淺析被動式FTIR走航監(jiān)測技術(shù)在廢氣監(jiān)測中的應(yīng)用

鄒敏，張維民，吳麗娟，孫惠茹，張夢瑩

(1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036；2.江蘇中美環(huán)境監(jiān)測股份有限公司，江蘇 蘇州 215128；3.江蘇省環(huán)境工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019)

移動走航監(jiān)測是大氣綜合監(jiān)測的重要手段，在調(diào)查工業(yè)園區(qū)企業(yè)廢氣排放特征，明確污染重點區(qū)域等方面可以發(fā)揮重要作用[1-3]。呂立慧等[4]利用車載激光雷達(dá)的走航探測技術(shù)對大氣中顆粒污染物開展了監(jiān)測，對我國顆粒物的區(qū)域污染特征進(jìn)行了研究。劉云松等[5]自主設(shè)計并集成了一套適用于海表大氣氧化亞氮的船基走航連續(xù)觀測系統(tǒng)?；诩t外掩日通量-傅里葉變換紅外光譜(SOF-FTIR)的走航觀測技術(shù)，在污染物的柱濃度監(jiān)測和排放量核算方面具有一定優(yōu)勢，不足之處是受日照條件等因素的影響較大[6]。

目前，工業(yè)園區(qū)企業(yè)存在排放節(jié)點較多、異味物質(zhì)排放等問題?，F(xiàn)使用配備有傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)2套設(shè)備的移動監(jiān)測車，在移動連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣象設(shè)備和地圖軟件的輔助下，可最終實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境污染物的快速監(jiān)測及可視化，并迅速定位污染物區(qū)域。所采用的被動式FTIR監(jiān)測技術(shù)，具有檢測掃描距離長、空間區(qū)域大、響應(yīng)速度快、靈敏度高、檢測因子多、能同時監(jiān)測有機(jī)物和無機(jī)物等優(yōu)點，彌補(bǔ)了“點”式移動監(jiān)測車的不足，2套設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)可以在同一平臺內(nèi)進(jìn)行比對，提高了檢測能力和污染因子定性、定量的可靠性，對工業(yè)園區(qū)企業(yè)的污染物排放進(jìn)行精細(xì)化管控提供了有效的手段。

1 被動式FTIR走航監(jiān)測介紹

1.1 被動式FTIR走航監(jiān)測系統(tǒng)

被動式FTIR開路空氣污染監(jiān)測技術(shù)的原理為：一束無害的紅外能量光束從發(fā)射系統(tǒng)中射出，能夠檢測出在其光路上被各種自然光源反射出的不同化學(xué)物質(zhì)的不同光譜，然后通過傅里葉干涉儀轉(zhuǎn)換成信號頻譜，該頻譜被處理成為一個與化學(xué)物質(zhì)濃度系數(shù)及光束路徑之積相關(guān)的吸光度光譜，再與標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖比對，完成化學(xué)物質(zhì)的定性。在空氣中，單一的化學(xué)物質(zhì)受到距離、濃度的影響，被紅外光線反射回紅外監(jiān)測設(shè)備中的干涉儀中，其轉(zhuǎn)換成的信號頻譜數(shù)值是不同的，經(jīng)過程序計算取得平均數(shù)值，完成化學(xué)物質(zhì)的定量。

應(yīng)用被動式FTIR開路空氣污染監(jiān)測技術(shù)的車載系統(tǒng)可以動態(tài)、立體、實時地掃描監(jiān)測車周圍300～500 m空域氣體中的污染物質(zhì)，一次可檢測260種有機(jī)物、100多種無機(jī)物，可針對較大范圍內(nèi)的空氣污染進(jìn)行實時掃描，檢測更為快速、準(zhǔn)確。但在白天有太陽光線干擾的情況下，F(xiàn)TIR監(jiān)測設(shè)備接收到的紅外信號頻譜數(shù)值較少，因此，檢測到的污染因子也較少，這是該設(shè)備的主要缺點。

被動式FTIR走航監(jiān)測車同時配備了紅外設(shè)備伺服裝置，該裝置可將紅外監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)上升、下降、±180°旋轉(zhuǎn)、±(1～35)°抬升，也可將設(shè)備升高至車外，進(jìn)行全方位掃描監(jiān)測，在雨雪等惡劣天氣情況下，可在車內(nèi)開兩側(cè)窗戶進(jìn)行掃描監(jiān)測，基本能夠滿足各種氣候條件下的實時走航監(jiān)測需要。

該監(jiān)測車中還配備了由角度探測儀、紅外測距儀和GPRS定位儀組成的污染氣體排放裝置坐標(biāo)測量定位系統(tǒng)，能夠?qū)TIR掃描過程中實時發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)或異常的有毒有害、易燃易爆、異味因子的排放裝置進(jìn)行及時定位和溯源，呈現(xiàn)在地理軟件上，較好地解決了工業(yè)園區(qū)污染源溯源定位的問題。

1.2 被動式FTIR走航監(jiān)測流程

(1)確定監(jiān)測區(qū)域和路線：在走航監(jiān)測之前，須根據(jù)工作要求，結(jié)合當(dāng)天的主要風(fēng)向、企業(yè)排放裝置高度、道路狀況等確定監(jiān)測區(qū)域和路線。

(2)確定監(jiān)測時間：根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)、排放規(guī)律和時間確定監(jiān)測時間，利用被動式FTIR監(jiān)測技術(shù)的特點，可選擇日出、日落和夜晚時間段開展移動監(jiān)測。

(3)選擇走航方式：對于不同的企業(yè)、位置、排放和生產(chǎn)裝置高度，須采取低速走航+重點駐點的監(jiān)測方式。在廠區(qū)邊界采取低速走航監(jiān)測方式，走航速度為5～20 km/h；對重點企業(yè)的重點裝置，應(yīng)采取平掃、仰掃、俯掃的監(jiān)測方式，駐點停留1～15 min。

(4)關(guān)注實時的監(jiān)測氣象條件：監(jiān)測車頂部配備有能夠滿足移動要求的特定氣象儀，可將采集到的氣象變化數(shù)據(jù)及時傳遞給FTIR的RMMsoft軟件和地理軟件處理，以及時判別上游風(fēng)向、風(fēng)玫瑰圖、擴(kuò)散方向等。

2 應(yīng)用案例

2.1 企業(yè)外部走航監(jiān)測

江蘇省某工業(yè)園區(qū)以生產(chǎn)農(nóng)藥、醫(yī)藥、化纖等化工類產(chǎn)品為主。2020年9月，應(yīng)用被動式FTIR走航監(jiān)測車對園區(qū)內(nèi)5家重點企業(yè)廠區(qū)外部及內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測，選擇其中的A企業(yè)(化纖)和B企業(yè)(農(nóng)藥)的走航監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。

2020年9月23日，監(jiān)測到A企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)最高質(zhì)量濃度為457.35 mg/m3，B企業(yè)VOCs最高質(zhì)量濃度為360.41 mg/m3。2家企業(yè)VOCS及無機(jī)物具體組成成分見表1，VOCs濃度分布見圖1。

表1 2家企業(yè)VOCS及無機(jī)物組成成分

圖1 2家企業(yè)VOCs濃度分布

2.2 企業(yè)內(nèi)部走航監(jiān)測

2.2.1 車間內(nèi)駐點監(jiān)測

2021年1月15日，利用被動式FTIR走航監(jiān)測車對某企業(yè)進(jìn)行駐點監(jiān)測，在機(jī)械加工車間內(nèi)進(jìn)行升頂俯掃監(jiān)測，監(jiān)測時長10 min 20 s，掃描監(jiān)測結(jié)果見表2，共監(jiān)測到19種有機(jī)物和3種無機(jī)物。

表2 機(jī)械加工車間內(nèi)部FTIR俯掃監(jiān)測結(jié)果

2.2.2 車間外駐點監(jiān)測

2021年1月15日，在機(jī)械加工車間外同一地點進(jìn)行駐點平掃/仰掃監(jiān)測，掃描監(jiān)測結(jié)果見表3。結(jié)果表明，在同一地點，應(yīng)用不同的監(jiān)測方式，可以在不同高度上監(jiān)測到不同的物質(zhì)。污染物的擴(kuò)散與氣象條件及污染物排放位置、初始排放濃度、排放速率、比重等因素有關(guān)。由于駐點監(jiān)測直接針對生產(chǎn)車間或生產(chǎn)裝置通過俯掃、平掃、仰掃的方式進(jìn)行監(jiān)測，被動式FTIR監(jiān)測車配備的由測距儀和紅外監(jiān)測設(shè)備仰掃、俯掃角度顯示儀組成的污染氣體測量定位系統(tǒng)，可以對污染物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，從而可以進(jìn)一步了解車間內(nèi)部污染物質(zhì)對車間外部擴(kuò)散的貢獻(xiàn)值，有助于管理部門對企業(yè)進(jìn)行實時監(jiān)測和快速溯源。

表3 機(jī)械加工車間外平掃/仰掃監(jiān)測結(jié)果

2.3 工業(yè)園區(qū)有毒有害、異味物質(zhì)監(jiān)測

2.3.1 有毒有害物質(zhì)監(jiān)測

對某工業(yè)園區(qū)進(jìn)行走航監(jiān)測時，在某生化公司廠界多次監(jiān)測到氯甲基甲醚、n-二甲基亞硝胺等有毒有害物質(zhì)，該公司光氣車間的主要工藝裝置設(shè)置在廠區(qū)的東南部，走航監(jiān)測時風(fēng)速小于一級，基本處于靜風(fēng)狀態(tài)，氯甲基甲醚明顯集中在廠區(qū)東南部，且質(zhì)量濃度明顯高于其他區(qū)域，最高質(zhì)量濃度為0.044 64 mg/m3，因此，可以初步判定氯甲基甲醚排放源在廠區(qū)東南部(圖2)。

圖2 某生化公司氯甲基甲醚分布

2.3.2 異味物質(zhì)監(jiān)測

2020年9月10日，對某新型煤化工企業(yè)進(jìn)行走航監(jiān)測，共檢測出主要異味物質(zhì)15種，在廠區(qū)門口檢測出主要異味物質(zhì)10種(表4)。

表4 某企業(yè)廠區(qū)門口異味物質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)相比，走航監(jiān)測技術(shù)具有監(jiān)測范圍大、響應(yīng)快速、機(jī)動性強(qiáng)的特點，在園區(qū)及企業(yè)廢氣排放的監(jiān)測監(jiān)控、溯源定位方面應(yīng)用較為廣泛。被動式FTIR走航監(jiān)測車配備有污染氣體排放裝置定位系統(tǒng)，能夠較好地解決走航過程中對實時發(fā)現(xiàn)的有毒有害、易燃易爆、異味因子排放裝置進(jìn)行及時定位和溯源的難題。同時，此走航監(jiān)測車可采用駐點平掃、俯掃和仰掃的方式，對生產(chǎn)車間或生產(chǎn)裝置的有組織和無組織廢氣排放進(jìn)行監(jiān)測，對污染物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。因此，被動式FTIR走航監(jiān)測車在工業(yè)園區(qū)及企業(yè)廢氣排放監(jiān)測監(jiān)控領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。