高精度激光开路式氨排放车载巡检系统测试报告

                                宁波海尔欣光电科技有限公司

一、背景概述

氨气(nh3)是大气氮循环的重要组成部分，其呈碱性，对中和酸性气体和悬浮微粒的形成至关重要，对维持生态平衡起着重要作用。但同时氨作为大气污染源严重影响着人类的生存环境。氨是*的应激源，是动物圈舍内有害的气体之一。氨不仅对家禽家畜、人体有直接的危害，对大自然环境也有强大的破坏力。近年来，氨作为雾霾的隐性元凶，引起了全社会的高度关注。生态环境部在2018年公布的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》中，明确提出了控制氨排放的要求，以减少种植和畜牧养殖业氨的挥发排放。因此，大气中氨排放的定量评估及其精准溯源，越来越受到人们的重视。

1.1氨气对家禽家畜的危害

氨气容易诱发家禽、猪等动物的多种呼吸道疾病，提高肉鸡腹水症的发病率，导致蛋鸡因此减少产蛋量，引起雏鸡和幼猪增重和饲料利用率的下降，从而给养鸡养猪生产造成严重的经济损失。

1.2氨气对人体的危害

氨气是工业常用的制冷剂，也是常见的化工原料及产品，氨水储罐是重大危险源。氨易溶于水、乙醇和其他物质，在水中溶解度很高，20℃时 1体积的水颗溶解700体积的氨，氨的水溶液呈碱性，对呼吸粘膜有刺激性，严重时可发生碱灼伤，可引起眼睛流泪、灼痛，角膜和结膜发炎，视觉障碍等。氨气进入呼吸道可引起咳嗽、气管炎和支气管炎、肺水肿出血。呼吸困难、窒息等。

1.3氨气对环境的危害

早在20年前欧洲就已经开始研究氨沉积对土壤酸化和超营养的作用。畜牧排泄粪便中含有大量含氮物质是造成畜牧业污染环境的重要原因。排出的粪便若不通过处理，直接挥发出氨，经空气作用产生大量硝酸盐，渗入地表水、地下水和饮用水中，促使水体“富营养化”并能产生大气重要污染源之一的臭气。另外，气态的氨可以与硫酸、硝酸和盐酸等发生化学反应而形成铵盐，进而增加大气污染物pm2.5颗粒物的浓度。

1.4氨气的重要排放源

在美国，氨气的产生和排放约 80%来自畜牧业。欧洲环境署评估指出，超过80%的氨气排放就是来自畜牧业的生产。就范围而言，来自畜牧生产的氨大约占总比的 50%。因此保护畜牧业的经济效益，保护人类健康，保护自然环境，防治大气氨的排放迫在眉睫。高精度的检测大气中氨本底的浓度是极其重要的一步。高精度测量 ppb级氨气在大气中本底浓度的仪器产品，目前普遍为进口，而且普遍都是闭路分析。对于氨这种粘性*的分子，闭路测量无一例外会产生采样误差和管路对测量信号的迟滞效应，影响测量精度和响应速度。

二、大气氨车载巡检系统介绍

        图1、产品系统组成简介（上图）

                  海尔欣激光开路氨分析仪近照（中图）

                   海尔欣大气氨车载巡检系统照片（下图）

         海尔欣公司自主研发的大气氨激光开路分析仪采用红外激光吸收光谱技术(ldir)，结合开路式多次反射气体池，使得测量有效光程达数十米，实现了对大气氨分子进行 10hz，亚 ppb精度的高速测量。此外，该大气氨开路分析仪采用车辆移动平台搭载的形式，形成一整套车载巡检系统，如上图 1所示：车载大气氨开路车载系统主要包括有：海尔欣大气氨激光开路分析仪、坎贝尔公司  cr3000数据采集、gps模块、超声三维风速仪、实时云数据运算处理模块。外场检测中，激光开路分析仪可通过旅行架搭建在 suv车顶实时采集 10hz高速浓度数据，同时gps实时采集经纬度坐标数据，超声风速仪可记录该区域瞬时风向、风速，海量数据由4g或5g网络传回海尔欣数据服务中心的超级工作站，进行云端数据的提取、运算、分析、存储，同时将运算结果实时传回 pc端，坎贝尔的 cr3000数据采集模块用于实时数据备份。海尔欣的整套方案结合红外激光光谱分析技术，4g或5g网络传输，云端数据运算分析，为用户提供的氨排放溯源及监控结果。

在分析仪方面，海尔欣具备以下两点突破性的优势：

1、避开了传统的闭路氨分析仪器由于采样管路的传输时间和吸附效应，响应速度很慢的缺点，创新性的采用开路测量方案，无需采样，响应速度非常快，由高浓度恢复至零点时间小于1秒，尤其适合车载平台高速运动中收集到瞬时浓度变化，避免漏检氨排放源；

2、开路分析仪无需采样泵，依靠大气的自然流动经过光路分析，大大降低了整机功耗(50w)和质量(5kg)，因此可使用小型车载电源或电池供电，适合多种巡检车型。海尔欣的分析仪甚至结合太阳能电池板可在无电网覆盖区域部署，提高了用户选择测量点的自由度。

三、外场测试结果及数据说明

2019年5月24日，海尔欣工程师们利用自主研发的车载巡检系统，分别对宁波市北仑区小港镇惠民生猪养殖场、镇海区骆驼镇冯记家禽养殖场、镇海石化经济技术开发区，三个目标地点及周边进行了大气氨浓度的车载巡检测试，测试结果分别见图 2-图 4所示。如图 2所示，显示的是北仑区小港镇惠民生猪养殖场及周边的大气氨浓度测试结果。图2以google卫星地图为背景，其中红色圆球地理标识就是惠民生猪养殖场的所在地，图中带颜色标记的为测试路线。获得大气氨浓度值的高低由从红到蓝的颜色标记区分，如图中右边的颜色标尺所示。测到大气氨浓度大为349.3ppb。图2显示有2个片区浓度值都超过了200ppb，一处为养猪场正门口，另一处为猪粪便堆积处，表明养猪场确实有大量的氨气产生，同时随着与养猪场的距离增加氨浓度值逐渐下降。

图 2小港惠民养猪场测试结果

 图2小港惠民养猪场测试结果

         如图 3(a)所 示，显示的是镇海区骆驼镇冯记家禽养殖场及周边的大气氨浓度测试结果。图 3(a)以 google卫星地图为背景，其中红色圆球地理标识就是冯记家禽养殖场的所在地，图中带颜色标记的为测试路线，车载大气氨开路分析仪的测试现场见小图。获得大气氨浓度值的高低由从红到蓝的颜色标记区分，如图中右边的颜色标尺所示。测到大气氨浓度为 137.0ppb，表明养鸡厂确实有大量的氨气产生和排放。图 3(b)显示的是测试过程中仪器在镇海大道上来回经过养鸡厂4次的浓度数据。图 3(b)显示，该仪器在距离养鸡厂直线距离约为900m处仍能检测到 20-30ppb的大气氨浓度，表明该仪器具有极低的检测下限。

   图3(a)骆驼冯记家禽养殖场测试结果

    图 3(b)镇海大道上测试结果

         图4(a)所示的是镇海区石化经济技术开发区中一家液氨充装工厂周边的大气氨浓度测试结果。同样以 google地图为背景，其中红色圆球标识的为飞翔液氨充装站工厂。图中带颜色标记的为测试路线，获得大气氨浓度值的高低由从红到蓝的颜色标记区分，如图中右边的颜色标尺所示。测到大气氨浓度值为760.4ppb，表明液氨充装站可能存在一定程度的氨气泄漏，应当引起安监部门的重视。如图 4(a)所示，该仪器在离液氨充装站直线距离约为 900m的新琦新型建材公司附近也检测到了明显高于大气本底浓度的氨，详细浓度值分布见图 4(b)。由图 4(a)和(b)所示，高浓度所在位置点与液氨充装站基本处于一条直线上，而且距离液氨充装站直线距离越远氨浓度越低，说明测试过程中大气氨从液氨充装站朝新琦新型建材公司扩散，这刚好为当天的风向吻合。此结果再一次证明了海尔欣大气氨激光分析仪具有探测范围广、灵敏度高的优异性能。

   图4(a)石化经济技术开发区测试结果

 图 4(b)上图红圈局部放大结果

四、测试结果总结

         采用海尔欣自主研发的车载式大气氨激光开路分析仪，分别对宁波市北仑区小港镇惠民生猪养殖场、镇海区骆驼镇冯记家禽养殖场、镇海石化经济技术开发区，三个目标地点及周边进行了大气氨浓度的测试，氨大浓度值分别为349.3ppb、139.4ppb、760.4ppb，远高于大气本底浓度，表明畜牧业存在着大量氨排放的现象，应当引起有关部门的充分重视。在镇海冯记家禽养殖场、石化经济技术开发区分别对距离目标地养鸡厂和液氨充装站直线距离 900m处进行了车载巡检，均有高浓度数据显示，表明分析仪具有探测灵敏度高，检测下限极低的优良特性。经过车载一天几百公里的长途奔波，该分析仪未出现质量问题，表明仪器稳定可靠、环境适应能力强、抗震能力强。

五、应用前景

         随着国人消费升级和生活水平的上升，家禽家畜养殖业的高速发展，畜牧业的氨气污染问题会越来越突出。氨气的产生易对圈舍内的鸡、猪、牛等造成呼吸道感染，从而对畜牧业造成经济损失。其次，农业、林业等存在大量使用含氮肥料及家禽粪便的现象，也是氨气产生的重要原因。另外在工业上，燃煤燃气锅炉在 scr或 sncr脱硝过程中；硝酸、尿素等化学肥料及医药和农药的原料化工厂生产过程中；大型冷库，机械设备冷冻媒制备过程中，液氨也无处不在，易产生氨泄漏事故。因此，大气氨的排放及泄漏检测和方案以畜牧业应用为主，在农业种植、工业烟气脱硝、含氮肥料和原料生产的化工厂、制冷及冷链运输行业等领域，都将有很好的应用前景。海尔欣激光开路式氨分析仪为工业农业的氨气无组织排放控制及监管，提供了一种全新的解决方案。

本公司特别鸣谢：中科院大气物理研究所，大气边界层物理与大气化学国家重点实验室，2018年国家重点实验室仪器设备采购项目支持。

                                                                                 宁波海尔欣光电科技