CN107389588B - 一种气体污染物无组织排放光学围栏监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体污染物无组织排放光学围栏监测系统及监测方法，所述的系统包括有：光学发射单元，用于发射检测气体污染物无组织排放的红外干涉光束；光学接收单元，用于接收由光学反射单元反射回来的红外干涉光束；光学检测及数据处理单元，用于对光学接收单元接收的红外干涉光束进行检测、分析和处理；以及若干光学反射单元，分散设置在被监测对象所属区域的外围，用于接力反射由光学发射单元发出的红外干涉光束，并最终将红外干涉光束反射到光学接收单元，以在被监测对象所属区域的外围空间形成闭合的光学监测围栏。本发明可实现对工业企业无组织排放的全面、实时地监控；本发明易于构建，适用范围广，成本低，便于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种污染物监测系统及方法，具体地说是一种气体污染物无组织排放光学围栏监测系统及监测方法。
背景技术
工业企业的生产过程一般包括原料的进厂存储，原料的加热、合成、分解、提纯等生产过程以及产品的存储和外运。在整个生产过程中涉及众多的有机和无机化学品，多数化学品易挥发形成有毒有害的气体，这些气体既可以通过排气筒有组织进行排放，也可以通过跑、冒、滴、漏等形式扩散到空气中形成无组织排放，还有可能由于安全生产事故造成事故排放。对于通过排气筒有组织排放的有毒有害气体可以通过回收、燃烧的治理设施进行处理，而对于无组织排放的有毒有害气体一般处理方法较少，这也是造成工业企业对周边污染的重要原因。突发的生产事故的排放更是重大的环境隐患，如不及时发现和报警有可能造成周边群众的重大人身伤害和人员损失。
近年来，国家为保护人民身体健康，严格控制企业无组织排放，陆续制定了《大气污染物综合排放标准》、《恶臭污染物排放标准》、《工业企业VOC排放限值》、《石油炼化污染物排放标准》等，这些标准均对企业的无组织排放设定了相应的厂界外下风向的污染物浓度限值。
目前，对工业企业无组织排放的监测一般是在企业厂界下风向进行监测，这种监测方式存在以下问题：1、只有在风力较大的情况下才能确定企业的下风向，而风力较大时往往利于污染物的扩散，检测的污染物浓度偏低，而小风静风时，厂界污染物不利于扩散，对周边的影响较大；2、一般监测也就是在厂界四周设置少量的手工采样点位，不能对厂区进行全部监控，对大的企业如炼油厂等存在监控不到的地方，且每个采样点位均需配备检测仪器，监控成本高；3、手工采样的时效性较差，往往一个数据要几天才能得到，不能及时发现工业企业发生的跑、冒、滴、漏问题；4、当企业发生安全生产事故时（如爆炸、起火、大量泄漏）有毒气体向厂外扩散，如果不能及时监测有毒气体浓度，及时通知疏散周边群众则有可能造成大量的人员伤亡。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种气体污染物无组织排放光学围栏监测系统，以解决现有监控技术无法实现全面实时监控以及监控成本高的问题。
本发明的目的之二就是提供一种气体污染物无组织排放光学围栏监测系统，以降低监控成本，提高监控精确度和时效性。
本发明的目的之一是这样实现的：一种气体污染物无组织排放光学围栏监测系统，包括有：
光学发射单元，用于发射检测气体污染物无组织排放的红外干涉光束；
光学接收单元，用于接收由光学反射单元发出的红外干涉光束；
光学检测及数据处理单元，用于对所述光学接收单元接收的红外干涉光束进行检测、分析和处理，以确定被监测对象所属区域是否存在气体污染物的无组织排放；以及
若干光学反射单元，分散设置在被监测对象所属区域的外围，用于接力反射由所述光学发射单元发出的红外干涉光束，并最终将红外干涉光束反射到所述光学接收单元，以在被监测对象所属区域的外围空间形成闭合的光学监测围栏。被监测对象所属区域可以是工业厂区或其他涉及气体污染物排放的企业生产加工基地。
本发明系统还包括校准单元，用以对所述光学检测及数据处理单元进行校准。
所述校准单元包括用以盛装已知浓度气体的密闭玻璃容器和用以将来自光学发射单元并经过所述密闭玻璃容器的红外干涉光束反射至光学接收单元的校准反射镜。
本发明系统中，所述光学发射单元包括光源和干涉仪。
本发明系统中，所述光学反射单元为反射镜。
本发明系统中，所述光学反射单元的设置应使所反射的红外干涉光束包围并趋近与被监测对象所属区域的边缘。
本发明系统中，所述光学反射单元的设置还应使若干反射的红外干涉光束穿过被监测对象所属区域的上空。
本发明的工作原理为：
被监测对象所属区域产生的无组织气体污染物向外扩散时经过本发明监测系统形成的红外光束光学监测围栏后，气体污染物吸收红外光引起气体分子的振动态跃迁，从而引起透过气体污染物的红外光在相应波长上的透过强度的变化，形成含有气体信息的红外吸收信号，光学接收单元接收含有样品信息的红外吸收信号，并将信号传递至光学检测及数据处理单元，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透光率随波数或吸光度随波长变化的红外吸收光谱图，从而达到定性和定量监测的目的。监测数据实时传送到企业和环保部门的监控中心，一旦数据超标即进行报警，企业随即进行现场排查，对于有毒气体产生泄漏的特殊情况即刻启动应急预案，并通知周边人员疏散。
本发明的目的之二是这样实现的：一种气体污染物无组织排放的监测方法，包括如下步骤：
（1）在被监测对象所属区域设置如上所述的光学围栏监测系统；
（2）启动光学围栏监测系统，在被监测对象所属区域的监测范围内形成由红外干涉光束合围成的光学监测围栏，被监测对象所属区域内产生的无组织气体污染物在向外扩散经过红外干涉光束时，即得到含有气体污染物信息的干涉光束，光学接收单元接收到该含有气体污染物信息的干涉光束后，转换成相应的光学信息，并传递给光学检测及数据处理单元，光学检测及数据处理单元通过傅里叶变换对输入的光学信息进行数据处理，生成相应的红外吸收光谱图，并计算出被监测对象所属区域内生成的气体污染物无组织排放的种类和越界的排放量。
本发明方法还包括以下步骤：
（3）生成被监测对象所属区域内的气体污染物无组织排放的种类和越界排放量信息报告，发送到环保监测部门；
（4）对于被监测对象所属区域内的气体污染物的超限无组织排放，向环保监测部门发出报警信号。
本发明方法中，启动光学围栏监测系统之前，利用校准单元对监测装置进行校准。
所述校准单元包括用以盛装已知浓度气体的密闭玻璃容器和用以将来自光学发射单元并经过所述密闭玻璃容器的干涉光反射至光学接收单元的校准反射镜；
进行校准时，在密闭透明玻璃容器中通入已知浓度的气体污染物，光学发射单元发射的红外干涉光束经过密闭透明玻璃容器后经校准反射镜反射到光学接收单元，并由光学检测及数据处理单元进行处理，得到的红外吸收光谱图与标准图谱进行校准。
本发明可以检测无机挥发性气体、有机气体、杀虫剂、腐蚀性气体、农药等5500种有毒有害气体，用户也可以自建谱库，适用于所有生产过程中使用和产生有毒有害气体污染物的工业企业。
本发明使用一套监测设备即可实现对工业企业气体污染物无组织排放的全面、实时地监控，精确度高，时效性高，对突发的安全生产事故造成的有毒有害气体的扩散及时进行报警，减轻有毒有害气体对周边人员的伤害。
本发明的检测系统结构简单，易于构建，适用于任何布局形式的工业厂区，且大大降低了现有工业企业气体污染物无组织排放监控的成本，便于推广应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的工作原理示意图，图中虚线表示省略了若干光学反射单元及其反射路线。
图3是校准单元的工作原理示意图。
图中：1、厂区，2、围墙，3、光学发射单元，4、光学反射单元，5、光学接收单元，6、光学检测及数据处理单元，7、校准单元，8、密闭透明玻璃容器，9、校准反射镜，10、仪器间。
具体实施方式
实施例1：气体污染物无组织排放光学围栏监测系统。
如图1所示，本发明主要包括光学发射单元3、若干光学反射单元4、光学接收单元5以及光学检测及数据处理单元6等部分。
光学发射单元3用以发射红外干涉光束，包括光源和干涉仪，干涉仪包括分束器、定镜和动镜。光源发出的光被分束器分为两束，一束经透射到达动镜，并经动镜反射回到分束器，另一束经反射到达定镜，并经定镜反射回到分束器，动镜以一恒定速度做直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉，干涉光束在分束器会合后向外发射。
光学反射单元4为反射镜，设置在被监测对象所属区域的外围，通常设置在被监测工业厂区围墙外的围墙拐角处。来自干涉仪的干涉光束沿厂区1的围墙2方向发射，在围墙拐角处经反射镜改变光束方向，使其始终平行于厂区1的边界，最终返回光学接收单元5，如图2所示，从而使干涉光束沿着厂区1的外界围墙形成一圈光学围栏，将整个工业企业的厂区包围，实现对厂区1污染物无组织排放的360°全范围监控。也可在厂区围墙的上部设置若干反射镜，使干涉光束从厂区的上空穿过，从而对整个厂区1的气体污染物的无组织排放情况进行立体监控。
光学接收单元5用以接收由反射镜反射回来的包含有污染物信息的干涉光束，并将其传递到光学检测及数据处理单元6进行检测、分析和处理，经傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透光率随波数或吸光度随波长变化的红外吸收光谱图，数据实时传送到企业和环保部门的监控中心，一旦数据超标即进行报警，企业随即进行现场排查，对于有毒气体产生泄漏的特殊情况即刻启动应急预案，从而达到定性和定量监测的目的。
本发明可以检测有机无机挥发性气体（苯、甲乙酮等）、易燃气体（丙烷、正丁烷等）、有毒气体（氨、光气、氯乙烯等）、腐蚀性气体（氯化氢、含氮气体等）、农药等5500种有毒有害气体。
光学发射单元3、光学接收单元5和光学检测及数据处理单元6均设置在仪器间10中，仪器间10设置于厂区1的围墙外侧。
本发明还包括校准单元7，用以在使用本系统进行检测前对光学监测及数据处理单元6进行校准。校准单元7包括密闭透明玻璃容器8和两块校准反射镜9，进行校准时，在密闭透明玻璃容器8中通入已知浓度气体，光学发射单元3发射的红外干涉光束经过该装置后经两块校准反射镜9反射两次到达光学接收单元5，并由光学检测及数据处理单元6进行检测、分析和处理，如图3所示，得到的红外吸收光谱图与标准图谱进行校准。该校准单元7可对多种有毒有害气体浓度进行校准，得到对不同气体的检测校准曲线。
L1/L2=C2/C1；
L1为校准单元的光程长度；
L2为光学围栏的光程长度；
C1为通入密闭透明玻璃容器内的已知气体浓度；
C2为折算到工业企业厂区边界处检测到的气体浓度。
实施例2：气体污染物无组织排放光学围栏监测方法。
本发明方法包括以下步骤：
1）在被监测厂区的外围设置一套如实施例1所说的光学围栏监测系统，包括光学发射单元3、若干光学反射单元4、光学接收单元5、光学检测及数据处理单元6和校准单元7，光学反射单元4设置在厂区1的围墙2的外侧拐角处。
2）利用校准单元7进行校准，在密闭透明玻璃容器8中通入已知浓度的气体污染物，光学发射单元3发射的红外干涉光束经过密闭透明玻璃容器8后经校准反射镜9反射到光学接收单元5，并由光学检测及数据处理单元6进行处理，得到的红外吸收光谱图与标准图谱进行校准。
3）校准完成后开始监测，光源发出的红外光经干涉仪后形成干涉光束，干涉光束沿围墙2方向射出，经过围墙2转角处时由位于该处的反射镜改变方向使其始终平行于厂区1边界，经若干反射镜顺次反射后的干涉光束最终反射到光学接收单元5，由此形成一圈光学监测围栏，将整个厂区1包围，实现对厂区1的360°监控；厂区1内产生的无组织气体污染物向外扩散时经过干涉光束，得到含有气体污染物信息的干涉光束，光学接收单元5接收含有气体污染物信息的干涉光束，并将信号传递至光学检测及数据处理单元6，通过傅里叶变换对信号进行处理，得到透光率随波数或吸光度随波长变化的红外吸收光谱图，根据所得红外吸收光谱图计算气体污染物无组织排放的量。
Claims (9)
1.一种气体污染物无组织排放光学围栏监测系统，其特征是，包括有：
光学发射单元，用于发射检测气体污染物无组织排放的红外干涉光束；
光学接收单元，用于接收由光学反射单元反射回来的红外干涉光束；
光学检测及数据处理单元，用于对所述光学接收单元接收的红外干涉光束进行检测、分析和处理，以确定被监测对象所属区域是否存在气体污染物的无组织排放；以及
若干光学反射单元，分散设置在被监测对象所属区域的外围，用于接力反射由所述光学发射单元发出的红外干涉光束，并最终将红外干涉光束反射到所述光学接收单元，以在被监测对象所属区域的外围空间形成闭合的光学监测围栏；
所述光学发射单元包括光源和干涉仪；所述干涉仪包括分束器、定镜和动镜；光源发出的光被分束器分为两束，一束经透射到达动镜，并经动镜反射回到分束器，另一束经反射到达定镜，并经定镜反射回到分束器，动镜以一恒定速度做直线运动，经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉，干涉光束在分束器会合后向外发射。
2.根据权利要求1所述的气体污染物无组织排放光学围栏监测系统，其特征是，还包括：
校准单元，用以对所述光学检测及数据处理单元进行校准。
3.根据权利要求2所述的气体污染物无组织排放光学围栏监测系统，其特征是，所述校准单元包括用以盛装已知浓度气体的密闭玻璃容器和用以将来自光学发射单元并经过所述密闭玻璃容器的红外干涉光束反射至光学接收单元的校准反射镜。
4.根据权利要求1所述的气体污染物无组织排放光学围栏监测系统，其特征是，所述光学反射单元的设置应使所反射的红外干涉光束包围并趋近于被监测对象所属区域的边缘。
5.根据权利要求4所述的气体污染物无组织排放光学围栏监测系统，其特征是，所述光学反射单元的设置还应使反射的红外干涉光束穿过被监测对象所属区域的上空。
6.一种气体污染物无组织排放的监测方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）在被监测对象所属区域设置如权利要求1-5任一权利要求所述的光学围栏监测系统；
（2）启动光学围栏监测系统，在被监测对象所属区域的监测范围内形成由红外干涉光束合围成的光学监测围栏，被监测对象所属区域内产生的无组织气体污染物在向外扩散经过红外干涉光束时，即得到含有气体污染物信息的干涉光束，光学接收单元接收到该含有气体污染物信息的干涉光束后，转换成相应的光学信息，并传递给光学检测及数据处理单元，光学检测及数据处理单元通过傅里叶变换对输入的光学信息进行数据处理，生成相应的红外吸收光谱图，并计算出被监测对象所属区域内生成的气体污染物无组织排放的种类和越界的排放量。
7.根据权利要求6所述的气体污染物无组织排放的监测方法，其特征是，还包括以下步骤：
（3）生成被监测对象所属区域内的气体污染物无组织排放的种类和越界排放量信息报告，发送到环保监测部门；
（4）对于被监测对象所属区域内的气体污染物的超限无组织排放，向环保监测部门发出报警信号。
8.根据权利要求6所述的气体污染物无组织排放的监测方法，其特征是，启动光学围栏监测系统之前，利用校准单元对监测装置进行校准。
9.根据权利要求8所述的气体污染物无组织排放的监测方法，其特征是，所述校准单元包括用以盛装已知浓度气体的密闭玻璃容器和用以将来自光学发射单元并经过所述密闭玻璃容器的干涉光反射至光学接收单元的校准反射镜；
进行校准时，在密闭透明玻璃容器中通入已知浓度的气体污染物，光学发射单元发射的红外干涉光束经过密闭透明玻璃容器后经校准反射镜反射到光学接收单元，并由光学检测及数据处理单元进行处理，得到的红外吸收光谱图与标准图谱进行校准。
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