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Verfahren
zum Messen von Gasemissionen und/oder -fluss mit Verwendung eines
Spektrometerinstruments zum Aufnehmen von Absorptionsspektren zum
Erfassen und Aufzeichnen der elektromagnetischen Strahlung, die
direkt von der Sonne kommt, mit Wellenlängenauflösung.
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Hintergrund
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Heutzutage
beeinflussen die Aktivitäten
des Menschen unsere Umwelt im lokalen, regionalen und globalen Bereich.
Dies hat zu ernsten Umweltbeeinträchtigungen geführt. Beispiele
betreffen die Atmosphäre
mit Konzentrationen an Luftschadstoffen in der Stadtluft und Industriegebieten,
die für
die Gesundheit schädlich
sind, die regionale Bildung von Ozon und die Zerstörung von
Bäumen
durch Verschmutzung sowie globale Auswirkungen auf das Klima und die
schützende
Ozonschicht in der Stratosphäre.
Um die Mechanismen hinter diesen Problemen zu verstehen und kostengünstige Maßnahmen
zu ergreifen, sind Messungen der Gasemissionen erforderlich, die die
Probleme auslösen,
die dadurch entstanden sind. In einigen Fällen sind diese Emissionen
lokal gut abgegrenzt, zum Beispiel bei Austritten durch Kamine und
Lüftungen
und die Emissionen können
durch Messen der Konzentration und des Gasstroms an der Quelle gemessen
werden. In vielen Fällen
ist die Emissionsquelle jedoch "diffus", d. h. über ein
relativ großes
Gebiet verteilt. Beispiel hierfür
sind die Emission von Kohlenwasserstoffen aus petrochemischen Anlagen
oder einer Raffinerie, die Emission von Methan aus einer Abfallentsorgungsanlage
oder die Emission von Stickstoffoxiden aus einer Siedlung. Quantitative
Bestimmung der Emission dieses Typs stellt eine wesentlich größere Herausforderung
vom technischen Gesichtspunkt dar. Es werden heutzutage fünf verschiedene Messstrategien
verwendet, um diffuse gasförmige
Emissionen quantitativ zu bestimmen, die im Folgenden beschrieben
werden.
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1. Meteorologisches Verfahren:
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Bei
diesem Verfahren wird die Konzentration des fraglichen Gases an
einem oder mehreren Punkten in einem geeigneten Abstand zur Quelle
gemessen. Mittels der Anwendung eines meteorologischen Dispersionsmodells
kann die Gasdispersion modelliert und die Stärke der Quelle berechnet werden. Das
Verfahren hängt
ganz von der Zuverlässigkeit des
meteorologischen Modells ab und kann deshalb nur verwendet werden,
wenn die Topographie und die Meteorologie geeignet sind. Ein Beispiel
ist die Messung von Emissionen wie Kohlendioxid und Methan aus Ackerland
(flaches Gelände,
keine Gebäude
oder Bäume
innerhalb von 200–500
m vorhanden, die das Windfeld stören).
Wenn industrielle Emissionen gemessen werden, ist das Verfahren,
wegen des Einflusses von Gebäuden
auf das Windfeld, heißen Emissionen
usw. ziemlich ungeeignet.
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2. Tracergasverfahren:
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Dies
kann als eine Variante des oben genannten Verfahrens bezeichnet
werden. Auch in diesem Fall wird die Konzentration des untersuchten Gases
an einem oder mehreren Punkten auf der Leeseite der Quelle gemessen.
Statt die Verteilung unter Verwendung eines meteorologischen Modells
zu berechnen, wird dies empirisch durch Freisetzung eines Tracergases
mit bekannter Emission an der Quelle vorgenommen. Die Konzentration
des Tracergases wird dann gleichzeitig gemessen, wenn das untersuchte
Gas gemessen wird. In diesem Zusammenhang ist es möglich, das
Verhältnis
zwischen der Konzentration und Emission im Falle des Tracergases
zu bestimmen. Wenn das Tracergas die gleichen physikalischen Eigenschaften
(Temperatur und Dichte) wie das untersuchte Gas aufweist, kann diese
Beziehung auch verwendet werden, um die Emission des untersuchten
Gases zu bestimmen. Das Verfahren unterstellt, dass die beiden Gase
gut vermischt sind, was wiederum geeignete meteorologische Bedingungen
unterstellt und dass das Tracergas in einer Weise freigesetzt wird,
die die Emission des untersuchten Gases gut simuliert.
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3. Linearintegration:
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Die
beiden oben genannten Verfahren leiden unter dem Nachteil, dass
die Messungen nur an einem oder mehreren Punkten in der Luftmasse
vorgenommen werden, die emittiert wird. Die Zuverlässigkeit
der Bestimmungen kann unter Verwendung der Linearintegration zur
Durchführung
der Konzentrationsmessungen wesentlich verbessert werden. Dies kann
durch Anwendung linear integrierender optischer Verfahren wie DOAS
(Differential Optical Absorption Spectroscopy) oder LPFTIR (Long-Path Fourier
Transform Infrared Spectroscopy) erreicht werden, was "Kreuzwindintegration" (Cross-Wind Integration)
genannt wird. In diesem Zusammenhang wird elektromagnetische Strahlung über eine
Entfernung übertragen,
die die fragliche Luftmasse schneidet und es kann Absorptionsspektroskopie
verwendet werden, um die mittlere Konzentration über die fragliche Messdistanz
zu bestimmen, wonach die Emission unter Verwendung eines der oben
genannten Verfahren bestimmt wird.
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4. Laserradar:
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Weitere
Zuverlässigkeit
der Bestimmung kann erreicht werden, wenn die Gaskonzentration über den
gesamten Querschnitt der emittierten Gasmasse auf der Leeseite der
Quelle integriert wird. Ein Verfahren hierfür ist DIAL (Differential Absorption
Lidar). Dieses Verfahren wird angewendet, um Laserlicht unterschiedlicher
Wellenlängen
in einer definierten Richtung zu emittieren. Mittels der zeitaufgelösten Erfassung
des Lichts, das von Partikeln und Molekülen zurückgestreut wird, ist es möglich, eine
wegaufgelöste
Bestimmung der Gaskonzentration entlang des Laserstrahls zu erreichen.
Durch sequentielles Messen in verschiedenen Richtungen unter Verwendung
unterschiedlicher Höhen
ist es möglich, die
integrierte Konzentration über
einen Querschnitt der gesamten emittierten Gasmasse zu ermitteln. Wenn
der Querschnitt senkrecht zum Wind gesetzt wird, kann die Gesamtemission
ermittelt werden, wenn die Konzentration mit der konzentrationsgewichteten
Windgeschwindigkeit multipliziert wird. Die Stärke des Verfahrens liegt darin,
dass die gesamte emittierte Gasmasse integriert wird und dass es
nicht notwendig ist, ein meteorologisches Dispersionsmodell zu verwenden.
Die Messunsicherheit wird überwiegend
durch die Unsicherheit bei der Bestimmung des Windfelds bestimmt.
Die Nachteile des Verfahrens sind, dass nur wenige Gase gemessen
werden können
und dass das Messgerät
teuer und kompliziert ist und qualifiziertes Personal erfordert,
was damit die Messungen verteuert.
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5. Himmelslichtspektroskopie:
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Integrierende
Himmelslichtspektroskopie ist ein alternatives Verfahren, das auch über den
gesamten Querschnitt der emittierten Gasmasse integriert. Dieses
Verfahren verwendet ein Spektrometer, um das Licht am Himmelszenith
aufzuzeichnen. Dies führt
zu einem Spektrum des Himmelszeniths mit der vertikal integrieren
Konzentration an Gasen, die in der Atmosphäre vorhanden sind. Mittels
Bewegung des Spektrometers in der Weise, dass die vertikale Ausdehnung,
die gemessen wird, die emittierte Gasmasse schneidet, ist es möglich, nach
Subtraktion des Beitrags durch die Hintergrundkonzentration, die integrierte
Konzentration über
einen Querschnitt der emittierten Gasmasse zu bestimmen. Die Emission wird
nach Multiplizieren mit der konzentrationsgewichteten Windgeschwindigkeit
quer zur Vorschubrichtung ermittelt. Während das Verfahren relativ
einfaches Gerät
verwendet, ist es auf eine kleine Zahl von Molekülen beschränkt, die im Bereich von 300–700 nm
des elektromagnetischen Spektrums gemessen werden können, d.
h. dem Spektralbereich, in dem der Himmelszenith Sonnenlicht streut. Außerdem werden
die Messungen von variabler Mehrfachstreuung, zum Beispiel in Wolken
und den sogenannten Ringeffekt (teilweises Ausfüllen von Fraunhofer-Linien
im Sonnenspektrum bedingt durch Raman-Streuung) beeinflusst. Das
Verfahren wurde daher prinzipiell zum Messen industrieller Emissionen
von SO2 und NO2 und
zum quantitativen Bestimmen von SO2-Emissionen
aus Vulkanen angewendet.
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Die
Druckschrift "An
uncertainty budget for ground-based Fourier transform infrared column measurements
...", C. Paton et
al., offenbart ein Verfahren zum Erfassen von Abweichungen zwischen FTIR-Sektrometer
und NSC.
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Gegenstand
der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist, mittels Ausarbeitung der oben genannten Verfahren
ein Messverfahren auszubilden, das ein eindeutiges und kostengünstiges
Verfahren zum Messen von Emissionen und Fluss von gasförmigen Substanzen
sowohl von der Industrie und anderen anthropogenen und natürlichen
Quellen bietet.
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Diese
Aufgabe wird mittels des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
gelöst,
welches Verfahren in Anspruch 1 definiert ist. Unteransprüche definieren
weitere Ausführungsformen.
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Das
Verfahren beruht auf Solarspektroskopie und beinhaltet ein Spektrometer,
das mit einem sogenannten Suntracker gekoppelt ist, d. h. einem Spiegelsystem,
das die Sonne in der Weise "fixiert", dass das direkte
Sonnenlicht immer auf die Eintrittsöffnung des Spektrometers trifft.
Das Instrument zeichnet auf diese Weise Spektren der Sonne auf, wie
sie durch die Atmosphäre
gesehen werden. Durch Auswerten der erhaltenen Absorptionsspektren
ist es dann möglich,
die integrierte Gesamtmenge des fraglichen Gases entlang des optischen
Weges zwischen dem Instrument und der Sonne zu bestimmen. Unter
dem optischen Weg versteht man die Route, die das Sonnenlicht zwischen
der Sonne und dem Instrument genommen/passiert hat. Wenn die Sonne
tief am Himmel steht, unterscheidet sich dieser Weg, wegen der Refraktion
des Sonnenslichts in der Atmosphäre
von der geometrischen Verbindungslinie. Durch entweder Platzieren
oder Verschieben des Instruments in der Weise, dass die Linie zwischen
dem Instrument und der Sonne die Luftmasse auf der Leeseite der
Quelle schneidet, deren Emission quantitativ bestimmt werden soll,
ist es möglich, die
integrierte Konzentration ausgedrückt als Masse pro Längeneinheit,
z. B. g/m, über
einen Querschnitt der Luftmasse zu bestimmen, nachdem die Hintergrundkonzentration
subtrahiert ist. Wenn dieser Wert dann mit der Windgeschwindigkeit
in der Fahne quer zur Ausbreitungsrichtung multipliziert wird, kann
die Emission dann ausgedrückt
als Masse pro Zeiteinheit, z. B. g/s, erhalten werden.
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Unter
Fluss ist der Transport von Gas durch einen Bereich zu verstehen,
der normalerweise ein vertikaler Querschnittsbereich ist, ausgedrückt als Masse
pro Zeit- und Flächeneinheit,
zum Beispiel g/s·m2. Unter Emission ist die Quellenstärke zu verstehen,
die in verschiedenen Einheiten ausgedrückt werden kann, in Abhängigkeit
von der Anwendung, zum Beispiel in Masse pro Zeiteinheit, zum Beispiel g/s,
im Falle einer Punktquelle wie einer Emission von einer Industrieanlage,
in Masse pro Längeneinheit,
zum Beispiel g/m im Falle einer linearen Quelle wie Emission von
einem Fahrzeug, und in Masse pro Flächeneinheit und Zeiteinheit,
zum Beispiel g/m2·s im Falle einer Oberflächenquelle
wie einer Methanemission von einem Sumpf.
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Während das
Verfahren über
die gesamte emittierte Gasmasse integriert, wie die oben genannten
Verfahren 4 und 5, weist es im Vergleich zu diesen Verfahren eine
Reihe von Vorteilen auf:
- – Vom technischen Gesichtspunkt
ist das System wesentlich einfacher und billiger als das DIAL-System
und erfordert kein hochqualifiziertes Personal zur Durchführung.
- – Aufgrund
der Tatsache, dass das gesamte Spektralintervall von UV bis IR verwendet
werden kann, ist es möglich,
eine große
Zahl unterschiedlicher Moleküle
mit einem hohen Maß an
Spezifität
zu messen.
- – Hohe
Lichtintensität
führt zu
geringem Rauschpegel beim gemessenen Spektrum und folglich einem
hohen Grad an Empfindlichkeit bei der Konzentrationsbestimmung.
- – Die
Tatsache, dass die Messung direkt zur Sonne vorgenommen wird, anstatt
nur gestreutes Licht vom Himmelszenith zu verwenden, führt dazu,
dass Probleme wie Mehrfachstreuung und sogenannter Ringeffekt eliminiert
werden.
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In
einer alternativen Anwendung des Verfahrens wird das Instrument
stationär
derart platziert, dass von einer mobilen Quelle emittiertes Gas
durch die Messdistanz (Sonne–Messinstrument)
wandert, wobei in Verbindung damit die Gesamtkonzentration über einen
Querschnitt der Gasmasse ermittelt wird. Nach Multiplizieren der
konzentrationsgewichteten Windgeschwindigkeit senkrecht zur Bewegungsrichtung
der Quelle, wird die Emission von der Quelle ausgedrückt als
Masse pro Längeneinheit,
z. B. g/m erhalten. Nach Multiplizieren mit der Quellengeschwindigkeit
wird die Emission ausgedrückt
als Masse pro Zeiteinheit, z. B. g/s erhalten.
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Die
Erfassungsgrenze und die Genauigkeit beim Messen der Emission unter
Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens werden teilweise bestimmt
durch die Position beim Bestimmen des Windfelds in den fraglichen
Höhen und
teilweise durch die Präzision
mit der es möglich
ist, die integrierte Konzentration zu bestimmen. Üblicherweise
wird das Windfeld durch Ausführen
von Messungen am Boden, an einem Masten oder einem Ballon bestimmt, wonach
das gesamte Windfeld durch Interpolation oder Extrapolation unter
Verwendung eines meteorologischen Modells ermittelt wird. Eine attraktive
Möglichkeit
in Situationen, wo das Windfeld schwierig zu bestimmen ist, oder
wenn es schwierig ist, die Höhe des
emittierten Gases zu bestimmen, ist die Verwendung von Tracergas
entsprechend dem oben genannten Verfahren 2. In diesem Fall ist
es jedoch notwendig, dass die Freisetzung des Tracergases die Freisetzung
des untersuchten Gases in Zeit und Raum akkurat simuliert. Dies
kann oft kompliziert sein, insbesondere wenn die untersuchte Quelle
ausgedehnt ist, zum Beispiel ein Feld. Eine alternative Verwendung
von Tracergas und eine die sehr attraktiv ist, wenn mit dem hier
vorgeschlagenen Verfahren gemessen wird, ist die direkte Verwendung
von Tracergas zum Bestimmen der konzentrationsgewichteten Windgeschwindigkeit.
Bei dieser Anwendung wird Tracergas nur an einem oder wenigen Punkten freigesetzt.
Die konzentrationsgewichtete Windgeschwindigkeit entlang der Ausbreitungsstrecke
wird dann direkt mit Hilfe des gemessenen integrierten Gehalts des
Tracergases entlang der Ausbreitungsstrecke erhalten. Im vorliegenden
Fall ist das Ziel der Tracergasfreisetzung folglich die Verwendung
des integrierten Tracergasgehalts zur Ermittlung der Windgeschwindigkeit
in der relevanten Höhe.
Wenn das Tracergas aus einem Bereich emittiert wird, der in der gleichen
Entfernung vom Instrument liegt wie das untersuchte Gas, und wenn
die meteorologischen Bedingungen ähnlich sind, kann diese Windgeschwindigkeit
dann beim Berechnen der Gesamtemission aus dem Bereich verwendet
werden. In den Fällen, wo
die Entfernung von der Quelle oder die meteorologischen Bedingungen
abweichen, kann die gemessene konzentrationsgewichtete Windgeschwindigkeit als
Referenzwert in einem Modell verwendet werden, das anschließend zum
Extrapolieren auf andere Orte oder meteorologische Bedingungen verwendet
wird.
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Außer den
Absorptionslinien, die für
die untersuchte Gasmasse erhalten sind, enthält auch das gemessene Solarspektrum
Strukturen, die mit dem Sonnenspektrum in Zusammenhang stehen, und
Interferenzabsorptionslinien der Gesamtgaszusammensetzung in der
Atmosphäre.
Aufgrund der langen Absorptionsdistanz durch die Atmosphäre bilden
diese Absorptionsstrukturen den vollständig dominanten Teil des Absorptionsspektrums.
Beim Bestimmen der integrierten Konzentration ist der ganz kritische Punkt,
wie gut diese Hintergrundabsorption aus dem gemessenen Spektrum
eliminiert werden kann. Die Situation wird noch komplizierter durch
die Tatsache, dass die Sonne sich bewegt und als Folge davon das Hintergrundspektrum
sich kontinuierlich verändert. Unten
werden drei Verfahren zum Eliminieren dieser Hintergrundabsorption
beschrieben.
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Verwendung des Verfahrens
mit reiner Luft zum Eliminieren der Hintergrundabsorption
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Ein
Hintergrundspektrum wird außerhalb
der zu messenden Gasmasse gemessen. Das Spektrum, das anschließend in
der Gasmasse gemessen wird, wird dann durch das Hintergrundspektrum
geteilt, wobei die Hintergrundabsorption eliminiert wird. Das Verfahren
kann etwas verbessert werden, indem als Hintergrundspektren der
Mittelwert eines jeweils vor und nach der Messung aufgenommenen
Spektrums verwendet wird. Das Verfahren funktioniert, wenn die Hintergrundmessung
in enger Verbindung mit der Emissionsmessung vorgenommen werden kann
und bevorzugt in der Mitte des Tages, wenn die Höhe der Sonne nahe am Maximum
ist und sich deshalb nur langsam verändert.
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Verwendung eines Atmosphärenmodells
zum Eliminieren der Hintergrundabsorption
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Wenn
die vertikale Zusammensetzung, Druck und Temperatur der Atmosphäre bekannt
sind, ist es möglich,
ein synthetisches Hintergrundspektrum für die fragliche Sonnenhöhe zu errechnen.
Gemessene Spektren können
dann durch dieses Hintergrundspektrum geteilt werden, wobei die
Hintergrundabsorption eliminiert wird. Das Verfahren ist kompliziert
und erfordert Zugang zu modernen Modellen und Information über die
vertikale chemische Zusammensetzung und Druck- und Temperaturprofile.
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Verwendung des Luftmassenfaktors
zum Eliminieren der Hintergrundabsorption
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Das
dritte Verfahren, das im Zusammenhang mit dem vorliegenden Patent
vorgeschlagen wird, impliziert, dass die Hintergrundabsorption eliminiert werden
kann, ohne dass sich der Betrachter außerhalb der untersuchten Gasmasse
befindet und ohne Kenntnis des chemischen oder physikalischen Zustands
der Atmosphäre.
Das Verfahren beruht darauf, dass es möglich ist, einen sogenannten "Strahlverfolgungsalgorithmus" (Ray-Tracing-Algorithmus) zu
verwenden, um zu jedem Zeitpunkt die gesamte optische Weglänge zwischen
dem Instrument und der Sonne zu berechnen, d. h. was als "Luftmassenfaktor" bezeichnet wird.
Vorausgesetzt, dass der chemische und physikalische Zustand der
Atmosphäre sich
während
der Messung nicht verändert,
variiert die Hintergrundabsorption proportional zur Variation des
Luftmassenfaktors. In diesem Zusammenhang ist es möglich, Multiregressionsanalyse
anzuwenden, um zu berechnen, welche Strukturen im gemessenen Messspektrum
zusammen mit dem Luftmassenfaktor variieren und dann diese Strukturen
aus den einzelnen gemessenen Spektren zu eliminie ren, da der Luftmassenfaktor
für jedes
einzelne Spektrum bekannt ist. Das Verfahren kann leicht automatisiert und
in Echtzeit implementiert werden, stellt keinerlei Zeitbeschränkung bei
den Messungen, erfordert keine Aufzeichnung von "reinen" Hintergrundspektren in regelmäßigen Intervallen
und benötigt
keine Kenntnis des chemischen und physikalischen Zustands der Atmosphäre.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung,
wird der Teil des Absorptionsspektrums, der von dem Teil der Atmosphäre abgeleitet
ist, der außerhalb
des untersuchten Gasvolumens ist, unter Verwendung der Variation
der Gesamtzahl an Molekülen
entlang des optischen Wegs zwischen dem Instrument und der Sonne
berechnet, d. h. was als der Luftmassenfaktor bezeichnet wird, zwischen
den verschiedenen gemessenen Spektren verwendet, um mittels Korrelationsanalyse
die Hintergrundabsorption in jedem einzelnen Spektrum zu bestimmen,
wonach diese Hintergrundabsorption dann aus dem gemessenen Spektrum
eliminiert wird.
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Es
wird angenommen, dass das Verfahren gemäß der Erfindung großes Potential
für viele
Anwendungen besitzt. Darunter sind zu nennen:
- – Messung
von Industrieemissionen (petrochemische Industrie, Raffinerien und
Holzindustrie).
- – Messung
von Emissionen durch den Verkehr (Automobile, Boote und Flugzeuge).
- – Messung
von Emissionen aus Deponien.
- – Messung
von Emissionen aus Aktivitäten
in weiten Bereichen wie Landwirtschaft und Forstwirtschaft.
- – Messung
von umfangreichen Emissionen aus Siedlungen, Industriegebieten und
Regionen.
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Beschreibung
der Figuren
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Die
Erfindung wird nun ausführlicher
mit Bezug zu den Ausführungsbeispielen
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen gezeigt sind. In diesem Zusammenhang zeigen:
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1 einerseits
ein Absorptionsspektrum gemessen vom Sonnenspektrum entsprechend
18 ppmm Ethen, das ungefähr
80 m nach Windströmung von
einer petrochemischen Anlage gemessen wurde, und andererseits eines
skaliertes Referenzspektrum von Ethan im Vergleich zum gemessenen
Spektrum und die Differenz beim Vergleich;
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2 die
Gesamtmenge an Ethen, die ungefähr
80 m nach Windströmung
von einer petrochemischen Anlage gemessen wurde, und die erhaltene
integrierte Emission;
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3 einerseits
ein Absorptionsspektrum gemessen vom Sonnenspektrum entsprechend
7,8 ppmm Ammoniak, das ungefähr
120 m nach Windströmung
von einem Feld von 1,57 ha Größe gemessen
wurde, auf dem flüssiger
Schweinedung ungefähr
24 Stunden zuvor ausgebracht wurde, und andererseits eines skaliertes
Referenzspektrum von Ammoniak im Vergleich zum gemessenen Spektrum
und die Differenz beim Vergleich;
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4 die
Gesamtmenge an Ammoniak (NH3), die ungefähr 24 Stunden
nach Düngen
eines Feldes von 1,57 ha Größe mit Schweinedung
gemessen wurde, wobei die Gesamtmenge ungefähr 120 m nach Windströmung vom
Feld gemessen wurde.
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Ausführungsbeispiele
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Eine
einzigartige Anwendung, für
die das Verfahren in naher Zukunft angewendet wird, ist die Bestimmung
der Effizienz des Abfackelns bei petrochemischen Anlagen. In Verbindung
mit bestimmten Prozessstörungen
in der petrochemischen Industrie, werden große Mengen an Kohlenwasserstoffen
aus verschiedenen Stufen des Prozesses zur Verbrennung zu einer
Abfackelanlage befördert.
Die Abfackelanlage ist oben an einem hohen Kamin gelegen. Der Gedanke
ist, dass die Kohlenwasserstoffe beim Abfackeln verbrennen, wodurch
sich die Umweltverschmutzungsbelastung aufgrund der Prozessstörung vermindert.
Es ist wünschenswert,
dass die Effizienz der Verbrennung beim Abfackeln hoch ist, und
diese Effizienz wird gewöhnlich
auf mehr als 99% geschätzt.
Am Boden durchgeführte
Messungen, die unter Verwendung der "langen FTIR-Technik" durchgeführt wurden, zeigen auf, dass
in bestimmten Fällen
die Effizienz beträchtlich
weniger als 99% beträgt. Ein
Missverhältnis
der Effizienz dieser Verbrennungsergebnisse führt zu dramatisch erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen
aus der Anlage und kann zu ernsten Konsequenzen führen, sowohl
vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt (Überschreiten vorhandener Lizenzbedingungen)
und vom Umweltgesichtspunkt. Aufgrund jedoch der Höhe der Abfackelanlage über dem
Boden und der hohen Temperatur, die im Bereich der Abfackelanlage
bei der Verbrennung erreicht wird, ist es sehr schwierig, diese
Effizienz direkt zu messen. Das hier vorgeschlagene Verfahren bietet
eine einzigartige Möglichkeit,
die Effizienz zu messen. Dies erfolgt durch Messen der Menge an
Gas, das zum Abfackeln kommt durch Messen der Konzentration und
des Durchflusses in der Leitung zur Abfackelanlage. Das hier vorgeschlagene Verfahren
wird dann angewendet, um die verbleibende Emission an unverbrannten
Kohlenwasserstoffen nach dem Abfackeln zu messen, indem die Verbrennungsgasfahne
aus der Abfackelanlage in einer geeigneten Entfernung im Lee der
Abfackelanlage durchquert wird, was es ermöglicht, die Effizienz zu ermitteln.
Die Windkomponente wird durch Hinzufügen eines inerten Tracergases
in den Gasstrom der Abfackelanlage und dann quantitatives Bestimmen des
Tracergases zusammen mit den fraglichen Kohlenwasserstoffemissionen
bestimmt. Außer
den fraglichen Kohlenwasserstoffemissionen können andere Gase, die für das Verständnis und
die Optimierung des Verbrennungsverlaufs von Bedeutung sind, wie CO,
SO2 und gegebenenfalls CO2 auch
gleichzeitig bestimmt werden.
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Das
Verfahren wurde im Vorversuch bei verschiedenen Anwendungen getestet.
Ausführungsbeispiele
von industriellen und landwirtschaftlichen Anlagen sind unten angeführt: d.
h. Messung von Ethenemission aus einer petrochemischen Anlage und quantitative
Bestimmung der Emission von Ammoniak nach Ausbringen von Jauche.
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In
beiden Fällen
wird ein Spektrometer vom Typ Bomem MB100 FTIR (Fourier Transform
Infrarot) mit einer spektralen Auflösung von 1 cm–1 verwendet. Spektren
werden im Infrarotbereich um 10 μm
Wellenlänge
aufgezeichnet. Der Suntracker besteht aus einem Spiegel, der in
zwei Richtungen (vertikal bzw. horizontal) verschoben werden kann,
zwei festen Spiegeln, einer Linse und einem sogenannten Quadrupoldetektor.
Das Sonnenlicht fällt
auf den beweglichen Spiegel und wird vertikal nach oben zu einem der
festen Spiegel gerichtet. In diesem Zusammenhang wird ein Teil des
parallelen Sonnenlichts durch die Linse zum Quadrupoldetektor fokussiert.
Der Quadrupoldetektor gibt Kontrollsignale an Servomotoren am beweglichen
Spiegel und führt
auf diese Weise das Sonnenlicht so, dass es auf die Mitte des Quadrupoldetektors
fixiert ist. Das ausströmende Sonnenlicht
weist dann eine Richtung auf, die durch den zweiten festen Spiegel
vollkommen zur Eintrittsapertur des Spektrometers ausgerichtet ist.
Als Folge dieser Anordnung ist das Sonnenlicht immer vollkommen
zum Spektrometer gerichtet, unabhängig von der Bewegung des Fahrzeugs,
das das Instrument transportiert, oder der Eigenbewegung der Sonne.
Die Spektren werden mittel klassischer Multiregressionsanalyse der
kleinsten Quadrate analysiert, nachdem der Luftmassenfaktor angewendet wurde,
um die Hintergrundab sorption zu eliminieren. Das Gerät wird auf
der Plattform eines relativ kleinen Lastwagens auf einem Tisch platziert,
der mit Luftpolstern schwingungsgedämpft ist.
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Ethenemission
von einer petrochemischen Anlage
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Bei
dieser Anwendung wird das Gerät
langsam entlang eines Weges verfahren (ungefähr 1 m/s), der ungefähr 80 m
auf der Leeseite einer petrochemischen Anlage gelegen ist. 1 zeigt
ein Beispiel eines gemessenen Spektrums, das 18 ppmm Ethen integriert
durch die emittierte Gasmasse entlang der Verbindungslinie zwischen
dem Instrument und der Sonne enthält. Die Figur zeigt auch ein
Referenzspektrum von Ethen, das so skaliert ist, dass die quadratische
Abweichung zwischen dem gemessenen Spektrum und dem Vergleichsspektrum
minimiert ist. Die Differenz zwischen den beiden ist auch gezeigt,
um ein Maß der
Qualität
des Spektralvergleichs zu zeigen, der zwischen dem gemessenen Spektrum
und dem Referenzspektrum vorgenommen wurde. Ein guter Vergleich
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzspektrum nur statistisches
Rauschen zeigt und keine systematischen Strukturen zeigt, die mit
dem fraglichen Referenzspektrum korrelieren. Es ist anzumerken,
dass Strukturen bis hinunter zu ungefähr 0,1% gemessen werden können. 2 zeigt
die linearintegrierte Ethenkonzentration, d. h. was Gesamtmenge
genannt wird, entlang der Linie Instrument-Sonne in Funktion der
Lage des Messfahrzeugs. Die Figur zeigt auch die integrierte Emission
von Ethen, die unter Verwendung einer geschätzten Windgeschwindigkeit berechnet
ist und die entlang der horizontalen Messentfernung summiert ist,
und die Gesamtemission von Ethen aus der Anlage wurde als 18,5 kg/h
gemessen. Die Lage potentieller Ausstoßquellen ist in der Figur angegeben.
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Emission von
Ammoniak nach Ausbringen von Jauche
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Bei
dieser Anwendung wird die Emission von Ammoniak von einem Feld von
1,57 ha Größe 24 Stunden
nach Ausbringen von Schweinedung gemessen. Die Windrichtung und
Windgeschwindigkeit werden in einer Höhe von 2 Metern unter Verwendung
eines Propelleranemometers gemessen. Die Windrichtung weist einen
Winkel von 77° zum
Weg auf, auf dem die Messung vorgenommen wurde, die Entfernung zum
Feld beträgt
120 m und die Windstärke
5,4 m/s. 3 zeigt ein Spektrum, das entlang der
Vorschubdistanz gemessen ist, entsprechend einem integrierten Gehalt
von 7,8 ppmm. Analog zu 1 zeigt auch 3 ein
Vergleichsreferenzspektrum sowie die Differenz zwischen dem gemessenen Spektrum
und dem Vergleichsspektrum. 4 zeigt die
integrierte Konzentration zwischen dem Instrument und der Sonne
als Funktion der Lage des Instruments entlang der Vorschubdistanz.
Der konstante Beitrag durch die Hintergrundkonzentration an Ammoniak
in der Atmosphäre
wird subtrahiert, wonach die Emission an Ammoniak vom Feld zu 4,4
kg NH3/ha·h gemessen wird.