化工园区无组织污染源红外光谱定量分析及扩散溯源研究

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化工园区污染气体的排放方式以无组织泄漏为主,具有源位置的随机性、时间的不确定性、气体种类的复杂性等特点。而傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectrometry,FTIR)作为红外光学遥感监测技术,具有实时快速、非接触、宽波段、高信噪比、多组分同时测量等优点,具备传统检测方法无法比拟的绝对优势,在化工园区污染气体监测中有着越来越广泛的应用。本论文针对无组织污染源中痕量挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)的定量分析及扩散溯源需求,首先通过提出的波数修正方法,提高移动情况下,FTIR光谱仪定量反演的准确性,然后对工业园区内常见的无组织污染源(点线、面)进行扩散分析。并将整个工业园区作为监测对象,构建掩日通量法(SOF)扩散模型,结合优化算法,完成对工业园区柱浓度分布情况及扩散溯源分析。主要完成了以下工作:(1)针对移动状态下FTIR光谱仪中采集的光谱出现波数漂移的问题,提出一种改进光谱定量反演精度的波数修正方法。通过高波段水汽吸收峰的漂移量,对待分析组分的吸收波段进行修正的方法,提高了光谱定量反演精度,减小了测量误差。以掩日通量傅立叶变换红外(SOF-FTIR)为研究对象进行外场实验,结果表明:修正前后,静态下测量的浓度与实际气体浓度的相对误差平均值由6.10%下降为5.39%;移动下测量的浓度与实际气体浓度的相对误差平均值由1.90%下降为1.08%;验证了波数修正方法的有效性,提高了 FTIR复杂条件下光谱定量反演的准确性。(2)以工业园区中无组织污染点线源为研究对象,构建基于FTIR光谱仪的点线源扩散模型,实现了工业园区边界浓度测量中的误差来源分析。针对机动车尾气扩散时影响厂区边界污染气体浓度的问题,通过便携式FTIR测量系统,确定不同排放标准下机动车尾气的排放组分及浓度。利用便携式FTIR测量结果、风速风向、大气稳定度、车流量等变量因素建立起参考坐标,给出了高斯扩散的数理模型。并结合Open-FTIR的测量方式,对Open-FTIR的测量路径进行积分计算并构建点线源扩散模型,从而建立各种排放标准的烟团烟羽扩散表,并结合南京某厂界浓度测量的在线测量数据进行分析,结果表明:机动车尾气中主要污染物为CO、CH4、C2H4;早晚高峰期时,污染气体边界浓度受机动车尾气扩散影响较大。非高峰期时,在凌晨1:00时与4:00-6:00时浓度骤升,出现高浓度点,不符合机动车尾气的扩散排放规律,主要受园区排放影响。该方法为今后针对无组织污染点线源扩散影响研究提供了理论支持。(3)以工业园区中无组织污染面源作为研究对象,构建基于FTIR光谱仪的面源扩散模型,开展了气体定量分析及动态边界设置的研究。利用Open-FTIR在页岩气开采现场对返排池污染面源中的气体浓度进行在线测量。将光谱反演结果与手持式甲烷测量仪的测量结果进行对比分析,两者之间的相关性较好,相关系数为0.7436。对返排液中其他主要的污染气体进行分析,结合测量条件计算出C5H12、C3H8、CO、SO2的源强值,通过虚拟点代替污染面源的方式构建面源扩散模型。实现了返排池周边区域扩散浓度的模拟分析,并依据国家标准进行动态污染边界划分。该研究方法为今后针对无组织污染面源的扩散研究中动态污染边界的设置提供了关键技术。(4)以工业园区中所有无组织污染源作为研究对象,针对园区污染源扩散溯源研究难的问题,构建了针对SOF监测系统的扩散模型,并将该模型与遗传算法(GA)相结合,最终确立了区域污染源的扩散溯源方法。通过仿真及外场实验,分别对太阳高度角、风向、光路位置、实测误差、路径、采样数等影响因素进行分析,结果表明本文所建立的GA溯源方法主要受实测误差影响,具有误差来源单一、精度高等优点。(5)通过外场SF6的模拟排放实验以及工业园区的外场实验,验证了针对区域污染源的定量分析方法及溯源定位方法的准确性。模拟排放实验结果表明溯源方法的溯源误差优于±20%;外场实验结果表明C2H4气体的溯源强度为392.9g/s,位置在场外气罐处,符合现场实际监测的厂区分布。结合AERMOD模拟浓度进行了对比分析,敏感点模拟值与实测值之间的相关系数为0.9567,证明该溯源方法的优势及可靠性。为今后对区域污染源的扩散影响及溯源定位分析提供了新方法。
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