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海爾欣激光分析旗艦產(chǎn)品發(fā)布：高精度大氣氨排放車載巡檢系統(tǒng)
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重影響著人類的生存環(huán)境,。氨是*的應激源，是動物圈舍內有害的氣體之一,。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注,。生態(tài)環(huán)境部在2018年公布的《打贏藍天保衛(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)造成嚴重的經(jīng)濟損失。
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,，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，嚴重時可發(fā)生堿灼傷,，可引起眼睛流淚,、灼痛，角膜和結膜發(fā)炎,，視覺障礙等,。氨氣進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)生化學反應而形成銨鹽，進而增加大氣污染物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%。因此保護畜牧業(yè)的經(jīng)濟效益,，保護人類健康，保護自然環(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,，影響測量精度和響應速度。
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(ldir)，結合開路式多次反射氣體池,，使得測量有效光程達數(shù)十米,，實現(xiàn)了對大氣氨分子進行 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,、超聲三維風速儀,、實時云數(shù)據(jù)運算處理模塊。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)緯度坐標數(shù)據(jù)，超聲風速儀可記錄該區(qū)域瞬時風向,、風速,，海量數(shù)據(jù)由4g或5g網(wǎng)絡傳回海爾欣數(shù)據(jù)服務中心的超級工作站，進行云端數(shù)據(jù)的提取,、運算,、分析、存儲，同時將運算結果實時傳回 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合紅外激光光譜分析技術，4g或5g網(wǎng)絡傳輸,，云端數(shù)據(jù)運算分析,，為用戶提供的氨排放溯源及監(jiān)控結果。
在分析儀方面,，海爾欣具備以下兩點突破性的優(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，響應速度很慢的缺點,，創(chuàng)新性的采用開路測量方案,，無需采樣，響應速度非?？?，由高濃度恢復至零點時間小于1秒，尤其適合車載平臺高速運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,，大大降低了整機功耗(50w)和質量(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的自由度,。
三,、外場測試結果及數(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)濟技術開發(fā)區(qū),，三個目標地點及周邊進行了大氣氨濃度的車載巡檢測試,，測試結果分別見圖 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果,。圖2以google衛(wèi)星地圖為背景，其中紅色圓球地理標識就是惠民生豬養(yǎng)殖場的所在地,，圖中帶顏色標記的為測試路線,。獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍的顏色標記區(qū)分,，如圖中右邊的顏色標尺所示。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)豬場測試結果
圖2小港惠民養(yǎng)豬場測試結果
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果,。圖 3(a)以 google衛(wèi)星地圖為背景，其中紅色圓球地理標識就是馮記家禽養(yǎng)殖場的所在地,，圖中帶顏色標記的為測試路線，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的顏色標記區(qū)分,，如圖中右邊的顏色標尺所示。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)殖場測試結果
圖 3(b)鎮(zhèn)海大道上測試結果
圖4(a)所示的是鎮(zhèn)海區(qū)石化經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)中一家液氨充裝工廠周邊的大氣氨濃度測試結果,。同樣以 google地圖為背景,，其中紅色圓球標識的為飛翔液氨充裝站工廠。圖中帶顏色標記的為測試路線,，獲得大氣氨濃度值的高低由從紅到藍的顏色標記區(qū)分,，如圖中右邊的顏色標尺所示。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,，應當引起安監(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散,，這剛好為當天的風向吻合,。此結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)濟技術開發(fā)區(qū)測試結果
圖 4(b)上圖紅圈局部放大結果
四,、測試結果總結
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)濟技術開發(fā)區(qū),，三個目標地點及周邊進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,，應當引起有關部門的充分重視。在鎮(zhèn)海馮記家禽養(yǎng)殖場,、石化經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)分別對距離目標地養(yǎng)雞廠和液氨充裝站直線距離 900m處進行了車載巡檢,，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)質量問題,，表明儀器穩(wěn)定可靠,、環(huán)境適應能力強、抗震能力強,。
五,、應用前景
隨著國人消費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)生易對圈舍內的雞、豬,、牛等造成呼吸道感染,，從而對畜牧業(yè)造成經(jīng)濟損失。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,，燃煤燃氣鍋爐在 scr或 sncr脫硝過程中；硝酸,、尿素等化學肥料及醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料化工廠生產(chǎn)過程中,；大型冷庫,，機械設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,、制冷及冷鏈運輸行業(yè)等領域,，都將有很好的應用前景。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國家重點實驗室,，2018年國家重點實驗室儀器設備采購項目支持,。
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