電廠煙羽中SO2柱濃度的紫外非色散二維成像

張英華, 李 昂, 謝品華, 黃業(yè)園, 胡肇焜, 張朝剛

1. 中國科學院安徽光學精密機械研究所，環(huán)境光學與技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥 230031 2. 中國科學技術(shù)大學，安徽 合肥 230026 3. 安徽新華學院，安徽 合肥 230088

引 言

近年來，經(jīng)濟的快速發(fā)展對化學品的需求與日俱增，化學品的種類翻倍增大，突發(fā)事故時有發(fā)生，危害巨大。再者最近幾年各大城市均不同程度的爆發(fā)了霧、霾等污染現(xiàn)象。以前單獨出現(xiàn)的大氣污染，現(xiàn)在慢慢發(fā)展成多種污染的有機融合，逐漸形成了新的綜合型污染現(xiàn)象。這些綜合型污染源于多種污染源的一次污染物排放，以及通過物理過程、化學變化等形成的二次污染物排放。由于污染源種類，排放方式，排放強度以及地理位置等直接決定了污染源的影響區(qū)域、范圍和深度。因此對污染源的監(jiān)測尤為重要，而在污染源的監(jiān)測中，污染氣體的二維成像優(yōu)勢[1-6]明顯。因為成像測量對評價、確定工廠泄露、鑒別突發(fā)事件以及鑒定污染范圍和影響的過程是非常有用的。目前紅外光譜區(qū)的成像技術(shù)[7-9]已經(jīng)實現(xiàn)了對污染源氣體實時成像，紫外區(qū)的被動掃描成像DOAS[10]技術(shù)也成功的對工廠煙羽及火山進行了二維濃度解析。

本文采用基于濾光片分光的非色散紫外-可見成像系統(tǒng)對豐臺電廠進行了現(xiàn)場測量。用煙氣在線監(jiān)測技術(shù)測量的SO2濃度作為參考濃度標定成像系統(tǒng)；成功解析煙羽中SO2斜柱濃度的二維分布以及斜柱濃度的時序圖；測量結(jié)果表明SO2斜柱濃度在穩(wěn)定的氣象條件下在下風向遵循高斯擴散。為了驗證測量結(jié)果的可靠性，與煙羽的數(shù)值模型結(jié)果進行了比對，測量結(jié)果與理論模擬預測的擴散趨勢一致，測量SO2斜柱濃度的濃度量級在理論結(jié)果預測范圍內(nèi)。

1 實驗部分

1.1 裝置

紫外-可見非色散成像裝置包括采光系統(tǒng)(焦距100 mm，光圈可調(diào)的石英鏡頭)，分光裝置(中心波長分別為310 nm、330 nm，半高寬均為10 nm的兩個帶通濾光片)，接收裝置(可制冷的面陣探測器)，控制系統(tǒng)(一臺筆記本電腦)，三腳架及便攜式外接電源。實驗過程中，選擇最大透光孔徑；探測器工作溫度為-5 ℃。

1.2 測量地點

電廠的北面、西面是田野村莊，地形平坦開闊，南面2 km左右是308省道，東面緊鄰203省道。儀器就放置在203省道旁邊距離煙囪約890 m的一套簡易房前，兩煙囪之間的距離約為165 m，具體位置見圖1。

圖1 測量地點

1.3 測量原理

基于濾光片分光的非色散光譜成像遙感技術(shù)以太陽散射光為光源，結(jié)合SO2氣體分子對散射光的“指紋”吸收特征，分別選取中心波長在310和330 nm，半高寬為10 nm的紫外帶通濾光片，依據(jù)朗伯-比爾吸收定律獲取SO2柱濃度的成像分布。為了比較準確的獲取SO2的柱濃度，實驗中，使測量鏡頭稍微偏離煙羽所在的空間區(qū)域，且在煙羽的上風方向采集的圖片作為每個濾光片的背景，原理見式(1)

(1)

τA=σASA+AA，aerosol+σA,otherSA,other

(2)

τB=σBSB+AB，aerosol+σB,otherSB,other

(3)

(1) 氣溶膠隨波長緩慢變化，所以兩個濾光片測量的氣溶膠消光幾乎相同；(2) 330 nm濾光片的SO2的吸收遠小于310 nm，所以330 nm波段SO2的吸收可以忽略；(3) 燃煤鍋爐排放煙羽中其他的污染氣體在310 nm波段的吸收遠小于SO2的吸收，且排放濃度低，因此式(2)減去式(3)可祛除氣溶膠和其他干擾氣體影響。式(4)即為紫外非色散成像系統(tǒng)解析SO2柱濃度的理論基礎，其中吸收截面σA用權(quán)重吸收截面k表示。

τ=τA-τB=σAS≈κS

(4)

1.4 測量的視場領(lǐng)域

由探測器尺寸：11.84(mm)×8.88(mm)，結(jié)合鏡頭焦距，根據(jù)式(5)可以獲取測量系統(tǒng)的視場角

α=2arctg(DH，V/2f)

(5)

水平方向的視場角為

αH=2arctg(DH/2f)=5.1°

(6)

豎直方向的視場角為

αV=2arctg(DV/2f)=6.77°

(7)

測量地點距離目標對象的距離約為890 m，根據(jù)式(8)可以進一步確定測量的空間范圍，其空間范圍約為81(m)×105(m)。

X=dtgθ

(9)

成像系統(tǒng)測量的煙羽及背景見圖2。圖2(c)表示煙羽內(nèi)部由于煙羽中的氣體及氣溶膠而引起的光強衰減，圖2(d)表示均勻背景下像素的光學強度。

圖2 煙羽(a, c)及背景(b, d)

1.5 煙羽SO2柱濃度的模擬

我們先采用理論模型預測該電廠煙囪SO2的排放。眾所周知影響污染源煙羽的因素有：風速、大氣穩(wěn)定性、煙羽的溫度、煙羽出口的速度、周邊環(huán)境等。除周邊環(huán)境外，高斯煙羽擴散模型已經(jīng)綜合考慮了上述因素。煙囪周邊除南面2公里左右一條省道外，南面的城市中心距測量目標較遠，而其他三面地勢開闊，地理環(huán)境相對簡單，可認為煙囪是一個理想的點源。高斯擴散模型指出，空間給定點待測氣體的濃度滿足式(9)

(9)

式(9)中c(g·m-3)給定點濃度，Q(g·s-1)源的排放率，u(m·s-1)風速，σy(m)水平方向上的擴散參數(shù)，σz(m)垂直方向上的擴散參數(shù)，h煙羽的高度，x(m)下風向距離污染源的距離。由于鏡頭相對于水平方向俯仰角較小(5°左右)，所以測量方向上的SO2的斜柱濃度近似表示為式(10)

(10)

式(10)單位是g·m-2，轉(zhuǎn)化為 molec·cm-2，式(10)進一步表示為式(11)

(11)

當天氣候條件比較穩(wěn)定，選擇鄉(xiāng)村地形大氣擴散參數(shù)。所以垂直方向擴散參數(shù)：σz=0.03x(1+0.000 3x)-1，h=140 m，u=1.2 m·s-1。根據(jù)煙氣在線監(jiān)測技術(shù)的測量結(jié)果，選擇12點左右的SO2排放量9.2 g·s-1用于數(shù)值模擬，SO2排放模擬結(jié)果見圖3。數(shù)值模擬結(jié)果顯示距離源排放口濃度較高，SO2斜柱濃度約8×1017molec·cm-2，距源排放口100 m處，SO2斜柱濃度量級為1017molec·cm-2左右。

1.6 SO2斜柱濃度的測量

2017年5月20日中午12：30，我們利用紫外-可見成像系統(tǒng)對雙煙囪排放口進行了為期一小時的測量。當天，天氣條件良好。測量期間，測量地點前面的203省道，車流量少。為了定量解析煙羽中SO2的柱濃度，必須對成像系統(tǒng)進行標定。采用煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)測量的實時SO2濃度，經(jīng)轉(zhuǎn)換之后，作為標定系統(tǒng)的參考濃度，標定結(jié)果見圖4。

標定結(jié)果顯示SO2柱濃度與其光學厚度線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達0.9582，線性相關(guān)性好。其次選取測量背景，由于成像系統(tǒng)視場角小，因此使鏡頭偏離煙羽且在其上風向獲取的圖片作為背景，見圖2(b)。背景均勻，視場內(nèi)無云及其他影響。測量過程中，310和330 nm兩個濾光片對煙羽交替成像，每個濾光片分別獲取背景。為了提高信噪比，兩個濾光片根據(jù)測量環(huán)境各自設置曝光時間，310 nm濾光片的曝光時間1 s。根據(jù)標定結(jié)果及成像理論基礎，依據(jù)線性最小二乘擬合獲取煙羽的SO2斜柱濃度，結(jié)果見圖5。

圖4 成像系統(tǒng)的標定

圖5 SO2柱濃度分布

圖5直觀顯示了12：32分24秒內(nèi)SO2柱濃度的連續(xù)變化。結(jié)果表明兩煙囪煙羽重疊區(qū)域、煙羽流軸線(圖5中的紅線所示)偏下方出現(xiàn)SO2濃度高值；SO2柱濃度隨時間發(fā)生變化，且隨著距煙囪出口距離的增加而減小。圖5還表明兩煙囪煙羽軸線方向柱濃度變化較慢，羽流兩翼柱濃度迅速衰減。圖5上圖出現(xiàn)相似的柱濃度分布團，因此可根據(jù)兩個柱濃度團的相對位置及兩圖片的時差估算煙羽流的速度；因為成像系統(tǒng)1 min內(nèi)采集、存儲圖片15張左右，一張圖總用時約4 s，兩圖片的時差為8 s，兩柱濃度團之間的像素約為70，每個像素對應的空間距離為0.135 m，所以估算煙羽流速為1.2 m·s-1。從圖5還可以看出風速以及沿著風向的擴散相對穩(wěn)定，但是從SO2斜柱濃度圖較難直觀判斷煙羽來源于兩個排放源。為確定具體的排放源，需對斜柱濃度圖進行詳細分析。以圖5左上柱濃度圖為例，分別取出煙囪出口附近、中段以及煙羽流尾段幾列SO2濃度值(見圖中5條豎線)，結(jié)果見圖6。圖6最底的濃度序列是煙囪口附近SO2的斜柱濃度，雖然兩煙囪出口附近SO2斜柱濃度值高，但由于兩個煙羽重疊，無法區(qū)分不同排放源；煙羽流中段還可以清晰區(qū)分SO2來源于兩個不同的煙囪排放；煙羽流尾段由于擴散原因濃度減小，兩個煙囪排放的煙羽完全融合，SO2斜柱濃度小于系統(tǒng)的探測限因而無法識別。圖6進一步表明SO2斜柱濃度沿軸線的兩翼迅速減小，取其中一列柱濃度(450列，距源28 m)與高斯曲線進行擬合，擬合結(jié)果見圖7。擬合系數(shù)R2=0.747，說明煙羽中SO2斜柱濃度在水平風向方向擴散為高斯擴散。

2 結(jié)果與討論

在已知源排放率、煙羽流速、源高及源周邊環(huán)境的情況下，模擬結(jié)果表明在源的下風向距源至少100 m處，擴散軸線附近的SO2斜柱濃度理論值約為1.3×1017molec·cm-2，而距源10 m左右，模擬結(jié)果顯示軸線SO2斜柱濃度理論值高達1018molec·cm-2左右。因此，通過理論模擬，可以估算污染源的排放強度以及污染范圍，給實際測量提供理論指導。而紫外-可見成像系統(tǒng)作為一種源排放監(jiān)測手段，其檢測下限為4.2×1016molec·cm-2 [3]。從圖5的SO2斜柱濃度分布可知，紫外-可見成像方法測量的SO2斜柱濃度高值約為：1.7×1017molec·cm-2，在理論估算的SO2斜濃度范圍之內(nèi)。紫外-可見光譜成像方法不僅獲得了煙羽中SO2斜柱濃度的直觀圖(圖5)，圖中還明確顯示出SO2斜柱濃度的分布、變化及其擴散趨勢，與理論模擬預測的趨勢基本一致。

圖6 五列SO2柱濃度

圖7 柱濃度與高斯曲線的擬合

SO2斜柱濃度測量結(jié)果分布圖與理論模擬預測分布圖存在差異。原因在于成像系統(tǒng)觀測方向與水平y(tǒng)軸方向確實存在夾角，而理論模擬時為了簡化運算，忽略了儀器仰角的影響。再者實際的煙羽排放源是兩個，從圖6底部的兩個圖可以發(fā)現(xiàn)近源處兩個排放源相互影響。理論模擬時我們主要考慮源排放的強度和影響，沒有考慮煙羽流體動力學以及空氣浮力等因素對煙羽抬升的影響。

3 結(jié) 論

基于濾光片的紫外非色散成像技術(shù)對電廠排放的煙羽進行了實地測量。測量結(jié)果表明：源周邊環(huán)境平坦，氣象條件穩(wěn)定的情況下，煙羽中SO2斜柱濃度在下風向遵循高斯擴散；SO2斜柱濃度沿著煙羽流擴散軸緩慢減小，由于風向及煙羽的抬升作用，使得下風向偏向于羽流擴散軸的下方SO2斜柱濃度高于擴散軸的上方，并出現(xiàn)SO2斜柱濃度高值，約為1.7×1017molec·cm-2，但是總體來說在垂直于擴散軸的兩翼SO2斜柱濃度迅速減??；SO2斜柱濃度時間序列圖直觀再現(xiàn)了SO2斜柱濃度隨時間在空間上的變化、分布以及擴散趨勢，可為定性評估源污染的力度和范圍提供測量依據(jù)；也可根據(jù)SO2斜柱濃度時間序列圖中SO2斜柱濃度的變化分布，估算煙羽流的速度，為其他遙測裝置提供參考數(shù)據(jù)。

測量結(jié)果與模擬結(jié)果關(guān)于SO2斜柱濃度擴散趨勢的一致性表明基于濾光片分光的紫外非色散成像系統(tǒng)不僅可用于污染源監(jiān)測，也可以為數(shù)值模型提供修正依據(jù)。