基于傅里葉紅外原理的多點切換連續(xù)測量系統(tǒng)的設計及應用

王 錦，呂旭東

（1.蘇州吳江光大環(huán)保能源有限公司，蘇州 吳江 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(guī)規(guī)定視為生活垃圾的固體廢物。我國城市生活垃圾的基本特點包括熱值低、含水量高、成分復雜等。處理生活垃圾的總體目標是“減量化、資源化、無害化”。為實現(xiàn)該目標，目前生活垃圾主要有三種處理方式：衛(wèi)生填埋、垃圾堆肥、垃圾焚燒，其中垃圾焚燒化處理已成為垃圾處理的一種主流方式，隨著環(huán)保法規(guī)的日趨嚴格，對于大氣污染物排放數(shù)據(jù)管理也成為整個垃圾焚燒工藝控制過程中的重中之重，為實現(xiàn)這一目標，越來越多的垃圾焚燒電廠不僅僅針對于排放口的污染物監(jiān)測，開始實行全處理工藝過程中氣體監(jiān)測，同時對各處理設備入口，出口分別進行監(jiān)測，此目的用以實現(xiàn)全處理工藝過程的精細化控制和提前控制。

1 傅里葉紅外測量的原理

此系統(tǒng)設計采用的分析儀為ABB公司生產的MBGAS3000型多氣體測量分析儀，此分析儀基于傅里葉變換紅外原理，采用此原理進行多個采樣點煙氣測量是因為每套處理裝置入口，出口煙氣濃度范圍跨度大，從2 mg/m3至1 000 mg/m3變化，且各處理裝置煙氣溫度存在差異，傅里葉變換紅外原理的分析儀采用高溫測量，可以通過一臺設備進行多個組分的測量，而且每個組分有高低兩個量程，分析儀通過獨有的算法分析可以進行不同量程的切換測量，保證高低量程的數(shù)據(jù)準確度[1]。

MBGAS3000型分析儀由氣體池，紅外光源，干涉儀，檢測器和數(shù)據(jù)處理單元組成，其中氣體池為3.6米長光程氣體池，按照比爾蘭伯特定律，光程與待測物質濃度成反比，光程越長，可測量物質濃度量程越小，垃圾焚燒過程煙氣各個組分最大不超過4000 mg3，但最小會小于1 mg/m3，所以采用長光程氣體池是比較適合的選擇。

紅外光源發(fā)出紅外光經(jīng)過半球形反射鏡收集和反射，反射光通過準直鏡反射出來的平行光進入干涉儀，從干涉儀出來的平行光進入氣體池，通過氣體池多次反射后進入檢測器，檢測器的信號進入數(shù)據(jù)處理單元，經(jīng)過紅外光譜分析得出氣體濃度顯示在終端顯示設備上。

MBGAS3000型采用中紅外光源，依靠碳硅棒加熱后發(fā)光，其中干涉儀是分析儀的核心設備，采用立方角鏡耦合式干涉儀，干涉儀中有兩塊動鏡，采用鍍金立方角鏡，動鏡固定在扭擺式基體上，當基體繞軸扭擺時，從分束器透射和反射的兩束光產生光程差，因而得到干涉光，因為采用立方角鏡，即時在動鏡擺動時立方角鏡沿軸方向發(fā)生較小的便宜，仍然能保證入射光線和出射光線絕對平行，提高了儀器的抗干擾能力。

通過干涉儀的紅外光進行干涉后得到紅外光的干涉圖，對干涉圖進行傅里葉變換計算，可以得到基于頻域的紅外光譜圖，因為不同物質分子震動頻率的差異，所以針對每一種物質都有自己的特征光譜，基于此可以通過數(shù)學建模的手段分析紅外光譜得到每種物質濃度，見圖1。

圖1 傅里葉變換原理

2 多點切換連續(xù)測量系統(tǒng)的設計

以往的多點監(jiān)測一般會采用傳統(tǒng)的手工采樣進行每個點獨立采樣分析，此方法耗時耗力，而且效率極低，某些組分，如HCL無法實時得到測量結果，數(shù)據(jù)無連續(xù)性、實時性，對于整個處理工藝沒有實際的指導意義，另外也會采用針對每個采樣點單獨設置分析設備，此方法成本高昂，而且需要對所有設備進行定期維護。所以選擇設計一種多點切換采樣裝置對多個采樣點進行輪詢采樣測量，采樣點的選擇可以手動控制，自動控制或者通過編程控制進行獨立切換，僅采用一臺分析設備實現(xiàn)所有采樣點的測量。

多點切換連續(xù)測量系統(tǒng)包括采樣探頭，預處理箱，加熱管線，切換控制箱，配電箱，分析系統(tǒng)柜組成，其中采樣探頭，預處理箱，加熱管線分別安裝至每個采樣點，通過加熱管線全部接入切換控制箱，切換控制箱通過一個獨立的加熱管線進入分析系統(tǒng)柜內部采樣口，分析系統(tǒng)柜柜門安裝有7寸觸摸式顯示屏，可以進行采樣點的手動切換，自動切換設置，以及切換間隔時間等多項參數(shù)的設置[2]。

多點切換連續(xù)測量系統(tǒng)的主體部分為切換控制箱，因為每個采樣點煙氣溫度均超過120度，所以切換控制箱內所有煙氣直接接觸的元器件必須為加熱狀態(tài)，避免冷凝水的產生導致腐蝕和煙氣的測量損失，切換采樣箱內部進行切換的閥采用氣動閥，閥體本身通過加熱座對其進行加熱，設定溫度為180度，氣動閥線圈部分暴露在加熱體外部，通過風扇散熱保證其正常工作，通過獨立的電磁閥對氣動閥線圈進行控制實現(xiàn)氣動閥的開閉。同時因為每個采樣點位置不同，采樣管線長度有很大差異，此項目中，最短的長度為41米，最長的長度為135米，為保證測量數(shù)據(jù)的實時性，切換采樣箱內對每一路采樣點增加預采樣氣動閥，當此采樣點不進行采樣工作時，通過真空射流泵對其進行預采樣，當其切換至采樣動作時，預采樣氣動閥關閉，可以加快測量數(shù)據(jù)的響應時間，保證數(shù)據(jù)的實時性。

每個采樣點通過加熱管線2、3進入切換采樣箱，進入的管線分兩路分別連接采樣控制氣動閥4，預采樣控制氣動閥5，其中電磁閥7獨立控制每個氣動閥的開閉，采樣泵6采用高溫加熱型隔膜泵，將采樣點煙氣抽取后通過加熱管線1正壓送入分析儀內測量，真空射流泵8始終處于工作狀態(tài)，對任意一路預采樣氣動閥處于打開狀態(tài)的采樣點進行預采樣。其中壓縮空氣過濾單元是對總壓縮空氣進行除油除水過濾處理，保證壓縮空氣的潔凈，確保各個氣動閥長期工作穩(wěn)定，見圖2。

圖2 多點切換裝置結構

通過分析系統(tǒng)柜門上的觸摸屏可實現(xiàn)整套系統(tǒng)的全部操作，操作包括探頭反吹，切換控制，切換間隔時間設定，分析儀標定，分析儀零點，可以手動獨立選擇單獨的某個采樣點長時間采樣，也可以設定切換的時間實現(xiàn)所有采樣點輪詢自動采樣，最終可以在內部的電腦上生成數(shù)據(jù)曲線和報表，曲線和報表中會標記當前采樣點名稱，方便日后數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析[3]。

3 實際生產中的應用

在實際的生產過程中，各個煙氣處理工藝產生的過程氣體都會很大程度影響最終的污染物排放指標，光大環(huán)境吳江擴建項目采用千噸級焚燒爐、多相物料、大比例摻燒模式處置生活垃圾、工業(yè)垃圾、污泥。煙氣處理采用“SNCR爐內脫硝+半干式脫酸+干石灰噴射+活性炭吸附+布袋除塵+GGH+濕法脫酸+SGH+煙氣再循環(huán)”工藝如圖3所示。

圖3 煙氣處理系統(tǒng)流程圖

設備選擇的采樣點分別在每條焚燒線的省煤器出口處及布袋除塵器出口處安裝，3條焚燒線總共6個采樣點?？紤]在這兩個處安裝取樣點的思路是省煤器出口處讀取的煙氣數(shù)據(jù)除完成脫硝處理以外，SO2、HCl均是未處理的原始值。而布袋除塵器出口處的煙氣已經(jīng)過半干式脫酸+干石灰噴射的處理，此處的SO2、HCl已經(jīng)降為較低值，就可計算出以上脫硫設備的實際運行效率，最終讀取煙囪排口的SO2、HCl數(shù)據(jù)就可計算出濕法脫酸塔的實際運行效率。結合一段時間運行數(shù)據(jù)的積累能輔助測算出脫酸經(jīng)濟運行的方式，同時能提早的干預脫酸環(huán)保耗材的投加量[4]。

因焚燒爐正常運行中因工業(yè)垃圾的成分不同，常有出現(xiàn)突發(fā)某一時段SO2、HCL飆升，該設備安裝投運后截取了運行中出現(xiàn)的一次SO2數(shù)據(jù)超標的情況[5]。

如圖4中，焚燒線正常運行過程中布袋除塵器SO2數(shù)據(jù)出現(xiàn)升高，當時運行人員并未注意觀察該數(shù)據(jù)，半小時后煙囪出口SO2值開始升高并接近限制值。運行人員開始快速增加霧化器石灰漿流量，隨即布袋除塵器SO2數(shù)據(jù)開始快速降低，同步煙囪出口SO2值也開始逐漸降低。

圖4 DCS數(shù)據(jù)畫面

通過分析，當布袋除塵器處SO2值升高時雖然運行人員未增加脫酸環(huán)保耗材的情況下煙囪出口SO2并未超標，主要原因是濕法脫酸塔壓制了SO2值，但隨著濕法塔內PH值在快速降低并低于正常運行控制值時，脫酸反應能力降低，煙囪出口SO2的數(shù)據(jù)逐步開始升高[6]。

此時運行人員也發(fā)現(xiàn)了SO2排放指標升高的情況并加大霧化器石灰漿流量來壓制，圖5中可明顯發(fā)現(xiàn)，布袋除塵器處SO2值隨著霧化器石灰漿流量的加大數(shù)值快速降低，煙囪出口也隨即逐步降低。

圖5 數(shù)據(jù)曲線圖

4 結語

多點切換連續(xù)測量系統(tǒng)的設計滿足了現(xiàn)場多個采樣點連續(xù)切換測量的功能，可以實時準確的反應不同處理工藝位置煙氣數(shù)據(jù)趨勢，該系統(tǒng)能給實際運行帶來3點幫助。

（1）可以通過省煤器出口處、布袋除塵器出口處及煙囪出口處的三處測量數(shù)據(jù)來測試環(huán)保設備的運行效率，經(jīng)過長時間的數(shù)據(jù)積累，當效率降低時及時進行停爐檢查，尋找環(huán)保設備可能存在的問題并進行修復。

（2）通過設備在省煤器出口處輪巡檢測的方式來跟蹤運行的焚燒線是否有環(huán)保指標突升的情況，以便及時快速的處理，確保煙囪排口的環(huán)保參數(shù)符合排放標準。

（3）目前脫硫的環(huán)保耗材分別采用石灰漿液及液堿，通過分別測試不同脫硫環(huán)保設備的脫硫效率來選擇更加經(jīng)濟的運行方式，做到降本增效的作用。