如何选择适合的分析仪器产品？

在实际的工程施工中，垃圾焚烧尾气监测系统中需要使用到的分析仪器主要有傅里叶红外分析仪、含氧含量分析仪、氨逃逸分析仪等。由于产品的专业性，其相关品牌、产品特性并不为大众所熟知，下面以目前市面上的主流产品为例，说明各类分析仪在垃圾焚烧尾气监测系统中的作用以及选择设计的重点。

（1）傅里叶红外分析仪

垃圾焚烧尾气监测系统中使用的傅里叶红外分析仪主要用于检测HF、HCl、CO、CO2、SO2、NO2、NO、N2O、O2、NH3、H2O（湿度）。

实际上傅里叶红外分析仪在生产过程控制、电力行业以及垃圾焚烧行业等普遍使用，在设计垃圾焚烧尾气监测系统中使用的傅里叶红外分析仪需要考虑设计因素有：

同时检测的气体种类：从长远来看，政府对垃圾焚烧的监管只会越来越严，今后相关标准中将会对检测气体种类数量以及精度提出更高的要求。预留检测气体种类的数量，可以节省今后系统升级的成本。

环境适应性：单从分析仪器本身性能来看，傅里叶红外分析仪的检测精度高，前景看好。在工程产品选择上，则需要特别注意仪器对样气的适应性。由于目前国内垃圾分类种类较少，直接导致需要焚烧垃圾成分相对比较复杂，且稳定性较差，比较突出的是水分，每一批垃圾，不同季节垃圾焚烧的水分含量都不一样。显然适用范围更宽的更有利于整体性能稳定。

检测精度要求：傅里叶红外分析仪的检测精度通常由最大量程（mg/m3）和最小量程决定，实际工程中检测精度要求主要由系统技术规格书决定。

垃圾焚烧尾气监测系统中典型产品非德国ABB MBGAS-3000型傅立叶变换红外分析仪莫属，产品实物如图7-4-10所示。

图7-4-10　ABB MBGAS-3000型分析仪实物

从该产品技术参数上来看，该产品高精准的温度控制（温度误差≤±1℃），能充分保证样气完整性（不失真）；即使样气中水分含量高到40%的的情况下，也能准确检测NH3、HCL、HF等气体成分的含量。该产品内部结构如图7-4-11所示。从结构上来看，ABB MBGAS-3000型分析仪可同时测量25种烟气成分，不存在多套装置测量，且NO、NO2、N20三种氧化合物分开测量，高于目前国内现行要求。

图7-4-11　ABB MBGAS-3000型分析仪内部结构示意图

傅里叶红外分析仪光谱分辨率：≤0.7cm-1（波数），光谱分辨率是傅里叶红外分析仪表的核心指标。该产品主要由气室单元（Gas cell box）、干涉仪单元（Interferometer box）和电子单元组成（Electronic box）。该分析仪系统系统自动校正，零点基本无漂移，量程漂移以及灵敏度漂移分别能够达到≤±0.6%满量程/月以及≤±0.5%满量程/月，为系统长时间稳定工作提供了保证。其垃圾焚烧监测常见检测气体的精度如表7-4-2所示。

表7-4-2　MBGAS-3000型傅立叶变换 红外分析仪常规检测参数的量程

（2）含氧含量分析仪

主要用于垃圾焚烧尾气监测系统中氧含量的准确测量，在垃圾焚烧中对氧气含量的测量并没有非常特殊要求，相关要求可简单描述为：

探头插入深度可根据用户工况订制；通常探头需要能够达到垃圾焚烧尾气温度；

可与计算机或其他数字通讯设备直接进行通讯，通常为RS232/RS485（选配）双向通讯功能；

检测精度能够达到0～25.00%氮氧混合气体中氧浓度的准确测量；

无需额外温控、精度高、线性输出；

稳定性好、可靠性高、校准周期符合常见要求，最好能够和在线系统中其它校准周期一致；

比较典型的产品代表是美国霍尼韦尔公司[29]GMS-10，产品实物如图7-4-12所示。

图7-4-12　美国霍尼韦尔公司GMS-10产品实物

（3）氨逃逸分析仪

在垃圾焚烧尾气排放中通常为了控制氮氧化物的排放，通常采用尿素或者液氨作为反应素与氮氧化物反应，生成氮气和水，但此时必须要控制喷氨总量。如果总量不够就达不到脱硝目的，会直接导致氮氧化物排放超标；总量过得多就会直接导致尾气排放中含有氨气，造成氨气对大气的二次污染。所谓“氨逃逸”，其实就是氨喷多了，在垃圾焚烧中简单来讲，就是指监测尾气中氨含量。另外尾气中的氨还有可能和尾气本身就含有的SO2反应生成具有强腐蚀性硫酸氢铵和硫酸铵，会造成除尘设备、管道堵塞，影响烟气流量等一系列不良反应或产生其他对工况不利的衍生品，因此必须实时对样气中的氨含量进行监测。

比较典型的产品代表是ABB[25]公司LS25激光分析仪，产品实物如图7-4-13所示。其基本测量原理是“激光光谱法”，即在接近红外光谱的范围内选择一个无干扰的被测气体吸收波长，一个室温条件下的二极管激光器发射单一吸收波长，激光检测器检测发射光和被测气体分析吸收后的光强度，当检测器测出被测分析的吸收，即可计算出气体浓度。

图7-4-13　ABB LS25激光分析仪实物(www.xing528.com)

通常激光分析仪都能测量不止一种样气，且所有的气体根据其特性，都存在自己的物理量程，通常在量程范围内可以自由调整。由于激光分析仪在获得最小量程时，有时必须采取额外措施，且分析仪检测极限取决于气体条件（压力、温度和气体成分）和光学距离，监测不同的气体需要分别进行设置。通俗地讲，由于激光分析仪的波长有限，通常只能监测一个或者特性相近的两个气体，如果需要监测多种气体的话，就需要多台激光分析仪，并分别进行设置，无疑会增加工程造价，因此通常在垃圾焚烧系统中激光分析仪并不用于其他气体监测只用于NH3的监测，以ABB的LS25激光分析仪为例，其最小量程、最大压力以及最高温度如表7-4-3所示。

以垃圾焚烧的监测精度来看，通常精度达到≤±1%、满量程零点漂移达到≤0.5%最小量程/月、量程飘移达到≤1%量程/月、检测极限达到≤1%最小量程、响应时间达到≤2s就已经能够满足常见要求。

表7-4-3　ABB公司LS25部分气体测量量程

需要特别说明是由于受到高温、高粉尘、高腐蚀等恶劣的现场工况环境影响，在使用过程中光学透过率为逐渐下降，影响系统的正常工作，因此需要周期性地清洁光学部件。发射和接收单元的光路在长时间的工作后，也可能会漂离最佳工作状态，需要适时地优化光路调整。因此垃圾焚烧监测中使用的激光分析仪都需要周期性地维护和标定，一般使用高纯氮气进行零点标定、NH3/N2进行量程标定。并通常在工程设计中会专门对激光分析仪制定专门的校验规范，详细的规范细节参见本书中的仪器日常维护和保养的相关章节。

（4）TOC分析仪

TOC（Total organic carbon，TOC）是指有机物所含碳的总量，由于有机物是以碳链为骨架的一类化合物，在水质、大气污染物排放等都需要进行TOC检测，在垃圾焚烧中的检测主要用于检测有机物的污染水平。常用的TOC检测方法主要有湿法氧化（过硫酸盐）法、高温催化燃烧氧化、紫外氧化、电阻法、紫外（UV）-湿法（过硫酸盐）氧化、紫外法、臭氧氧化法、超临界H2O氧化法、超声空化声致发光法等。由于垃圾焚烧本就是属于高温，通常采用火焰离子检测技术（flame ionizationdetector，FID）进行检测。以ABB公司Fidas24产品为例，其仪器原理结构如图7-4-14所示。

其原理可简要描述为：检测器使用氢气和助燃气产生氢火焰，当TOC进入到燃烧火焰时会被离子化。离子化产生的自由电子束通过探测器中的极化电极被直接送到检测电路中。检测电路将此电子束作为电流来处理，电流大小取决于探测器中TOC的含量，通过测量电流，可计算出TOC的浓度。火焰离子检测技术相关理论和测试原理不在本书探讨的范围，对此有兴趣的可见参考文献[30]。

图7-4-14　火焰离子检测仪内部结构示意图

通常情况下，垃圾焚烧系统中的TOC检测仪需要达到的性能指标可以简要概述为：仪器的主要部件检测器、空气喷射器，热的样品过滤器形成一体，以保证不形成冷区（防止聚合）以及更小的泄露；精度达到≤±1%满量程、零点漂移达到≤1%F.S./月、量程漂移达到≤1%F.S./月、响应时间达到≤0.9秒、线性偏差达到≤2%　FS；维护周期与在线系统中的其他仪器保持一致。

需要特别说明在垃圾焚烧在线监测系统中TOC检测需要使用氢气作为燃料（ABB公司Fidas24通常需要5.0级氢气，仪器入口压力Pa=1200+100hPa，耗气量≤2 L/h），其火焰离子化单元的操作、关机以及数据处理均需要进行单独上岗操作培训。

（5）烟尘浓度监测仪

目前在包括水泥、火电、钢铁、冶金、炼油、铝业、石化、造纸、玻璃工业等行业中的对除尘设备效率监测、燃烧效率监测、工业制造过程中粉尘浓度的测量、工矿企业职业健康保护粉尘监测、生产车间、厂房的粉尘负荷监控等监测均需要用到烟烟尘浓度监测仪。其基本要求是在风、雨、雷电、粉尘、高低温度等恶劣环境下长期连续不间断地监测污染源的烟尘排放情况。

目前最常用的方法是激光法原理，其仪器由电气系统、光学系统、结构件三大部分组成。电气系统采用数字信号处理技术，分为激光发射模块、光接收模块、中央处理模块、接口模块四大部分，用先进的微处理器及嵌入式软件控制系统，实现包括光功率自适应稳定、大动态自适应锁相放大、极低零点漂移设计、抗恶劣环境等功能，提供快速、可靠和准确的定量烟尘排放数据。

其内嵌的高稳定激光信号源穿越烟道，照射烟尘粒子，被照射的烟尘粒子影响激光信号的传输强度，激光的信号强度与烟尘浓度成正变化，检测烟尘透射的微弱激光信号，通过特定的算法即可计算出烟道烟尘的浓度。

烟尘浓度监测仪使用范围相当广，目前在国内垃圾焚烧行业的工程设计中普遍遵循HJ/T 76-2007（固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法）标准，该标准主要适用于垃圾焚烧发电行业、电力、建材等行业的烟尘监测。在该标准中对烟尘浓度监测仪的机械特性、光学特性、测量性能、环境工作条件以及数据输出要等均给出了明确的指标要求。

德国DURAG公司[31]的D-R220激光法粉尘仪是垃圾焚烧监测系统中典型产品，由于仪器采用的是激光法，因此通常自带自动快速关断挡板和定时自动标定功能，吹扫风自动加热装置。

其中安全关断装置的目的是可在停电或者吹扫装置失效的情况下有效保护镜片不受烟气的污染。以标准型D-R220为例：其自身带有一个积分自动关断装置，由D-SK 290安全快门系统和D-SK AE控制系统组成，每个安全快门需要D-SK AE电子控制器，它包含安全快门的电气连接和电源，约2秒打开/关闭，并可以实现流量调节。

另外热风吹扫装置通常被设计为一个盘柜，盘柜内包含加热罐，温控装置、电磁阀组、气源分配单元，当压缩空气经过第一级过滤装置后再进入热风吹扫装置，当干净的压缩空气加热到设定温度时，电磁阀打开，气流对仪表进行吹扫，其内部结构如图7-4-15所示。

图7-4-15　电加热吹扫装置内部结构示意图

（6）流量监测仪

垃圾焚烧发电行业中的各种洁净气体、脱硫烟气、脱硝烟气等均需要使用流量测量，通常用得最多的是插入式差压流量计，90%以上选用皮托管法测量。

垃圾焚烧中使用到流量计除了必须要达到中国环保相关标准认证，还需要从防腐蚀，防堵塞，耐磨损角度进行考虑，很多还配装高精度差压变送器，使流量测量结果更加精确。还可加装实时动态流量补偿仪，经温度、压力、密度补偿后，可得到不同工况下的最终数据。通常应该达到的相关技术指标为：精度达到±0.2%满量程、分辨率达到0.1m/s、零点漂移达到≤±1%满量程/月、量程漂移达到≤±1%满量程/月、灵敏度漂移达到≤±1%满量程/月、响应时间通常≤1s；测量范围为0-40 m/s。典型的产品代表为PT1系列流速计配罗斯蒙特3051C系列差压变送器。产品实物如图7-4-16所示。

图7-4-16　PT1流量计实物

（7）温度监测仪

垃圾焚烧监测中温度通常应该达到的相关技术指标为：量程：0～300℃、误差达到≤+1℃、输出分辨率达到0.125%FS、环境温度为-40～65℃即可。采用直插式，通常采用热电阻分析原理，达到技术指标的相关产品均可。

（8）压力监测仪

垃圾焚烧监测中最常用的测量方式是直插式，典型产品为罗斯蒙特3051C系列压力传感器，其主要设计思想是将温度变送器、压力变送器、流速计集成于一体，达到结构紧凑，所需安装空间小的目的，并且为安装和接线便捷，维护量低将阀组与流量传感器一体化焊接，并设置一体化微压调零阀组；如前所述，通常配置有自动反吹单元，可定时清理皮托管内的颗粒物，反吹间隔时间根据需要自行设定。通常应该达到的相关技术指标为：量程：-5～5KPa、准确度达到≤1%、输出分辨率0.125%FS、环境温度范围为-25～65℃。