刘文清院士谈VOCs现场监测系统

1 主动式监测系统

开放光路FTIR（图1）通常具有数百米的光程，适用于ppbv数量级的气体测量，能以非接触的方式对空气中大多数组分进行实时、在线的监测，并可较好地适应工业上日益增长的污染监测的需要。徐亮等利用自行研制的开放光程FTIR测量系统于2008年奥运期间对北京燕山地区大气中的有机组分（甲醛、甲烷、甲醇、乙烷、乙烯、乙炔和乙酸甲酯）进行了连续监测，并对浓度测量结果进行了分析。研究结果显示，在7月20日机动车限行措施实施后，除乙烯外，其他气体日平均浓度均有明显的下降，平均下降幅度约为29%，到奥运比赛期间，平均降幅达34%，受局部气象条件因其的本地浓度暂时性波动影响。监测指标物中，乙烯平均浓度分别增加6.09%和19.66%，但其日变化幅度仍明显下降，充分说明了北京市奥运期间的控制减排措施行之有效。金萍提出一种核偏最小二乘（KPLS）特征提取耦合支持向量回归机（SVR）的新方法，用于实现气测录井中FTIR光谱法对甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷及正戊烷混合气体的成分定量分析。采用KPLS方法对光谱数据进行特征提取，将得到的特征组分作为SVR的输入，建立7组分气体的定量分析的模型，从而对相同混合气体进行定量分析。结果表明，KPLS-SVR法可以更好地提取隐含在混合气体FTIR光谱数据与其组分浓度之间的非线性特征，并有效地消除光谱数据噪声，大幅度降低数据维数。

图1 开放光路FTIR系统实物照片

除开放光路FTIR外，针对固定源排放的多组分气体及挥发性污染物的测量需求，中科院安徽光机所程巳阳等人开发的高温烟气VOC成分测量系统，解决了吸收截面的高温定量修正的关键问题，研制了复杂组分体系下的目标气体红外光谱多波段联合自动反演算法，不仅实现常规烟气成分的测量，还满足对烟气中VOC成分的在线监测（图2）。

图2 烟气排放在线监测系统原理框图

2 被动式遥测系统

在一些特定的应用场合，如污染源气体浓度的空间分布测量以及远距离测量等场合，使用人工光源的主动式测量是不合实际的，此时可利用自然光源或者自然物体自身的热辐射作为背景进行测量。金岭等人研制了基于运动平台的太阳跟踪系统，并将其追踪到的太阳辐射导入到傅立叶变换红外光谱仪内部，据此构建了车载掩日法通量遥测系统（SOF-FTIR），从而实现对太阳光谱的车载移动测量（图3）。当化工园区由于无组织排放或点源排放的污染气团经过系统的工作光路时，测量到的光谱将包含气体的吸收特征，通过特定的数据处理算法，可以获取污染气体的柱含量。结合GPS数据和近地面风速风向等气象参数，可以估算出闭合路径内的污染气体输送通量。在2011年对上海某化工园区开展的车载观测实验中，针对C₃-C₉总烷烃的排放总量评估需求，构建了C₃-C₉烷烃加权吸收截面，在获取总烷烃的柱含量的同时，反演排放区域平均碳原子数，为源排放类型判断提供更多重要参考。还在上海赛科石化放空前后开展连续观测，掌握了其浓度和排放通量的动态变化情况。且碳原子数结果与GC采样数据算法比对取得了高度一致。

图3  SOF-FTIR系统的技术路线及外场测量结果

为满足在危化品气体泄漏事故应急探测需求，焦洋，徐亮等人开发了车载扫描被动红外光谱遥测系统。解决的问题了目标气体、背景、空气辐射亮度的自动识别提取，实现系统的快速在线自动化测量。通过红外-可见成像匹配和红外通道浓度分布的插值重建算法，开发了在线扫描测量分析软件，从而实现泄漏气体柱含量及扩散态势的远距离遥测（图4，图5）。

图4  (a)从实测光谱辐射中提取背景和大气本底的红外辐射。(b)示踪气体的透过率特征峰。

图5 被动扫描红外光谱遥测系统原理框图及外场遥测成像结果。

结 论

傅立叶变换红外光谱技术结合其多种形式的非接触测量方式，可以实现对气体的主被动测量，非常适合用于化工业园区的排放现场监测。本文介绍了目前国内针对化工园区点、面源排放现场监测所开展的典型应用。FTIR技术用于气体精确定量分析存在两个主要问题。一是气体分子吸收截面受气压、温度影响明显，二是FTIR系统的分辨率一般远小于气体分子谱线的展宽，仪器线型受到干涉图采样，切趾和辐射入射立体角等因素影响。这些影响因素使得表观谱线产生难以忽略的偏移和展宽。目前开发的基于数字合成校准的红外光谱气体定量分析方法较好的解决了这些问题，通过结合自主研发的红外光谱分析仪器，目前已经实现了无人值守、连续自动、在线和数据结果远程无线定向传输等功能，为我国当前在污染监测等方面的迫切需要提供了核心技术支持。

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