高精度激光開路式氨排放車載巡檢系統測試報告

                                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。生態環境部在2018年公布的《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》中，明確提出了控制氨排放的要求，以減少種植和畜牧養殖業氨的揮發排放。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

氨氣容易誘發家禽、豬等動物的多種呼吸道疾病，提高肉雞腹水癥的發病率，導致蛋雞因此減少產蛋量，引起雛雞和幼豬增重和飼料利用率的下降，從而給養雞養豬生產造成嚴重的經濟損失。

1.2氨氣對人體的危害

氨氣是工業常用的制冷劑，也是常見的化工原料及產品，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，嚴重時可發生堿灼傷，可引起眼睛流淚、灼痛，角膜和結膜發炎，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氨氣對環境的危害

早在20年前歐洲就已經開始研究氨沉積對土壤酸化和超營養的作用。畜牧排泄糞便中含有大量含氮物質是造成畜牧業污染環境的重要原因。排出的糞便若不通過處理，直接揮發出氨，經空氣作用產生大量硝酸鹽，滲入地表水、地下水和飲用水中，促使水體“富營養化”并能產生大氣重要污染源之一的臭氣。另外，氣態的氨可以與硫酸、硝酸和鹽酸等發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，氨氣的產生和排放約 80%來自畜牧業。歐洲環境署評估指出，超過80%的氨氣排放就是來自畜牧業的生產。就范圍而言，來自畜牧生產的氨大約占總比的 50%。因此保護畜牧業的經濟效益，保護人類健康，保護自然環境，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介紹

        圖1、產品系統組成簡介（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照片（下圖）

         海爾欣公司自主研發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十米，實現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，如上圖 1所示：車載大氣氨開路車載系統主要包括有：海爾欣大氣氨激光開路分析儀、坎貝爾公司  cr3000數據采集、gps模塊、超聲三維風速儀、實時云數據運算處理模塊。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高速濃度數據，同時gps實時采集經緯度坐標數據，超聲風速儀可記錄該區域瞬時風向、風速，海量數據由4g或5g網絡傳回海爾欣數據服務中心的超級工作站，進行云端數據的提取、運算、分析、存儲，同時將運算結果實時傳回 pc端，坎貝爾的 cr3000數據采集模塊用于實時數據備份。海爾欣的整套方案結合紅外激光光譜分析技術，4g或5g網絡傳輸，云端數據運算分析，為用戶提供的氨排放溯源及監控結果。

在分析儀方面，海爾欣具備以下兩點突破性的優勢：

1、避開了傳統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覆蓋區域部署，提高了用戶選擇測量點的自由度。

三、外場測試結果及數據說明

2019年5月24日，海爾欣工程師們利用自主研發的車載巡檢系統，分別對寧波市北侖區小港鎮惠民生豬養殖場、鎮海區駱駝鎮馮記家禽養殖場、鎮海石化經濟技術開發區，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，顯示的是北侖區小港鎮惠民生豬養殖場及周邊的大氣氨濃度測試結果。圖2以google衛星地圖為背景，其中紅色圓球地理標識就是惠民生豬養殖場的所在地，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個片區濃度值都超過了200ppb，一處為養豬場正門口，另一處為豬糞便堆積處，表明養豬場確實有大量的氨氣產生，同時隨著與養豬場的距離增加氨濃度值逐漸下降。

圖 2小港惠民養豬場測試結果

 圖2小港惠民養豬場測試結果

         如圖 3(a)所 示，顯示的是鎮海區駱駝鎮馮記家禽養殖場及周邊的大氣氨濃度測試結果。圖 3(a)以 google衛星地圖為背景，其中紅色圓球地理標識就是馮記家禽養殖場的所在地，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，表明養雞廠確實有大量的氨氣產生和排放。圖 3(b)顯示的是測試過程中儀器在鎮海大道上來回經過養雞廠4次的濃度數據。圖 3(b)顯示，該儀器在距離養雞廠直線距離約為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)駱駝馮記家禽養殖場測試結果

    圖 3(b)鎮海大道上測試結果

         圖4(a)所示的是鎮海區石化經濟技術開發區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、靈敏度高的優異性能。

   圖4(a)石化經濟技術開發區測試結果

 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的車載式大氣氨激光開路分析儀，分別對寧波市北侖區小港鎮惠民生豬養殖場、鎮海區駱駝鎮馮記家禽養殖場、鎮海石化經濟技術開發區，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，表明畜牧業存在著大量氨排放的現象，應當引起有關部門的充分重視。在鎮海馮記家禽養殖場、石化經濟技術開發區分別對距離目標地養雞廠和液氨充裝站直線距離 900m處進行了車載巡檢，均有高濃度數據顯示，表明分析儀具有探測靈敏度高，檢測下限極低的優良特性。經過車載一天幾百公里的長途奔波，該分析儀未出現質量問題，表明儀器穩定可靠、環境適應能力強、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，家禽家畜養殖業的高速發展，畜牧業的氨氣污染問題會越來越突出。氨氣的產生易對圈舍內的雞、豬、牛等造成呼吸道感染，從而對畜牧業造成經濟損失。其次，農業、林業等存在大量使用含氮肥料及家禽糞便的現象，也是氨氣產生的重要原因。另外在工業上，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藥和農藥的原料化工廠生產過程中；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應用為主，在農業種植、工業煙氣脫硝、含氮肥料和原料生產的化工廠、制冷及冷鏈運輸行業等領域，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農業的氨氣無組織排放控制及監管，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。

                                                                                 寧波海爾欣光電科技