高精度激光開路式氨排放車載巡檢系統(tǒng)測試報告

                                寧波海爾欣光電科技有限公司

一、背景概述

氨氣(nh3)是大氣氮循環(huán)的重要組成部分，其呈堿性，對中和酸性氣體和懸浮微粒的形成至關(guān)重要，對維持生態(tài)平衡起著重要作用。但同時氨作為大氣污染源嚴(yán)重影響著人類的生存環(huán)境。氨是*的應(yīng)激源，是動物圈舍內(nèi)有害的氣體之一。氨不僅對家禽家畜、人體有直接的危害，對大自然環(huán)境也有強(qiáng)大的破壞力。近年來，氨作為霧霾的隱性元兇，引起了全社會的高度關(guān)注。生態(tài)環(huán)境部在2018年公布的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》中，明確提出了控制氨排放的要求，以減少種植和畜牧養(yǎng)殖業(yè)氨的揮發(fā)排放。因此，大氣中氨排放的定量評估及其精準(zhǔn)溯源，越來越受到人們的重視。

1.1氨氣對家禽家畜的危害

氨氣容易誘發(fā)家禽、豬等動物的多種呼吸道疾病，提高肉雞腹水癥的發(fā)病率，導(dǎo)致蛋雞因此減少產(chǎn)蛋量，引起雛雞和幼豬增重和飼料利用率的下降，從而給養(yǎng)雞養(yǎng)豬生產(chǎn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2氨氣對人體的危害

氨氣是工業(yè)常用的制冷劑，也是常見的化工原料及產(chǎn)品，氨水儲罐是重大危險源。氨易溶于水、乙醇和其他物質(zhì)，在水中溶解度很高，20℃時 1體積的水顆溶解700體積的氨，氨的水溶液呈堿性，對呼吸粘膜有刺激性，嚴(yán)重時可發(fā)生堿灼傷，可引起眼睛流淚、灼痛，角膜和結(jié)膜發(fā)炎，視覺障礙等。氨氣進(jìn)入呼吸道可引起咳嗽、氣管炎和支氣管炎、肺水腫出血。呼吸困難、窒息等。

1.3氨氣對環(huán)境的危害

早在20年前歐洲就已經(jīng)開始研究氨沉積對土壤酸化和超營養(yǎng)的作用。畜牧排泄糞便中含有大量含氮物質(zhì)是造成畜牧業(yè)污染環(huán)境的重要原因。排出的糞便若不通過處理，直接揮發(fā)出氨，經(jīng)空氣作用產(chǎn)生大量硝酸鹽，滲入地表水、地下水和飲用水中，促使水體“富營養(yǎng)化”并能產(chǎn)生大氣重要污染源之一的臭氣。另外，氣態(tài)的氨可以與硫酸、硝酸和鹽酸等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成銨鹽，進(jìn)而增加大氣污染物pm2.5顆粒物的濃度。

1.4氨氣的重要排放源

在美國，氨氣的產(chǎn)生和排放約 80%來自畜牧業(yè)。歐洲環(huán)境署評估指出，超過80%的氨氣排放就是來自畜牧業(yè)的生產(chǎn)。就范圍而言，來自畜牧生產(chǎn)的氨大約占總比的 50%。因此保護(hù)畜牧業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，保護(hù)人類健康，保護(hù)自然環(huán)境，防治大氣氨的排放迫在眉睫。高精度的檢測大氣中氨本底的濃度是極其重要的一步。高精度測量 ppb級氨氣在大氣中本底濃度的儀器產(chǎn)品，目前普遍為進(jìn)口，而且普遍都是閉路分析。對于氨這種粘性*的分子，閉路測量無一例外會產(chǎn)生采樣誤差和管路對測量信號的遲滯效應(yīng)，影響測量精度和響應(yīng)速度。

二、大氣氨車載巡檢系統(tǒng)介紹

        圖1、產(chǎn)品系統(tǒng)組成簡介（上圖）

                  海爾欣激光開路氨分析儀近照（中圖）

                   海爾欣大氣氨車載巡檢系統(tǒng)照片（下圖）

         海爾欣公司自主研發(fā)的大氣氨激光開路分析儀采用紅外激光吸收光譜技術(shù)(ldir)，結(jié)合開路式多次反射氣體池，使得測量有效光程達(dá)數(shù)十米，實現(xiàn)了對大氣氨分子進(jìn)行 10hz，亞 ppb精度的高速測量。此外，該大氣氨開路分析儀采用車輛移動平臺搭載的形式，形成一整套車載巡檢系統(tǒng)，如上圖 1所示：車載大氣氨開路車載系統(tǒng)主要包括有：海爾欣大氣氨激光開路分析儀、坎貝爾公司  cr3000數(shù)據(jù)采集、gps模塊、超聲三維風(fēng)速儀、實時云數(shù)據(jù)運(yùn)算處理模塊。外場檢測中，激光開路分析儀可通過旅行架搭建在 suv車頂實時采集 10hz高速濃度數(shù)據(jù)，同時gps實時采集經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)，超聲風(fēng)速儀可記錄該區(qū)域瞬時風(fēng)向、風(fēng)速，海量數(shù)據(jù)由4g或5g網(wǎng)絡(luò)傳回海爾欣數(shù)據(jù)服務(wù)中心的超級工作站，進(jìn)行云端數(shù)據(jù)的提取、運(yùn)算、分析、存儲，同時將運(yùn)算結(jié)果實時傳回 pc端，坎貝爾的 cr3000數(shù)據(jù)采集模塊用于實時數(shù)據(jù)備份。海爾欣的整套方案結(jié)合紅外激光光譜分析技術(shù)，4g或5g網(wǎng)絡(luò)傳輸，云端數(shù)據(jù)運(yùn)算分析，為用戶提供的氨排放溯源及監(jiān)控結(jié)果。

在分析儀方面，海爾欣具備以下兩點(diǎn)突破性的優(yōu)勢：

1、避開了傳統(tǒng)的閉路氨分析儀器由于采樣管路的傳輸時間和吸附效應(yīng)，響應(yīng)速度很慢的缺點(diǎn)，創(chuàng)新性的采用開路測量方案，無需采樣，響應(yīng)速度非?？?，由高濃度恢復(fù)至零點(diǎn)時間小于1秒，尤其適合車載平臺高速運(yùn)動中收集到瞬時濃度變化，避免漏檢氨排放源；

2、開路分析儀無需采樣泵，依靠大氣的自然流動經(jīng)過光路分析，大大降低了整機(jī)功耗(50w)和質(zhì)量(5kg)，因此可使用小型車載電源或電池供電，適合多種巡檢車型。海爾欣的分析儀甚至結(jié)合太陽能電池板可在無電網(wǎng)覆蓋區(qū)域部署，提高了用戶選擇測量點(diǎn)的自由度。

三、外場測試結(jié)果及數(shù)據(jù)說明

2019年5月24日，海爾欣工程師們利用自主研發(fā)的車載巡檢系統(tǒng)，分別對寧波市北侖區(qū)小港鎮(zhèn)惠民生豬養(yǎng)殖場、鎮(zhèn)海區(qū)駱駝鎮(zhèn)馮記家禽養(yǎng)殖場、鎮(zhèn)海石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，三個目標(biāo)地點(diǎn)及周邊進(jìn)行了大氣氨濃度的車載巡檢測試，測試結(jié)果分別見圖 2-圖 4所示。如圖 2所示，顯示的是北侖區(qū)小港鎮(zhèn)惠民生豬養(yǎng)殖場及周邊的大氣氨濃度測試結(jié)果。圖2以google衛(wèi)星地圖為背景，其中紅色圓球地理標(biāo)識就是惠民生豬養(yǎng)殖場的所在地，圖中帶顏色標(biāo)記的為測試路線。獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍(lán)的顏色標(biāo)記區(qū)分，如圖中右邊的顏色標(biāo)尺所示。測到大氣氨濃度大為349.3ppb。圖2顯示有2個片區(qū)濃度值都超過了200ppb，一處為養(yǎng)豬場正門口，另一處為豬糞便堆積處，表明養(yǎng)豬場確實有大量的氨氣產(chǎn)生，同時隨著與養(yǎng)豬場的距離增加氨濃度值逐漸下降。

圖 2小港惠民養(yǎng)豬場測試結(jié)果

 圖2小港惠民養(yǎng)豬場測試結(jié)果

         如圖 3(a)所 示，顯示的是鎮(zhèn)海區(qū)駱駝鎮(zhèn)馮記家禽養(yǎng)殖場及周邊的大氣氨濃度測試結(jié)果。圖 3(a)以 google衛(wèi)星地圖為背景，其中紅色圓球地理標(biāo)識就是馮記家禽養(yǎng)殖場的所在地，圖中帶顏色標(biāo)記的為測試路線，車載大氣氨開路分析儀的測試現(xiàn)場見小圖。獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍(lán)的顏色標(biāo)記區(qū)分，如圖中右邊的顏色標(biāo)尺所示。測到大氣氨濃度為 137.0ppb，表明養(yǎng)雞廠確實有大量的氨氣產(chǎn)生和排放。圖 3(b)顯示的是測試過程中儀器在鎮(zhèn)海大道上來回經(jīng)過養(yǎng)雞廠4次的濃度數(shù)據(jù)。圖 3(b)顯示，該儀器在距離養(yǎng)雞廠直線距離約為900m處仍能檢測到 20-30ppb的大氣氨濃度，表明該儀器具有極低的檢測下限。

   圖3(a)駱駝馮記家禽養(yǎng)殖場測試結(jié)果

    圖 3(b)鎮(zhèn)海大道上測試結(jié)果

         圖4(a)所示的是鎮(zhèn)海區(qū)石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)中一家液氨充裝工廠周邊的大氣氨濃度測試結(jié)果。同樣以 google地圖為背景，其中紅色圓球標(biāo)識的為飛翔液氨充裝站工廠。圖中帶顏色標(biāo)記的為測試路線，獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍(lán)的顏色標(biāo)記區(qū)分，如圖中右邊的顏色標(biāo)尺所示。測到大氣氨濃度值為760.4ppb，表明液氨充裝站可能存在一定程度的氨氣泄漏，應(yīng)當(dāng)引起安監(jiān)部門的重視。如圖 4(a)所示，該儀器在離液氨充裝站直線距離約為 900m的新琦新型建材公司附近也檢測到了明顯高于大氣本底濃度的氨，詳細(xì)濃度值分布見圖 4(b)。由圖 4(a)和(b)所示，高濃度所在位置點(diǎn)與液氨充裝站基本處于一條直線上，而且距離液氨充裝站直線距離越遠(yuǎn)氨濃度越低，說明測試過程中大氣氨從液氨充裝站朝新琦新型建材公司擴(kuò)散，這剛好為當(dāng)天的風(fēng)向吻合。此結(jié)果再一次證明了海爾欣大氣氨激光分析儀具有探測范圍廣、靈敏度高的優(yōu)異性能。

   圖4(a)石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)測試結(jié)果

 圖 4(b)上圖紅圈局部放大結(jié)果

四、測試結(jié)果總結(jié)

         采用海爾欣自主研發(fā)的車載式大氣氨激光開路分析儀，分別對寧波市北侖區(qū)小港鎮(zhèn)惠民生豬養(yǎng)殖場、鎮(zhèn)海區(qū)駱駝鎮(zhèn)馮記家禽養(yǎng)殖場、鎮(zhèn)海石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，三個目標(biāo)地點(diǎn)及周邊進(jìn)行了大氣氨濃度的測試，氨大濃度值分別為349.3ppb、139.4ppb、760.4ppb，遠(yuǎn)高于大氣本底濃度，表明畜牧業(yè)存在著大量氨排放的現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)引起有關(guān)部門的充分重視。在鎮(zhèn)海馮記家禽養(yǎng)殖場、石化經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)分別對距離目標(biāo)地養(yǎng)雞廠和液氨充裝站直線距離 900m處進(jìn)行了車載巡檢，均有高濃度數(shù)據(jù)顯示，表明分析儀具有探測靈敏度高，檢測下限極低的優(yōu)良特性。經(jīng)過車載一天幾百公里的長途奔波，該分析儀未出現(xiàn)質(zhì)量問題，表明儀器穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、抗震能力強(qiáng)。

五、應(yīng)用前景

         隨著國人消費(fèi)升級和生活水平的上升，家禽家畜養(yǎng)殖業(yè)的高速發(fā)展，畜牧業(yè)的氨氣污染問題會越來越突出。氨氣的產(chǎn)生易對圈舍內(nèi)的雞、豬、牛等造成呼吸道感染，從而對畜牧業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。其次，農(nóng)業(yè)、林業(yè)等存在大量使用含氮肥料及家禽糞便的現(xiàn)象，也是氨氣產(chǎn)生的重要原因。另外在工業(yè)上，燃煤燃?xì)忮仩t在 scr或 sncr脫硝過程中；硝酸、尿素等化學(xué)肥料及醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料化工廠生產(chǎn)過程中；大型冷庫，機(jī)械設(shè)備冷凍媒制備過程中，液氨也無處不在，易產(chǎn)生氨泄漏事故。因此，大氣氨的排放及泄漏檢測和方案以畜牧業(yè)應(yīng)用為主，在農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)煙氣脫硝、含氮肥料和原料生產(chǎn)的化工廠、制冷及冷鏈運(yùn)輸行業(yè)等領(lǐng)域，都將有很好的應(yīng)用前景。海爾欣激光開路式氨分析儀為工業(yè)農(nóng)業(yè)的氨氣無組織排放控制及監(jiān)管，提供了一種全新的解決方案。

本公司特別鳴謝：中科院大氣物理研究所，大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，2018年國家重點(diǎn)實驗室儀器設(shè)備采購項目支持。

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