FT-IR、GFC、NDIR、DOAS及TDLAS等多种在线监测技术，重点讨论了抽取热湿法高温分析的高温取样处理系统及FT-IR分析系统技术，并举例介绍固废垃圾焚烧炉烟气排放在线监测应用的典型产品。　

固体废物及垃圾焚烧烟气排放的在线监测技术

朱卫东顾潮春

(南京霍普斯科技有限公司南京 210039 )

摘要本文简要介绍了固体废物的危害、垃圾焚烧技术的发展、焚烧烟气的排放限值要求，以及垃圾焚烧炉的典型工艺流程和排放烟气的主要特性，概要介绍了固废垃圾焚烧炉烟气在线监测应用的FT-IR、GFC、NDIR、DOAS及TDLAS等多种在线监测技术，重点讨论了抽取热湿法高温分析的高温取样处理系统及FT-IR分析系统技术，并举例介绍固废垃圾焚烧炉烟气排放在线监测应用的典型产品。

关键词 固体废物；垃圾焚烧炉烟气；在线监测技术；高温取样处理系统；FT-IR分析系统

中图分类号 TH7

On-line Monitoring Technology of Solid Waste and Garbage Incinerator Flue Gas E missions

Zhu Weidong,Gu Chaochun

(Nanjing Hopes Technology Co.Ltd..210039,Nanjing)

Abstract This paper briefly introduces the harm of solid waste, the development of waste incineration technology, incineration flue gas emissions limit, and the garbage incinerator of the typical process flow and main properties of flue gas emissions, and it briefly introduces the solid waste garbage incinerator flue gas on-line monitoring application of FT - IR, GFC, NDIR, DOAS and TDLAS and various on-line monitoring technology. Then high temperature sampling processing systems for extracting hot wet high temperature analysis and FT - IR analysis technology are discussed. Finally, an example is introduced solid waste incinerator flue gas emissions of typical application measures of on-line monitoring products.

Key words Solid waste; Garbage incinerator flue gas; On-line monitoring technology; High temperature sampling processing system; FT - IR analysis system

固体废物也简称固废，按照2004年国家发布修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》的第88条规定，国体废物是指在生产生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气体的物品、物质及法律规定纳入固体废物管理的物品、物质^[1]。

我国关于固废的分类主要包括工业废物、生活垃圾和危险废物，其中最为引人关注的是危险废物。固废的产生量巨大、种类繁多、成分复杂，尤其是危险废物常具有毒性、爆炸性、易燃性、腐蚀性、传染性、放射性等，如处置不当就会对人类健康和生态环境产生严重危害。

1 固体废物的危害、垃圾焚烧技术的发展及焚烧烟气的排放限值要求

1.1 固体废物及其对人类环境和健康的危害

固废的主要危害有如下方面：

① 侵占大量土地，如：矿业垃圾的堆放、生活垃圾的堆放，侵占了大量的土地。

② 工业固废含有的有害元素，如镉、铅、砷、汞、铬等，通过水体或降水引起大面积水体污染，造成严重污染事故。

③ 固废在堆放及处理、处置过程中产生的有害气体，对大气环境造成不同程度的影响。

④ 固废的堆放造成土壤、水体污染，影响某些类生物群落的生存。

⑤ 固废的有害成分通过水、大气及土壤等环境介质直接或间接被人体吸收，从而对人体健康造成危害，其潜在危害和影响难以估量。

1.2 固体废物处置与垃圾焚烧技术的发展

固废的处置方法主要是填埋、焚烧和综合利用，其中：固废处置焚烧技术的发展，实现了废物的减容减量化、无害化和资源化，成为最重要的废物处置途径。

固废垃圾焚烧技术在19世纪八十年代开始应用。20世纪七十年代，西方发达国家垃圾焚烧已成为垃圾处置及资源回收的重要方法。20世纪九十年代以来，国外垃圾焚烧炉设备、焚烧炉烟气处理及烟气污染物监控技术的发展已趋成熟，焚烧炉烟气排放的主要污染物已达到规定的排放标准要求，垃圾焚烧已成为国内外城市垃圾处理的主要方式^[2]。

垃圾焚烧技术包括垃圾焚烧及垃圾焚烧余热发电。垃圾焚烧设备主要指垃圾焚烧炉、烟气净化处理工艺及烟气排放监测等设备。其中：垃圾焚烧炉类型主要有机械炉排炉、循环流化床焚烧炉、热解炉和回转窑等；烟气净化处理工艺大多采用“半干法+活性碳喷射+布袋除尘器”工艺，或采用“选择性非催化还原脱硝（SNCR）+半干法（NaOH）+干法（石灰干粉和活性碳）+布袋除尘器”工艺；处理后的烟气污染物排放指标均可达欧盟2000标准规定的排放要求^[3]。

我国固废垃圾焚烧技术经历了引进、消化、吸收、创新与自主化的发展进程，近十几年来，国家高度重视生态环境保护，垃圾焚烧处理技术得到较快发展。“十一五”期间，国内垃圾处理中的焚烧比例仅为15-20%，城市生活垃圾的堆放已经到了“垃圾围城、刻不容缓”的地步。在国家政策大力支持下，垃圾焚烧发电已成为环保产业发展热点，仅2012年全国各地新上马垃圾焚烧发电项目超过37个，总处理能力达37350吨/日，总投资约164.4亿元。

国家在《十二五全国城镇生活垃圾无害化处理实施建设规划》中指出：用于垃圾焚烧处理投资将达2636亿元，并要求垃圾焚烧比例达到35%。由于垃圾焚烧发电的经济效益显著，故已成为国内发展最快的环保产业之一。未来几年，垃圾焚烧炉、焚烧烟气处理工艺及在线监测的市场投入将达800亿元，给焚烧烟气排放在线监测行业的发展带来极大市场机遇。

垃圾焚烧技术发展的瓶颈是防治焚烧烟气排放产生的严重污染，特别是垃圾焚烧烟气中SO₂、HCl、HF、NH₃、NO_X等有毒有害气体及微量的二噁英，对环境大气污染及人体产生严重伤害。垃圾焚烧的关键是烟气净化处理及在线监测设备；在线监测除用于焚烧烟气污染物的实时排放浓度及排放总量监测外；同时也用于烟气净化处理设备及烟气脱酸效果的优化控制，最大化地减少脱酸剂的使用量；从而实现垃圾焚烧设备的污染减排与节能降耗。

1.3 垃圾焚烧炉烟气部分污染物排放的限值要求

我国垃圾焚烧污染物的排放限值标准的主要依据是GB18484-2001《危险废物焚烧污染控制标准》和GB18485-2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》等。国家环境科学研究院在2010年提出了修改《生活垃圾焚烧污染控制标准》（征求意见稿），其中垃圾焚烧烟气部分污染物排放限值标准的要求，以及欧盟标准、美国标准的要求参见表1。

表1 垃圾焚烧烟气部分污染物排放的参考限值要求

焚烧烟气污染物	单位	中国		欧盟标准	美国标准
焚烧烟气污染物	单位	现有标准	征求意见稿	欧盟标准	美国标准
烟尘	mg/Nm³	80	20	10	20-30
CO	mg/Nm³	150	60	50	96
NO_X	mg/Nm³	400	200	200	215
SO₂	mg/Nm³	260	80	50	60
HCl	mg/Nm³	75	50	10	26.1
Hg	mg/Nm³	0.2	0.05	0.05	0.03
Cd	mg/Nm³	0.1	0.05	0.05	0.0137
Pb	mg/Nm³	1.6	1	0.5	0.137
二噁英类	ng TEQ/ Nm³	1	0.1	0.1	0.15

注：① 中国标准的排放限值均以标态下含11%O₂的干气为标准。

② 二噁英类的排放限值单位为ng TEQ/ Nm³；其中TEQ为毒性当量浓度。

2 垃圾焚烧炉的典型工艺流程、焚烧烟气的主要成分及其工况特点

2.1 垃圾焚烧炉的典型工艺流程

垃圾焚烧炉的典型工艺流程参见图1。垃圾经二次焚烧炉焚烧后通过余热锅炉发电，排放烟气的净化，通过半干吸收塔除去SO₂、HCl、HF等酸性气体，再通过布袋除尘器除尘，再经烟气排放监测系统检测后，由烟囱排放。烟气净化处理除脱硫外，也包括脱硝、活性碳吸收等工艺，用以除去烟气中的NO_X、VOC（挥发性有机物）、二噁英等有害物质。

图1 固废垃圾焚烧炉主要工艺过程示意图

2.2 垃圾焚烧烟气排放的主要气体成分^[4]

垃圾焚烧炉排放烟气的主要气体成分根据燃烧的固体废料不同而有所不同。城市生活垃圾焚烧的烟气成分主要包括：HCl、SO₂、NO、N₂O、NO₂、CO 、CO₂、HF 、HCN、NH₃、VOC以及二噁英等有毒有害气体。

垃圾燃烧产生的酸性废气主要有HCl、HF、SO₂、NO_X等。例如：氯化氢（HCl）是垃圾中有机氯化物燃烧产生的，其中PVC塑料及漂白纸张是垃圾中含氯最高的物质，是HCl的主要来源；垃圾焚烧流化床炉的焚烧温度较高，HCl在炉内的生成量约为900mg/Nm³。氟化物（HF）主要来自含氟碳化物的燃烧，HF其化学特性与HCl类似，形成的机理也类同，但炉内生成量少，约为1-50mg/Nm³。二氧化硫（SO₂）主要来自垃圾中无机硫化物的还原和含硫化物的燃烧生成的，炉内生成量约为400mg/Nm³。

2.3 垃圾焚烧炉排放烟气的工况特点^[5]

垃圾焚烧炉排放的烟气组成，取决于燃烧物的化学成份和燃烧过程的控制和净化工艺。目前，国内尚未实现垃圾分类和前处理，垃圾焚烧排放的烟气组成很复杂。其主要特点是高湿度、高温、被测组分复杂、毒害气体多、腐蚀性高。

① 垃圾焚烧烟气含水分量高，大于20 %，最高可达45%，焚烧烟气在排放前要加热到较高温度（150～200℃），以确保排放烟气温度在其酸露点（约150℃）之上，防止烟气中的水汽冷凝，冷凝水与酸性气体易产生酸盐结晶会对后续设备产生严重腐蚀及堵塞。

② 焚烧烟气的组份很复杂，除了上述常见的被测组份外，还含有CH₄、HCN、VOC以及许多未知成份的高沸点化合物，通常，垃圾焚烧炉烟气排放要求监测组分多达10余个。

③ 焚烧烟气被测组分的检测浓度范围差异极大，如：H₂O高达20%、 CO₂高达10 Vol.%，而HF、NH₃等在10mg/m³以下，动态范围≥10⁴，要求分析仪的检测动态范围宽。

④ 焚烧烟气成分中的微量、毒害气体如：SO₂、HCl、HF、HCN、NH₃等易溶于水，易造成管道严重腐蚀，因此，要求仪器分析的检测灵敏度高，接触烟气材质要耐腐蚀。

3 垃圾焚烧烟气在线监测的技术解决方案及其多种在线监测技术

3.1 垃圾焚烧烟气在线监测的技术解决方案^[6]

垃圾焚烧烟气中SO₂、HCl等十多种有毒有害气体均可实现在线监测；焚烧烟气中的微量二噁英，目前还难以实现在线监测，通常采取定期采集、离线分析方法；二噁英样品要送到国家指定的检测实验室，大多采用高分辨率的气相色谱-质谱联用技术等方法检测。

垃圾焚烧烟气在线监测的典型的技术解决方案要求如下：

① 采用抽取热湿法高温分析系统。取样、处理及分析全过程在180℃或185℃的高温下运行，烟气在原有的热湿状态分析，防止冷凝、堵塞及腐蚀性组份溶解，以确保分析不失真。

② 采用检测动态范围宽的分析仪。烟气监测至少有HCl、SO₂、NO、NO₂、NO_x、CO 、CO₂、HF、NH₃、H₂O及O₂等，宜选用多组分分析仪，多台单组份分析仪组合已很少采用。

③ 高温热湿法分析是湿基分析，测量结果要转换成标准状况下的干烟气浓度；需在线测量烟气水份，用于湿烟气测量值向干烟气测量值的转换及水分干扰的修正。

④ 分析系统组成通常包括：高温热湿法取样处理系统、在线气体分析仪、测量软件及数据采集处理系统，同时可测量烟气颗粒物及烟气参数；系统要求稳定可靠、实时准确。

3.2 高温型傅立叶变换红外分析法（FT-IR）

FT-IR分析法是利用干涉仪对光源发出的红外光进行分光，测定各种被检测组份对特征光频率的吸收所引起入射光强度的变化，用傅立叶函数处理检测到的数据，解析出被测组份和浓度。高分辨率干涉仪和傅立叶函数解析使得该方法具有分析组份多、动态范围宽、分析速度快等特点，属于广谱分析技术，可分析烟气中10多个组分，最多可测50多个组分。

高温型FT-IR分析系统由高温取样处理系统、高温FT-IR分析仪及光谱测量软件等组成，取样分析的全过程是在烟气原有高温、热湿状态下进行的，被测烟气组分不会失真，确保了垃圾焚烧炉烟气分析测量的可靠、真实、准确，非常适用于垃圾焚烧烟气恶劣工况条件下的多组分分析。

高温型FT-IR已成熟应用于国内垃圾焚烧烟气在线分析，国外公司进入国内垃圾焚烧烟气监测市场的主要有ABB、SICK、Bruker、GASMET等公司的高温FT-IR分析系统，例如德国SICK公司的MCS100FT高温傅里叶变换红外气体分析系统^[7]、芬兰GASMET的CX4000烟气排放连续监测系统^[5]等产品，均已成功用于国内垃圾焚烧电厂的在线分析。

国内公司如：厦门格瑞斯特、南京霍普斯、杭州聚光、深圳宇星、安徽蓝盾等公司，也采用抽取热湿法高温型FT-IR系统，系统核心部件FT-IR分析仪大多采取与国外合作模式，由于系统大部分国产化、性价比好、服务及时，因此也很受国内垃圾焚烧电厂的欢迎。

3.3 气体过滤相关红外分析法（GFC）

红外多组份气体分析仪大多采用GFC技术，通过旋转滤光气室轮或滤光片轮，将分析气室与参比气室轮流进入光路系统，形成时间上分割的测量、参比双光路，可顺序测量6～8个组分^[8]，旋转滤光气室轮或滤光片轮是按照被分析组分配置多个滤光气室或滤光片，分别对应与被测组分的特征吸收波长进行测量。如：SICK的MCS100E高温红外多组分分析仪（GFC技术）可测8组分，另加氧测量；北京雪迪龙SCS-900L高温多组分红外分析仪^[9]，采用德国Fodisch公司多组分分析仪（GFC技术）可测量8组分，另可选氧化锆测氧。

GFC分析仪的取样系统可以有两种类型，一种是抽取热湿法，由高温取样处理系统及高温多组分红外分析仪组成，取样分析的全过程是在烟气原有的高温、热湿状态下工作，与抽取热湿法高温FT-IR分析系统相同，可实现烟气多组分不失真分析。

另一种为抽取冷干法，由高温取样、冷干法处理及常温GFC分析仪组成，其关键是要确保高温取样探头及高温传输过程中烟气不发生冷凝，高温烟气通过冷凝器快速除湿，再送GFC分析仪，此分析法处理中，微量气体易被吸收、吸附，检测误差较大。也可采用带Nafion膜干燥器除水的取样探头，Nafion膜干燥器除水时，被测量其他组分不与水接触，可保分析不失真，但需用大量干燥仪表空气（露点为-20℃），其烟气传输无需保温。抽取冷干法的气体分析值为干烟气值；应注意气态水被除去，烟气组份发生变化，会产生体积效应误差。

3.4 非色散红外光谱（NDIR）、紫外差分吸收光谱（DOAS）及激光光谱（TDLAS）技术

NDIR及DOAS技术都可以用于烟气多组分分析，采用抽取冷干法的NDIR或DOAS分析系统，已经成熟用于烟气脱硫、脱硝的SO₂、NO、N₂O、NO₂及CO、CO₂等多组分分析。TDLAS技术非常适用于测定烟气中微量HCl、HF 、NH₃等。垃圾焚烧烟气监测中，也采用NDIR或DOAS分析仪并与TDLAS配套组合测量实现焚烧烟气的多组分分析^[10]。

抽取冷干法NDIR技术的关键是取样处理及传输过程要严格加热保温在烟气露点之上，防止水分析出。常温NDIR多组分分析仪可选用西门子U23/U6，或ABB的EL3020/AO2000等；应注意样品除湿过程中须减少易溶于水的气体与冷凝水接触，才能降低分析误差。。

DOAS技术的优点是在紫外区分析时不受水分干扰，DOAS用于烟气分析可采用原位法或抽取热湿法，如SICK 的GM31采用原位法可同时测量SO₂、NO、NO₂、NH₃；聚光的OMA-2000采用抽取热湿法也可同时测量SO₂、NO、NO₂等多组分。

TDLAS是利用可调谐激光二极管发射激光的光谱分析技术，用温度效应将激光频率调制在特定波长，激光经过烟气吸收后强度的衰减与被检测气体浓度成函数关系。TDLAS常用于原位法测量，发射器和接收器直接安装在烟道两侧；也可采用抽取热湿法分析；通常一台TDLAS只能分析一种气体，测量HCl、HF 、NH₃等需多台仪器，TDLAS不能检测SO₂。

3.5 多种电化学传感器的组合测量技术

电流型电位电解法传感器可分别用于测量烟气中SO₂、NO₂、CO等微量有害气体，检测浓度大多在0～500mg/m³，最低浓度可检测几个mg/m³。早期垃圾焚烧烟气多组分在线监测，可采用多种电化学传感器组合测量焚烧烟气的各种微量成分，组成的多组分检测系统结构简单、价格低廉，但寿命较短、误差大，仅适用于小型垃圾焚烧烟气排放监测^[11]。

3.6 垃圾焚烧烟气多种监测技术方案的讨论

应用多种电化学传感器的组合测量方式测量焚烧烟气，测量误差大，相互有干扰，使用寿命短，不适用于日处理量较大（600～1200t/d）的垃圾焚烧炉烟气排放的在线连续监测，可做成携带式仪器用于现场日常的比对检测（不能作为环保校准用）。

NDIR或DOAS，外加TDLAS的组合测量技术已在脱硝烟气监测中应用，在垃圾焚烧烟气监测也有应用；由于焚烧烟气测量组分多、高腐蚀、高含水、要求测量动态范围大，一般需配置多台NDIR或DOAS及TDLAS分析仪，维护工作量较大，此方案应用已较少。

常用的垃圾焚烧烟气监测的技术主要是热湿法高温GFC分析及高温FT-IR分析的技术方案，可确保烟气分析不失真^[1²^]。一台高温GFC能实现8组分分析，但分析速度较慢、分析组分不够多；如需测量HCl、HF、NH₃等，还需增加原位法TDLAS，或抽取热湿法的TDLAS串联使用。一台高温FT-IR分析仪可满足垃圾焚烧炉烟气10多个组分分析，具有分析组分多、动态范围宽、分析速度快、测量准确等优点。因此，抽取热湿法高温FT-IR技术，已成为垃圾焚烧烟气分析推广的主流技术。

4 抽取热湿法高温型FT-IR分析系统的测量技术介绍

4.1 高温取样处理系统技术^[1³^]

高温取样处理系统的主要作用是高温取样、过滤样品气中颗粒物，烟气取样、处理过程保持在原有热湿状态，防止酸性气体因冷凝损失和形成腐蚀，提供洁净的热湿高温气样满足分析仪工作要求。该系统通常由高温取样探头、传输管缆及高温预处理箱等部件组成。

典型的高温取样探头是由取样探头管、探头过滤器、加热器、温控器、反吹控制和探头防护箱等组成，探头过滤器通常采用SiC过滤器，过滤精度约为2μm，用于烟尘一次过滤，取样探头恒温大多在180～185℃的范围内，也可设定恒温在200℃。高温加热传输管缆是采用电加热的耐腐蚀聚四氟材质的一体化加热管缆，温度控制在180℃或185℃；高温电加热管缆内可包括样气、标准气及反吹气等管线。高温预处理箱包括高温抽气泵、高温切换阀、高温过滤器和高温流量计等，所有部件均恒温在180或185℃高温下工作，远高于烟气中HCl和SO₂的酸露点（150℃左右）。

高温样品取样处理系统中，取样探头的反吹气有两路：过滤器外反吹和由主阀控制的内反吹；反吹/测量状态的切换使用常闭的气动阀控制。只有在主阀打开时，进样阀才能够取样。反吹气在进入探头过滤器部件前，必须先通过预热升温，以免在脉冲气反吹过程中引起取样探头过滤器的局部降温，导致局部冷凝产生冷凝水腐蚀或堵塞。脉冲反吹气预热可采取探头的前处理柜预热处理，也可采用在探头过滤器的加热外套用压缩空气盘管加热。

高温预处理箱加热恒温到180℃，高温除尘处理后的样气进入分析仪的高温测量气室，高温抽气泵提供取样动力，高温流量计控制流量为10L/min左右，以保证分析系统有较短滞后时间。高温抽气泵可选用膜式泵或气体喷射泵抽取样气，喷射泵通常置于高温箱内，在分析仪测量气室出口抽气；喷射泵需要大量压缩空气，从取样到测量气室出口前是处于负压状态工作。高温型膜式抽气泵的泵头置于高温箱内，电机在高温箱外部，抽气比较稳定。

高温处理后的样气直接进入FT-IR分析仪的高温测量气室分析，高温测量气室出口要求连接较粗的聚四氟管。高温测量气室出口的样气，通常直接进入电化学测氧分析。电化学测氧可采用氧化锆氧分析仪或电化学氧传感器测量氧，氧化锆测湿烟气氧，电化学氧传感器测氧为冷干法，需经除湿处理；除湿冷凝水收集在储液罐中并定时处理。系统标定校准时，标准气也要通过预热保温，经取样探头烟气入口处进入气路，通过抽气泵及调节阀等送高温测量气室入口标定；进入测量室的标气温度应与烟气温度一致，可保证标定分析的准确。

4.2 高温FT-IR分析测量技术^[6]

傅立叶变换红外分析仪是基于红外吸收原理的广谱分析技术。FT-IR法的烟气测量组分样品光谱参见图2。测量气体可包括SO₂，NO，NO₂，N₂O，CO，CO₂，HCl，HF，CH₄，H₂O，NH₃等。采用全波段扫描的傅里叶变换红外技术，通过计算机程序控制进行多波长扫描，将接收到的信号进行处理，计算出各个气体的浓度值。

完成傅立叶变换的分析通常需要三种光谱资料，即气样光谱（Sample Spectrum）、背景光谱（Background Spectrum）和参考光谱（Reference Spectrum）。气样光谱表示调制的红外线被烟气中各种组分吸收后的光谱；背景光谱是调制的红外线经过纯N₂的吸收光谱，也称零点光谱（Zero Spectrum）或本底光谱；而参考光谱是一种标准光谱，它贮存在计算机数据库中，作为定性和定量分析的依据。FT-IR的测量过程参见图3。

图2 傅立叶变换红外法烟气组份样品光谱图图3 FT-IR的气体光谱测量过程图

垃圾焚烧烟气中存在多种组分，不同组分间也存在交叉干扰，测定时需要通过选择优化浓度反演波段，降低交叉干扰影响；有时并不能完全消除干扰，在实际应用中应通过软件修正，采用经典最小二乘法（CLS）进行浓度计算，在计算目标气体浓度时，避免其他气体的干扰，使得计算光谱与测量光谱尽量重合。

FT-IR分析仪主要由红外光学平台及光谱测量软件等组成。红外光学平台主要包括：红外光源、干涉仪、高温测量气室、红外检测器，以及各种反射镜、激光器和检测控制电路、电源等。红外光源是FTIR的关键部件之一，不同波段的红外光源是不同的，中红外光（2.5～25μm）主要采用碳硅棒光源、陶瓷光源或高压汞弧灯光源。干涉仪是FTIR光谱仪的核心部件，干涉仪常用的有迈克尔逊干涉仪和卡洛斯干涉仪等，经过干涉仪调制的红外光进入气体样品室；气体样品室采用怀特腔结构，干涉仪调制的红外光在高反射率的反射镜作用下，经多次回返再射出，可增加气体室内的光程及目标气体的吸收率，降低检测下限，气体室的多次反射光程从1cm～9.8m不等。检测器用于检测红外干涉光通过红外样品吸收后的能量，具有高灵敏度、低噪音、响应速度快和较宽测量范围的特点，不同波段FTIR光谱仪需使用不同类型检测器，可采用光电导检测器（MCT）或热释电检测器（DTGS）。

以ABB 9200型在线FTIR光谱仪为例^[14]，系统工作原理图参见图4，角镜型迈克尔逊干涉仪原理参见图5，光谱仪多次反射测量室的结构参见图6。

图4 在线FTIR光谱仪系统工作原理图

图5 FTIR角镜型迈克尔逊干涉仪原理图图6 FTIR多次反射测量室结构图

4.3 数据采集处理系统（DAS）及PLC控制

DAS通常包括计算机硬件、系统组态软件及光谱测量软件等，测量软件主要包括FT-IR光谱定量分析模型和参考光谱数据库；DAS的组态软件用于分析系统的数据采集（包括分析仪、烟尘仪及烟气参数）、运算、统计、存贮、事件分类处理、数据合理性检查及数据通信等。PLC用于分析系统的流程控制、探头反吹控制、采集模拟量及数字量信号，实现与DAS通信；DAS具有实时显示及打印功能，并可实现故障诊断、信号报警。

DAS的测量软件中，FT-IR光谱测量软件通常由供应商参照用户要求建立被测样品光谱定量分析模型；确定光谱定量分析模型时，应考虑采用不同分辨率及分别选取不同吸收波段；研究表明在样品参考浓度计算时，分辨率1cm^-1时，选次大和最小波段进行定量；分辨率2cm^-1或4cm^-1时，选取任一波段进行定量；分辨率8cm^-1时，选次大和最大吸收波段进行定量。例如：在建立NH₃光谱定量分析模型时，选分辨率8cm^-1其定量分析误差最小。

5 国内垃圾焚烧炉烟气在线监测应用的典型产品技术介绍

5.1 南京霍普斯科技公司 FGC-2000 高温型FT-IR分析系统

FGC-2000由高温取样处理系统、FT-IR分析仪及专用数据采集处理系统软硬件等组成，用于分析垃圾焚烧烟气中SO₂、NO_X（NO+NO₂+N₂O）、CO、CO₂、HCl、HF、HCN、NH₃、CH₄、H₂O及O₂；可配套检测烟尘浓度和其他烟气参数；本公司自主设计FT-IR的高温取样处理系统及数据采集处理系统测量软件，分析仪的关键部件采用ABB MBGAS-3000的技术。FGC-2000的分析系统流程图参见图7，FGC-2000系统外形图参见图8。

图7 FGC-2000的高温分析系统流程图

图8 FGC-2000的分析系统外形图

系统的主要技术特点如下：

① 采用高温热湿法，取样、传输、处理、分析全程保温180℃，其中取样探头、传输管线加热最高200℃，高温测量气室恒温180℃；具有空气净化单元用于保护FT-IR分析仪。

② FT-IR分析仪的光谱扫描范围为400～4000cm^-1；干涉仪采用立方角-双轴迈克尔逊干涉仪专利技术，抗振动、无驱动机械磨损，无需准直；分辨率1cm^-1；高温测量气室多次反射，光程5m，铝合金镀镍腔体，镀金光学镜片。氧采用冷干法电化学氧传感器测量。

③ 分析系统自动化程度高，适应各种恶劣工况条件；采用自动控制技术实现取样处理的全程保护模式；具有取样、标定、反吹、掉电保护等控制和报警功能及远程诊断功能。

④ 分析系统线性误差：≤2%FS，零点及量程漂移：≤2%FS/7d，响应时间：120s。

5.2 厦门格瑞斯特公司的CX-4000 高温型FT-IR

CX-4000是由厦门格瑞斯特与芬兰Gasmet公司联合开发，系统的主要技术特点如下：

① 采用高温热湿法分析。系统全部处于180℃高温下运转，没有水分冷凝引起的分析偏差和分析系统的腐蚀，不会因高沸点未知物凝固积累造成分析系统的堵塞。样气室采用多次反射，光程5.0m；材质100%的黄金防护层，体积：1.07L。

② 分析测量组份多，响应迅速，被检测组分：12个，最多可分析50多个组份；具有较宽动态测量范围和很低的检测限，可满足垃圾焚烧烟气中气态污染物的多组分分析。

③ FT-IR分析仪采用迈克尔逊干涉仪，光谱测量波数：900～4200cm^-1，分辨率8cm^-1。

④ 分析系统校准自动化，用纯N₂气体零点校准，不需灵敏度校准可长期保持±2%的检测精度。图形工作站包括：出厂标定光谱库、光谱库搜索，自动存贮、测量光谱图。

5.3 SICK公司的MCS100FT 高温型FT-IR

德国SICK公司的MCS100FT的主要技术特点如下：

① 高温取样系统：采用全程高温技术，取样探头、取样管线、工作气室、射流泵等均采用高温设计，温度控制在185℃以上；高温探头采用两级过滤，系统停止取样时，探头自动关闭取样管路，零点气和反吹气从专门接口被引人探头内部。采用射流泵技术，安装在高温箱内，以仪表空气为载气，工作温度在185℃，取样流量为0.3m³/h。

② FT-IR分析仪：采用卡洛斯干涉仪，分辨率：8cm^-1，波长范围：900-4200cm^-1，样气室温度：180℃，多次反射光程：8m，体积：1.07L。

③ 测量组分及范围：H₂O：0～40％、O₂：0～25％、CO₂：0～20％、SO₂：0～900mg/Nm³、HCl：0～200mg/Nm³、CO：0～300mg/Nm³；NO_X 0～1200mg/Nm³；HF：0～2mg/Nm³。