环保专题-大气监测

背景

作为一个发展中国家,中国的经济发展日新月异,但近年来,在繁荣经济的背后所凸现出来的环境问题越来越受到世人的关注。目前，中国面临着水污染、大气污染和固体废物污染三大主要污染威胁。

大气污染空前严重，引起社会各界广泛重视，相关政策也纷纷出台。作为污染大户，自然受到国家环保政策的格外关注——2014年9月12日，国家发改委、国家环保部、国家能源局联合发文“关于印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》的通知”。

通知中要求，稳步推进东部地区现役30万千瓦及以上公用燃煤发电机组和有条件的30万千瓦以下公用燃煤发电机组，实施大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值的环保改造。燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值(即在基准氧含量6%条件下,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米。

气体检测

大气质量自动监测系统——DOAS系统原理及应用介绍

什么是DOAS

差分光学吸收光谱技术，简称DOAS技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy) ），在20世纪70年代由PLATT等人提出。

该方法是利用光线在大气中传输时，大气中各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性，来反演这些微量气体在大气中的浓度。到20世纪80年代末，  DOAS技术已经作为一种空气监测系统在欧盟范围内得到了广泛的认可，目前主要应用在SO_x和NO_x的检测上，典型测试方法和典型DOAS吸收光谱如下：

（另外新国标GB/T37186-2018 二氧化硫和氮氧化物的测定紫外差分吸收光谱分析法 的颁布，也将推进DOAS技术在气体监测领域的应用）

为什么选择差分光学吸收光谱技术（DOAS）？

现有的污染气体监测方法，主要包括化学法和光学法。其中，传统的实验室监测方法存在一定局限性，而光学方法（光谱学测量）却可以满足在线监测的要求。

相较于传统方法，DOAS的优势如下：

• 监测范围广，所测得的气体浓度是沿几百米到几公里长的光路上的气体浓度均值，可以消除某些污染排放源对测量的干扰,所以测量结果更具有代表性。

• 非接触性测量，可以避免一些误差源的影响，比如检测对象的化学变化、采样器壁的吸附损失等。这一特性使得它特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子和离子的质量浓度。
  

• 测量周期短、响应快，并且仪器可实现紫外到可见光谱区的扫描，从而可用一台仪器实时检测多种不同气体的质量浓度。
  

• 采用光学仪器比较稳定，维护量小，运行费用低。此外，差分吸收光谱技术可对光谱反演算法中剩余的光谱成分进行分析，在揭示空气中尚未发现的成分方面有很大的潜力。

另外，与传统红外方法（同为光谱测量方法）相比，DOAS也具备很明显的优势：

DOAS系统基本装置

DOAS整套仪器主要包括:光源、发射和接收系统、角反射镜（发射和接收系统如不在同一侧，不需角反射镜）、光缆、单色仪、光谱仪和计算机等，典型DOAS设备结构图如下：

可以看出，光谱仪作为核心检测设备，在DOAS系统中扮演着非常重要的作用。光谱仪与其他结构件之间的协同工作效率，以及产品自身的性能指标对最终输出的光谱结果有着很大程度的影响。

美国海洋光学可提供针对不同测量需求的各类微型光纤光谱仪。小巧的体积，丰富的通讯接口以及成熟的开发套件非常适合用于DOAS系统的集成。我们拥有业内唯一一家使用自动化生产线装配的光谱仪，这保证了足够小的台间差以及产品的持久耐用程度，再搭配抗紫外衰老光纤，足以确保系统长久运行。

当前中国大气污染状况十分严重，主要表现为煤烟型污染：城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标，二氧化硫污染一直在较高水平机动车尾气污染物排放总量迅速增加氮氧化物污染呈加重趋势。而且，目前我国仍将处于工业化和城镇化同步加速发展的阶段，机动车数量快速增长，同时造成的空气污染也日益严重、防治尾气污染已是大气环境治理的重中之重，如何实现更加快速、准确、便捷的监测也是我们的主要课题。

汽车尾气监测

汽车尾气危害

汽车尾气污染是由汽车排放的废气造成的环境污染。研究表明，汽车尾气的成分非常复杂，有100种以上，主要污染物为一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、含铅化合物、苯并芘及固体颗粒物等。

汽车排放的二氧化碳(CO2)、硫化物SOx(SO和SO2)、氮氧化物NOx(NO和NO2)、氟氯烃等成分使温室效应、臭氧层破坏和酸雨等大气环境问题变得更为严重；汽车排出的CO、NOx、SOx、未燃碳氢化合物HC、颗粒物PM和臭味气体等污染空气，对人类和动、植物危害甚大：一氧化碳会阻碍人体的血液吸收和氧气输送，影响人体造血机能，随时可能诱发心绞痛、冠心病等疾病；氮氧化合物毒性更强，它能损坏人的眼睛和肺，还会形成光化学烟雾，即产生酸雨的主要物质，可使植物由绿色变为褐色直至大面积死亡。

随着我国城市汽车保有量的激增和交通堵塞情况的日益严重，机动车尾气早已是城市空气污染的元凶。据美国环境保护署的调查研究发现, 大约 60% 的CO , 44% HC 和 31% 的 NO_x大气污染来自机动车，汽车尾气排放量占城市大气污染源的85%左右，尾气污染问题严峻，监测治理刻不容缓。

主要监测方法

DOAS和TDLAS联用，同时对汽车尾气中NOx、SOx及COx、未燃碳氢化合物HC等进行实时监控。（参考文献：董凤忠, 刘文清, 刘建国, et al. 机动车尾气的道边在线实时监测(上)[J]. 测试技术学报, 2005, 19(2):119-127.）

测量时将系统放置在道路一边，将反射装置放置在道路的另一边。

由于气体分子对特殊波段的光具有强吸收的特性, 我们采用氘灯作为紫外光源。测量时，NO、HC等有害气体在200 nm～250 nm波段有强吸收带, 而水分子和其它气体则是几乎没有吸收。

TDLAS气体分析的技术原理

TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是可调谐激光二极管吸收光谱技术的简称。

TDLAS属于吸收光谱技术的一种，与以往的吸收光谱技术不同的是，它作为光源的可调谐激光二极管的线宽非常窄，远小于被测气体的谱线宽度和传统红外光源的线宽，使得被测气体可以完全不受其他背景气体的干扰，有效避免了多种气体交叉干扰所带来的检测误差。这种优秀的单模特性，使激光的调制频率能达到GHz数量级，而且发射的激光可在极窄波长范围内进行调谐。

TDLAS技术主要通过光被气体分子吸收形成的吸收光谱来对被测气体的浓度进行测量。可调谐二极管激光光源发出一定波长的激光，通过装有一定浓度待测气体的吸收池，被测气体受激吸收，使激光束的光强发生衰减。这种衰减包含了被测气体的浓度信息，测量的理论基础是朗伯-比尔定律(Lambert-Beer law)。

解决方案

集成系统

针对客户不同的应用环境及需求，系统集成商使用海洋光学的微型光纤光谱仪作为检测核心，制造出了不同的分析系统：

CEMS（Continuous Emission Monitoring System）烟气连续排放监测系统，能够对大气污染物进行实时监控，并将测试数据实时传输到环境主管部门。

便携式（Portable）紫外烟气综合分析系统，体积小巧，即拿即走，非常适合检测单位携带至现场实时检测。

微型光纤光谱仪作为这些系统中的一部分，可连续监测烟气中SO2、NO_X及其他污染物参数。

海洋光谱仪推荐

海洋光谱仪优势

“去伪存真”

海洋光学一直秉持着创始者的理念，还原给客户最原始最准确的光谱信息。

上图中黄色强度为海洋光谱仪，灰色为双倍积分时间下的强度；而某厂家使用光谱预算法的技俩，让双方设备在相同配置、相同积分时间条件下，获得的光谱强度与海洋的光谱2倍强度一致，同时导致了客户在进行光谱后期运算时，遇到的计算不准确的问题。

“去芜存精”

某厂家使用滑动平均的光谱预处理方法，让气体吸收的光谱数据看上去更好看。而客户不知其中利弊，在进行算法开发后发现测试结果不准确时，很难找出问题的关键点。可能一直集中于进行光路方面的问题排查，而难以想到是光谱核心的问题。

“量力而行”

由于光谱仪结构的原因，大部分厂商的生产能力和交付速度都比较低。而海洋光学的自动装配和校准系统，能够确保在客户规定的交货周期内完成所有量产设备的生厂和校准，轻松消除客户对于可能无法按期交货的顾虑。

“量体裁衣”

我们会根据客户的特殊使用环境和需求，对光谱核心进行定制和升级，比如固件修改：部分客户使用串口来连接光谱仪，但是因为受光谱仪最大波特率的限制，在读取一帧数据时需要耗费很多时间。如果只返回这几段光谱数据，可以大大节省返回数据的时间，但绝大多数应用，只关心某几段波长范围的数据。因此我们根据客户的要求定制了自定义多段数据返回的固件，使用户可以根据自己的需要去自由定义多达10个波段的光谱数据。

再比如16/32 bit checksum: 工业客户的使用现场存在很强的干扰，所以在使用串口和光谱仪通讯时，通讯数据经常被干扰，具体体现为图谱上会出现奇异点。为了应对这种情况，为客户在光谱仪固件中添加和校验的功能（在没有使用A-Scan功能时，在通讯数据后添加16bit的checksum , 或者添加32bit的checksum），可以实现在确保数据的准确性等方面进行定制和验证。