工业园区有毒有害气体现场监测技术系统及产业化团队 系统技术化身“环境安全卫士”

工业园区有毒有害气体光学检测仪器设备工程化和产业化应用

  编者按

  1月16日,中国科学院2020年度工作会议在京召开。循环流化床煤气化技术开发及产业化,新一代工业菌种的创制及应用,海洋工程重腐蚀防护技术研究与应用,工业园区有毒有害气体现场监测技术系统及产业化,超快激光微加工装备及应用,物流智能分拣装备系统研发及产业化应用,泥石流灾害预判与综合防控关键技术,马铃薯化肥农药减施增效技术研究、产业化与科技扶贫,中国科学院南京分院科技合作与成果转化等9个项目团队捧得2019年度“科技促进发展奖”。他们背后的技术应用,都是一股股促进社会发展的不竭动力。本报设立“科技促进发展奖”系列专栏,选取其中的典型,呈现他们“面向国民经济主战场”所付出的汗水和努力。

  数九寒冬,在甘肃定西招金矿几十米高的高塔上,裹着三件羽绒服调试仪器设备;三伏酷暑,在海螺水泥上千摄氏度的高温窑室旁,汗流如注地执行监测任务……寒来暑往,近几年项目团队成员追梦的足迹已经走遍了全国20多个省市的工业园区。

  在1月16日召开的中国科学院2020年度工作会议上,来自中国科学院合肥物质科学研究院的这支团队获得2019年中国科学院“科技促进发展奖”表彰,前不久,他们还摘得了2019年度国家科技进步奖二等奖。

  “我们开辟了一个又一个恶劣复杂现场的成功应用案例。”项目团队带头人、中国科学院合肥物质科学研究院院长刘建国告诉《中国科学报》,团队所研发的工业园区有毒有害气体现场监测技术系统在仪器设备的环境适应性和长期运行稳定性方面,已经超过行业同类设备,达到国际先进水平。

 瞄准园区环境监测需求

  自2007年以来,我国工业园区数量开始呈现井喷式增长,同时,园区有毒有害气体的环境风险也日益凸显,工业园区的环境监测和有效管理拉响警报。

  刘建国向《中国科学报》介绍道,传统的现场采样、离线分析方法,无法连续监测园区污染;固定(点)污染源排放连续监测系统,无法全方位监测无组织(面源)污染排放;地面监测设备无法全过程监测园区排放强度以及区域输送规律。

  十多年前,刘建国就敏锐地察觉到国家对园区有毒有害气体监测的重大需求。

  “当年,我国新兴的监测仪器市场被国外设备所占领,国产仪器设备的稳定性和可靠性亟须提高。”刘建国告诉《中国科学报》,“而光学监测技术具有测量范围宽、检测灵敏度高、反应速度快等特点,可以实现快速、多组分非接触式遥测,其检测精度已接近质谱色谱技术,是未来有毒有害气体在线监测技术的主要发展方向。”

  在国家“863”计划重点项目、国家科技支撑计划等项目的支持下,他开始带领团队开展工业园区有毒有害气体现场监测技术系统的研究工作。

  项目团队瞄准工业园区污染来源识别、污染总量监控、污染应急预警等技术需求,突破了高温、复杂组分下的光谱数据库及分析方法,以及恶劣工业环境条件下的光谱信号测量与处理等关键技术难点,通过系统集成自主研发的有毒有害气体光学监测方法、光谱数据库系统、光谱分析软件系统,结合大气痕量气体成分卫星反演算法软件,形成了一套工业园区有毒有害气体光学监测整体解决方案,实现了“点—线—面—区域+移动监测”四位一体的全方位光学监测。

 “没有条件就创造条件”

  “工业园区有毒有害气体监测面临恶劣环境条件的巨大影响,在国际上也缺乏成熟的解决方案。”刘建国介绍说,尤其是国际上尚无成熟的高温多组分光谱数据库可以直接借鉴。

  为此,项目团队通过专门设计的工业环境高温气体光谱参数精准测量装置,精确测量了60余种有毒有害气体在高温下(100~1500℃)的吸收光谱,并建立和完善了包含300余种有机和无机成分的光谱数据库。

  项目研发过程中还存在另一个技术难点:高温、高湿、高粉尘、高振动、易燃易爆等复杂恶劣环境条件下的光谱应用。为了消除高温高粉尘的影响,团队设计了收发一体式光学和机械结构;为了解决易燃易爆问题,团队设计了全光纤信号传输装置,为了克服高振动的扰动,团队设计了双臂扫摆式干涉仪结构。

  尽管如此,在应用示范中,恶劣的工业现场使用环境还是给仪器安装调试带来了极大的挑战。

  刘建国回忆道,在四川普光气田监测现场,所有的仪器设备安装点都在群山峻岭之中,由于盘山路狭窄且极为陡峭,遇雨天道路湿滑,施工车辆无法进入,常常需要沿盘山路行走数小时才能将仪器运送到安装现场。“最终,我们团队通过肩挑背扛的方式,将100多套仪器全部安全运送到安装点位。”

  另外,安装现场的每条隧道长度都是公里级,项目团队需要在隧道的一端安装激光发射装置后,再背负几十斤重的设备步行至隧道另一端安装接收装置,而隧道中没有任何讯号,给调试增加了诸多不便。

  “没有条件就创造条件。通过默契配合,我们团队完成了仪器的安装、维护、巡检工作。”刘建国说,“自仪器安装后,已连续无故障运行了6年多的时间,圆满完成了天然气泄漏检测的任务。”

 大展拳脚的舞台

  当前,国家生态环境部要求园区建设有毒有害气体环境风险预警体系,并出台了《有毒有害气体环境风险预警体系建设技术导则(征求意见稿)》。

  这对刘建国团队来说,可谓提供了大展拳脚的舞台。

  2012年,随着国家园区有毒有害气体环境风险预警体系建设试点工作的开展,项目团队研发的工业园区有毒有害气体现场监测技术系统先后在水泥、石化、钢铁冶金、煤化等企业,以及山东京博化工园区、扬州化工园区、甘肃庆阳石化园区、四川普光气田天然气传输隧道及站场等工业现场得到广泛应用。

  随着我国工业园区集约化发展和“退城入园”工作的推进,现实对工业园区有毒有害气体现场监测技术提出了“数据更加准确、响应更加及时、覆盖更为全面、仪器更加稳定”的新要求。

  自2019年始,生态环境部要求河北、山东、江苏、广东、青海和宁夏6个试点省份全面推进园区有毒有害气体环境风险预警体系建设,其他省份要选取2至3个园区开展预警体系建设试点。

  “我国工业园区的环境风险预警体系建设刚起步,对园区有毒有害气体现场监测先进技术和现场监测设备有巨大的需求,这也为项目未来的推广应用提供了广阔前景。”刘建国满怀希望。

  (原载于《中国科学报》 2020-01-17 第3版 转移转化)

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