CN105115917A - 基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统及方法，所述系统包括流动监测车和挥发性有机物在线光谱检测装置，挥发性有机物在线光谱检测装置包括主动DOAS检测仪、计算机、自动追光控制盒、氙灯电源、发射接收器和反光镜，发射接收器设置在流动监测车的顶部，主动DOAS检测仪、自动追光控制盒、氙灯电源和计算机均放置在流动监测车的内部；在对工业源挥发性有机物排放进行监测时，反光镜放置于实际监测区域内，所述发射接收器向反光镜发射光束，并接收反光镜反射的光束。本发明可以检测工业源高化学活性挥发性有机物的组成和浓度，能够表征挥发性有机物组成和浓度在较高时间分辨率下随时间排放情况。

Description

基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种挥发性有机物在线光谱检测系统及方法，尤其是一种基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统及方法，属于城市工业源挥发性有机物检测领域。

背景技术

近年来，人类社会的发展与进步在满足生存的基本需求之后，大气环境污染问题逐渐引起人类的普遍关注。在各种导致环境污染和被破坏的因素中，来自工业有机废气中的挥发性有机物(VolatileOrganicCompounds，VOCs)不仅已成为大气污染的一个重要源头，而且也已成为当今大气污染的三大杀手之一。VOCs是危害人体健康的重要污染物质，多数VOCs具有恶臭和毒性，长期接触会损害人体神经中枢和免疫系统，有些VOCs甚至具有强致癌性，给生命带来严重威胁。同时，VOCs对地球环境具有巨大的破坏作用，在阳光作用下，VOCs与NOx发生光化学反应形成光化学烟雾，导致动物的呼吸困难和植物萎缩。2012年底我国出台的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中首次明确提出控制VOCs。VOCs污染源监测仪器成为大气环境监测不可缺少的重要设备。

目前对VOCs污染源监测仪器进行检测的方式有两种，一种是采集监测样品送至实验室采用气相色谱质谱(GC/MS)等方法进行分析，这种方法虽然可以得到挥发性有机物的物质成分，但方法前处理过程繁琐耗时，分析单个样品约30min甚至更长，不仅不利于检测易发生化学反应的挥发性有机物，而且也很难得到VOCs在较高时间分辨率下(如数小时甚至数分钟)的时间变化情况。另一种方法是通过携带检测装置到现场进行监测。现有VOCs监测系统的现场监测仪器存在如下不足：1、组成部件多，相关配件也多，仪器体积庞大；2、在现场使用时需要进行较为复杂的组装、固定和调试，耗时、耗力；3、运输过程需要重新拆卸、装车，移动不便，经常上下搬卸，耗时、耗力且对仪器也可能造成一定的损耗；4、监测仪器检测出的数据不能及时、准确传输到相关部门。

为了有效预防大气污染事故，及时、高效、有序地组织开展污染源在线监测仪器的监测工作，并与各级政府部门及社会各界相关单位形成全方位联动，让相关部门能及时客观了解监测仪器的运行状况，掌握污染程度，迫切需要搭建一个机动性强、安全高效和稳定的VOCs污染源识别的流动监测系统。

综上所述，受目前在线和离线方法所限，现有城市工业源VOCs，尤其是苯系物，很难获取组成和浓度在相对较高时间分辨率下的随时间排放情况，限制了对其产生机理、应急监测以及相关控制技术的研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统，该系统可以检测工业源高化学活性挥发性有机物的组成和浓度，同时能够在无需样品前处理条件下直接快速测样，进而表征挥发性有机物组成和浓度在较高时间分辨率下随时间排放情况。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述在线光谱检测系统的挥发性有机物在线光谱检测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统，包括流动监测车和挥发性有机物在线光谱检测装置；

所述挥发性有机物在线光谱检测装置包括主动DOAS检测仪、计算机、自动追光控制盒、氙灯电源、发射接收器和反光镜，所述发射接收器设置在流动监测车的顶部，所述主动DOAS检测仪、计算机、自动追光控制盒和氙灯电源均放置在流动监测车的内部，所述主动DOAS检测仪分别与计算机、自动追光控制盒、氙灯电源和发射接收器连接；在对工业源挥发性有机物排放进行监测时，所述反光镜放置于实际监测区域内，所述发射接收器向反光镜发射光束，并接收反光镜反射的光束。

作为一种实施方案，所述流动监测车的内部设置有驾驶室、工作区、功能区和仪器区，所述工作区与功能区之间设置有机柜，所述主动DOAS检测仪、计算机、自动追光控制盒和氙灯电源放置在机柜内，所述机柜内还放置有避震器；所述工作区内放置有工作台和折叠座椅，所述工作台底部放置有稳压电源和UPS电源，所述驾驶室的副驾驶座椅底部和机柜的底部放置有UPS电源的电池组。

作为一种实施方案，所述功能区内，在靠近机柜一侧的位置上放置有两个标气瓶以及用于固定标气瓶的气瓶架。

作为一种实施方案，所述仪器区内，在流动监测车的内侧设置有两个设备带，其中一个设备带设置有两个交流插座，另一个设备带设置有四个交流插座，所述机柜和仪器区内的仪器通过交流插座进行取电。

作为一种实施方案，所述驾驶室和工作区之间的隔断上设置有一个透视窗。

作为一种实施方案，所述流动监测车的顶部还设置有换气扇、泛光灯、设备箱和摄像机，所述设备箱外侧设置有两个防水电源插座，所述换气扇、泛光灯和发射接收器通过防水电源插座进行临时取电；所述流动监测车的底部安装有电动支腿。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述在线光谱检测系统的挥发性有机物在线光谱检测方法，所述方法包括以下步骤：

S1、对主动DOAS检测仪依次进行系统检查、单点精密度标定和多点准确度标定；

S2、在挥发性有机物排放源的主导风向的下风向处，根据排放源的装置大小，通过调节反光镜的位置，布设一定长度的监测光路；

S3、当具有一定波长范围的光束通过环境空气时，在发射接收器的接收端，同时得到多种气体在该光束波长范围内的特征光谱；

S4、通过主动DOAS检测仪和计算机结合实现对特征光谱的识别；

S5、通过计算机对特征光谱数据的进一步处理，分辨出光束照射过的环境空气中所含物质的成分及含量，从而实现对环境质量的快速连续自动检测。

作为一种实施方案，步骤S1中，所述对主动DOAS检测仪依次进行系统检查，具体包括：

检查切光轮一圈的偏差；检查切光轮十圈的偏差；检查光栅归零位情况；检查激发装置的讯号；检查进入主动DOAS检测仪的光讯号的强弱；检查光栅位置；检查主动DOAS检测仪系统的讯号。

作为一种实施方案，步骤S1中，所述对主动DOAS检测仪进行单点精密度标定是针对测试气体对仪器的波长精度进行测试，具体包括：

a、关闭光程，在零光路的短光程上叠加一个校准池，通入标准气体并保证气体流量稳定不变；

b、启动系统数据收集与分析，观察仪器的响应值，待响应值稳定后，记录数据，使仪器的光程等效浓度达到要求；

c、计算读数误差，保证监测仪器的读数误差ε在5％以内。

作为一种实施方案，步骤S1中，所述对主动DOAS检测仪进行多点准确度标定，具体包括：

a、关闭光程，在零光路的短光程上叠加一个校准池，通入标准气体并保证气体流量稳定不变；

b、启动系统数据收集与分析，观察仪器的响应值，待响应值稳定后，记录数据，使仪器的光程等效浓度达到要求；

c、通过改变标准气体的浓度，得到满量程范围的3％-10％、20％-30％、40％-50％、60％-70％和80％-90％监测点的不同等效浓度值，及仪器的响应值，最后绘制标准曲线。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明可以实时在线表征工业源挥发性有机物(VOCs)，尤其是苯系物的组成和浓度，通过实时掌握污染区域的挥发性有机物的浓度和物种在较高时间分辨率下随时间的变化特征，对污染源的挥发性有机物产生机理提供更全面的数据信息，发挥其应急监测作用。

附图说明

图1为本发明实施例1的流动监测车的内部结构图。

图2为本发明实施例1的流动监测车的侧视图。

图3a～图3f为本发明实施例1的对主动DOAS检测仪进行多点准确度标定时绘制的挥发性有机物气体(图3a～图3f分别为苯、甲苯、对二甲苯、间二甲苯、苯乙烯和甲醛)标准曲线图。

图4为本发明实施例1的挥发性有机物在线光谱检测装置的挥发性有机物排放监测光路布设图。

图5为本发明实施例1的挥发性有机物在线光谱检测装置的挥发性有机物排放随时间的浓度变化特征。

其中，1-驾驶室，2-工作区，3-功能区，4-仪器区，5-机柜，6-主动DOAS检测仪，7-计算机，8-自动追光控制盒与氙灯电源，9-避震器，10-工作台，11-折叠座椅，12-气瓶架，13-设备带，14-交流插座，15-发射接收器，16-换气扇，17-泛光灯，18-设备箱，19-摄像机，20-防水电源插座，21-电动支腿。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例的基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统，包括流动监测车和挥发性有机物在线光谱检测装置；

如图1和图2所示，所述流动监测车的内部设置有驾驶室1、工作区2、功能区3和仪器区4，所述驾驶室1和工作区2之间的隔断上设置有一个尺寸为600mm*450mm的透视窗，该透视窗的玻璃为推拉门，可以从后面打开；所述工作区2与功能区3之间设置有机柜5，所述机柜5内放置有主动DOAS(DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy，差分吸收光谱技术)检测仪6、计算机7、自动追光控制盒与氙灯电源8、避震器9，所述工作区2内放置有工作台10和折叠座椅11，所述工作台10底部放置有稳压电源和UPS(UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply，即不间断)电源，所述驾驶室1的副驾驶座椅底部和机柜5的底部放置有UPS电源的电池组；所述功能区3内，在靠近机柜5一侧的位置上放置有两个标气瓶以及用于固定标气瓶的气瓶架12；所述仪器区4内，在流动监测车的内侧设置有两个设备带13，其中一个设备带13设置有两个交流插座14，另一个设备带13设置有四个交流插座14，所述机柜5和仪器区4内的仪器通过交流插座14进行取电。

所述流动监测车的顶部设置有发射接收器15、换气扇16、泛光灯17、设备箱18和摄像机19，所述设备箱18外侧设置有两个防水电源插座20，所述发射接收器15、换气扇16和泛光灯17通过防水电源插座20进行临时取电；所述流动监测车的底部安装有电动支腿21。

所述主动DOAS检测仪6、计算机7、自动追光控制盒、氙灯电源、发射接收器15以及反光镜构成了挥发性有机物在线光谱检测装置，所述主动DOAS检测仪6分别与计算机7、自动追光控制盒、氙灯电源和发射接收器15连接；在对工业源挥发性有机物排放进行监测时，所述反光镜放置于实际监测区域内，所述发射接收器15向反光镜发射光束，并接收反光镜反射的光束。

本实施例的挥发性有机物在线光谱检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)实现主动DOAS检测仪的QA/QC(品质保证/品质控制)，即对主动DOAS检测仪依次进行系统检查、单点精密度标定和多点准确度标定；

1.1)主动DOAS检测仪的系统检查

在对挥发性有机物进行采样分析前，需要对主动DOAS检测仪进行系统检查，主要内容包括：检查切光轮一圈的偏差；检查切光轮十圈的偏差；检查光栅归零位情况；检查激发装置的讯号；检查进入主动DOAS检测仪的光讯号的强弱；检查光栅位置；检查主动DOAS检测仪的讯号。

1.2)主动DOAS检测仪的单点精密度标定

1.2.1)关闭光程，在零光路的短光程上叠加一个校准池，通入标准气体(以苯为例)30.3ppb，并保证气体流量稳定不变；

1.2.2)启动系统数据收集与分析，观察仪器的响应值，待响应值稳定后，记录一系列浓度测定值30.4、30.8、30.7、30.9和29.7ppb，计算可得其平均浓度为30.5ppb；

1.2.3)计算读数误差ε＝(30.5-30.3)/30.3＝0.66％，远低于5％，说明该仪器具有很好的精密度。

1.3)主动DOAS检测仪的多点准确度标定

1.3.1)关闭光程，在零光路的短光程上叠加一校准池，通入标准气体(苯、甲苯、对二甲苯、间二甲苯、苯乙烯和甲醛)并保证气体流量稳定不变；

1.3.2)启动系统数据收集与分析，观察仪器的响应值，待响应值稳定后，记录数据，使其光程等效浓度达到要求；

1.3.3)通过改变标准气体的浓度(苯0.29-350ppb，甲苯0.24-300ppb，对二甲苯2.00-100ppb，间二甲苯2.00-150ppb，苯乙烯1.08-250ppb，甲醛1.49-30ppb)，得到满量程范围的3％-10％，20％-30％，40％-50％，60％-70％和80％-90％等监测点的不同等效浓度值，及仪器的响应值，最后绘制标准曲线，如图3a～图3f所示，分别是苯、甲苯、对二甲苯、间二甲苯、苯乙烯和甲醛的标准曲线。

2)挥发性有机物在线光谱检测装置对VOCs排放监测的光路布设

在挥发性有机物排放源的主导风向的下风向处，根据排放源的装置大小，通过调节反光镜的位置，布设一定长度的监测光路，如图4所示。

3)挥发性有机物在线光谱检测装置的实时在线监测

当具有一定波长范围的光束通过环境空气时，在发射接收器的接收端，同时得到多种气体在该光束波长范围内的特征光谱；通过主动DOAS检测仪和计算机结合实现对特征光谱的识别；通过计算机对特征光谱数据的进一步处理，分辨出光束照射过的环境空气中所含物质的成分及含量，从而实现对环境质量的快速连续自动检测。

本实施例给出了某石化乙烯裂解装置边界环境的挥发性有机物排放浓度随时间变化情况，如图5所示；从图中可见，挥发性有机物在线光谱检测装置能够实时在线对某石化乙烯裂解装置边界排放的挥发性有机物进行监测；通过对挥发性有机物排放的连续观测，可以发现在乙烯裂解装置附近，苯的最高排放浓度25ppb，苯乙烯的最高排放浓度达到19ppb，甲醛的最高排放浓度为12ppb。

此外，从图中可以看出，在乙烯裂解装置附近，苯的浓度变化最大，对二甲苯和间二甲苯的浓度随时间变化最小；分析苯的浓度变化，可以看出在8月7日、8日和9日白天，乙烯裂解装置边界环境处均有较高浓度的苯持续排放；甲醛则在8月7日和8日12:00-18:00之间，出现较高浓度的排放；分析认为，这两天装置加工过程可能发生变化，导致甲醛的排放量突然增加；通过实时了解各VOCs变化情况，可以对该石化企业的生产过程起到安全预警作用。

综上所述，本发明可以检测工业源高化学活性挥发性有机物的组成和浓度，同时能够在无需样品前处理条件下直接快速测样，进而表征挥发性有机物组成和浓度在较高时间分辨率下随时间排放情况。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统，其特征在于：包括流动监测车和挥发性有机物在线光谱检测装置；

所述挥发性有机物在线光谱检测装置包括主动DOAS检测仪、计算机、自动追光控制盒、氙灯电源、发射接收器和反光镜，所述发射接收器设置在流动监测车的顶部，所述主动DOAS检测仪、计算机、自动追光控制盒和氙灯电源均放置在流动监测车的内部，所述主动DOAS检测仪分别与计算机、自动追光控制盒、氙灯电源和发射接收器连接；在对工业源挥发性有机物排放进行监测时，所述反光镜放置于实际监测区域内，所述发射接收器向反光镜发射光束，并接收反光镜反射的光束。

2.根据权利要求1所述的基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统，其特征在于：所述流动监测车的内部设置有驾驶室、工作区、功能区和仪器区，所述工作区与功能区之间设置有机柜，所述主动DOAS检测仪、计算机、自动追光控制盒和氙灯电源放置在机柜内，所述机柜内还放置有避震器；所述工作区内放置有工作台和折叠座椅，所述工作台底部放置有稳压电源和UPS电源，所述驾驶室的副驾驶座椅底部和机柜的底部放置有UPS电源的电池组。

3.根据权利要求2所述的基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统，其特征在于：所述功能区内，在靠近机柜一侧的位置上放置有两个标气瓶以及用于固定标气瓶的气瓶架。

4.根据权利要求2所述的基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统，其特征在于：所述仪器区内，在流动监测车的内侧设置有两个设备带，其中一个设备带设置有两个交流插座，另一个设备带设置有四个交流插座，所述机柜和仪器区内的仪器通过交流插座进行取电。

5.根据权利要求2所述的基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统，其特征在于：所述驾驶室和工作区之间的隔断上设置有一个透视窗。

6.根据权利要求1所述的基于流动监测车的挥发性有机物在线光谱检测系统，其特征在于：所述流动监测车的顶部还设置有换气扇、泛光灯、设备箱和摄像机，所述设备箱外侧设置有两个防水电源插座，所述换气扇、泛光灯和发射接收器通过防水电源插座进行临时取电；所述流动监测车的底部安装有电动支腿。

7.基于权利要求1所述在线光谱检测系统的挥发性有机物在线光谱检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1、对主动DOAS检测仪依次进行系统检查、单点精密度标定和多点准确度标定；

S2、在挥发性有机物排放源的主导风向的下风向处，根据排放源的装置大小，通过调节反光镜的位置，布设一定长度的监测光路；

S3、当具有一定波长范围的光束通过环境空气时，在发射接收器的接收端，同时得到多种气体在该光束波长范围内的特征光谱；

S4、通过主动DOAS检测仪和计算机结合实现对特征光谱的识别；

S5、通过计算机对特征光谱数据的进一步处理，分辨出光束照射过的环境空气中所含物质的成分及含量，从而实现对环境质量的快速连续自动检测。

8.根据权利要求7所述的挥发性有机物在线光谱检测方法，其特征在于：步骤S1中，所述对主动DOAS检测仪依次进行系统检查，具体包括：

检查切光轮一圈的偏差；检查切光轮十圈的偏差；检查光栅归零位情况；检查激发装置的讯号；检查进入主动DOAS检测仪的光讯号的强弱；检查光栅位置；检查主动DOAS检测仪系统的讯号。

9.根据权利要求7所述的挥发性有机物在线光谱检测方法，其特征在于：步骤S1中，所述对主动DOAS检测仪进行单点精密度标定是针对测试气体对仪器的波长精度进行测试，具体包括：

a、关闭光程，在零光路的短光程上叠加一个校准池，通入标准气体并保证气体流量稳定不变；

b、启动系统数据收集与分析，观察仪器的响应值，待响应值稳定后，记录数据，使仪器的光程等效浓度达到要求；

c、计算读数误差，保证监测仪器的读数误差ε在5％以内。

10.根据权利要求7所述的挥发性有机物在线光谱检测方法，其特征在于：步骤S1中，所述对主动DOAS检测仪进行多点准确度标定，具体包括：

a、关闭光程，在零光路的短光程上叠加一个校准池，通入标准气体并保证气体流量稳定不变；

b、启动系统数据收集与分析，观察仪器的响应值，待响应值稳定后，记录数据，使仪器的光程等效浓度达到要求；

c、通过改变标准气体的浓度，得到满量程范围的3％-10％、20％-30％、40％-50％、60％-70％和80％-90％监测点的不同等效浓度值，及仪器的响应值，最后绘制标准曲线。