I. ВВЕДЕНИЕ
По мере того, как тенденция к глобальному потеплению становится все более серьезной, проблема избыточных выбросов парниковых газов становится в центре внимания. Многочисленные доклады Межправительственной группы экспертов Организации Объединенных Наций по изменению климата (МГЭИК) предупреждают, что большое количество парниковых газов, выбрасываемых в результате деятельности человека, таких как углекислыйгаз (CO2), метан (CH) и оксид азота (N2O), продолжают изменять климатическую систему Земли, вызывая ряд экологических кризисов, таких как таяние ледников, повышение уровня моря и частые экстремальные климатические события. На этом фоне цель « углеродной нейтральности» « углеродного пика» была включена в повестку дня многих стран и регионов и стала основной стратегией глобального реагирования на изменение климата. Достижение этих целей предполагает точный мониторинг, количественный анализ и эффективный контроль выбросов парниковых газов. Появились системы мониторинга парниковых газов, которые благодаря передовой технической архитектуре и мощным функциям стали « ключом» к разблокированию новых путей точного сокращения выбросов углерода и играют роль в действиях по сокращению выбросов углерода во всех отраслях промышленности.
II. СОСТАВ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
2.1 Состав системы
2.1.1 Модуль отбора проб
Модуль отбора проб отвечает за сбор проб газа из мониторинговой среды для обеспечения репрезентативности проб. При мониторинге атмосферной среды часто используются высотные пробоотборники, которые с помощью профессиональных пробоотборных насосов откачивают газы из атмосферы на разных высотах в пробоотборные трубы и передают их в последующие аналитические блоки. При мониторинге промышленных источников загрязнения, для дымовых труб, выхлопных отверстий и других источников выбросов, будет оснащен высокотемпературным, коррозионно - стойким специальным пробоотборным зондом, глубоко внутри источника выбросов, чтобы получить точные образцы выбросов газов.
2.1.2 Аналитический модуль
Аналитический модуль является центральным элементом системы мониторинга и используется для точного определения концентрации ПГ в пробах газов. В настоящее время основные аналитические методы включают инфракрасный спектральный анализ, лазерный спектральный анализ и газовую хроматографию. В качестве примера можно привести инфракрасный спектральный анализатор, в котором различные молекулы парниковых газов имеют абсорбционные свойства при определенных длинах волн инфракрасного света. Анализатор использует закон Ламбера - Билла для точного расчета концентрации таких газов, как COneneneek и CH. Лазерный спектральный анализ использует взаимодействие лазера с молекулами газа для измерения высокой чувствительности и высокого разрешения парниковых газов.
2.1.3 Модули обработки и передачи данных
Этот модуль отвечает за обработку, хранение и передачу исходных данных, выводимых аналитическим модулем. Модуль обработки данных использует сложные алгоритмы для калибровки исходных данных, фильтрации, удаления аномалий и других операций для улучшения качества данных.
2.1.4 Вспомогательные модули
Вспомогательные модули включают систему электропитания, систему контроля температуры, защитную оболочку и так далее. Стабильные системы энергоснабжения обеспечивают непрерывную работу оборудования мониторинга, в полевых или отдаленных районах, часто с использованием солнечных энергосистем с аккумуляторами для достижения энергетической самообеспеченности. Система управления температурой гарантирует, что ключевые компоненты, такие как аналитические модули, работают при подходящей температуре, повышая точность измерений и стабильность оборудования. Прочная и долговечная защитная оболочка имеет водонепроницаемые, пылезащитные и антикоррозионные функции, так что система мониторинга может адаптироваться к различным суровым природным и промышленным условиям.
2.2 Технические принципы
2.2.1 Принцип инфракрасного поглощения
Многие парниковые газы, такие как CO2, CH и N2O, имеют характерные пики поглощения в инфракрасном диапазоне. Когда красный свет проходит через образцы, содержащие эти газы, инфракрасный свет на определенной длине волны поглощается молекулами газа, что приводит к ослаблению силы света. В соответствии с количественной корреляцией между изменением интенсивности света и концентрацией газа, то есть закон Ламбера - Билла I = I ₀ e ⁻ (в котором I - сила света, I ₀ - сила падающего света, k - коэффициент поглощения, b - длина светового пути и c - концентрация газа), концентрация газа может быть отражена путем измерения изменения интенсивности света. Инфракрасный спектральный анализатор, основанный на этом принципе, имеет преимущества простой структуры, быстрой реакции и высокой точности измерения и широко используется в мониторинге парниковых газов.
2.2.2 Лазерная спектроскопическая технология
Лазерная спектроскопия в основном включает в себя настраиваемый диодный спектр лазерного поглощения (TDLAS) и спектр усиленного поглощения полости (CEAS). Технология TDLAS использует полупроводниковые лазеры для запуска точно настраиваемых лазеров с длиной волны, чтобы точно соответствовать спектральным линиям поглощения целевого парникового газа и измерять концентрацию газа путем обнаружения лазерных поглощающих сигналов. Благодаря высокой монохроматической, направленной и яркой характеристике лазера, технология TDLAS обеспечивает высокую чувствительность и высокое разрешение для обнаружения парниковых газов, особенно для мониторинга газов с низкой концентрацией. Технология CEAS значительно увеличивает световой диапазон взаимодействия света с газом, многократно отражая лазер в полости с высокой отражательной способностью, что значительно повышает чувствительность к обнаружению следовых концентраций парниковых газов.
2.2.3 Принцип газовой хроматографии
Газовая хроматография состоит в том, чтобы вводить образцы газов в хроматографическую колонну с фиксированной фазой, где различные парниковые газы отделяются в хроматографической колонне из - за различных коэффициентов распределения между фиксированной фазой и фазой потока (несущей фазой), а затем последовательно обнаруживаются с помощью детектора. Часто используемые детекторы включают детектор ионизации пламени (FID) для обнаружения углеводородов, детектор электронного захвата (ECD) для обнаружения парниковых газов, содержащих электрические отрицательные элементы и так далее. Газовая хроматография позволяет проводить точное разделение и количественный анализ различных парниковых газов в сложных смесях, имеет преимущества высокой эффективности разделения, высокой избирательности и т. Д. Однако ее цикл анализа относительно длинный и обычно используется для лабораторного точного анализа или сценариев, требующих более высокой точности мониторинга.
III. Применение систем мониторинга парниковых газов в различных сценариях
3.1 Промышленная сфера
3.1.1 Сталелитейная промышленность
В процессе производства стали, от металлургии железной руды до прокатки стали, включает в себя множество связей с высоким потреблением энергии и высоким уровнем выбросов, является ключевой отраслью выбросов парниковых газов. Применение систем мониторинга парниковых газов на сталелитейных заводах, главным образом вокруг доменных печей, конвертеров, нагревательных печей и других источников выбросов. Благодаря установке оборудования мониторинга в дымовых трубах и выхлопных трубах, концентрация и общее количество выбросов CO2, CH и других газов контролируются в режиме реального времени.
3.1.2 Химическая промышленность
Процессы химического производства сложны и включают в себя множество химических реакций, а выбросы парниковых газов разнообразны и сложны по составу. На предприятиях химической промышленности системы мониторинга используются не только для мониторинга распространенных CO2CH, но и для эффективного мониторинга фторсодержащих парниковых газов и т.д. В качестве примера можно привести предприятия фтористой химической промышленности, которые благодаря мониторингу в режиме реального времени фторсодержащих ПГ в производственных цехах и выхлопных отверстиях реакторов могут своевременно обнаруживать утечки в процессе производства и принимать соответствующие меры по восстановлению для сокращения выбросов ПГ с высоким ПГ. Кроме того, система мониторинга в сочетании с программным обеспечением для моделирования химических процессов помогает предприятиям оптимизировать производственные технологические параметры и снизить потребление энергии и выбросы парниковых газов.
3.1.3 Электроэнергетика
В энергетическом секторе, особенно на предприятиях по производству тепловой энергии, процессы выработки электроэнергии на основе угля, топлива или газа производят значительные выбросы CO2b. С одной стороны, система мониторинга парниковых газов, установленная на выходе из дымовой трубы котла электростанции, точно измеряет концентрацию и поток выбросов CO2, предоставляет точные данные для учета выбросов углерода электростанции и помогает участвовать в рынке торговли углеродом. С другой стороны, благодаря долгосрочному мониторингу и анализу данных о выбросах в рабочих условиях различных агрегатов электростанция может оптимизировать стратегию управления сжиганием, скорректировать соотношение топлива, коэффициент избыточного воздуха и другие параметры, чтобы сделать процесс горения более полным, снизить интенсивность выбросов CO2b.
3.2 Сельскохозяйственная сфера
3.2.1 Мониторинг выбросов парниковых газов на сельскохозяйственных угодьях
Сельскохозяйственные угодья являются важным источником выбросов CHnenenebo и N2O. Во время выращивания риса анаэробная среда почвы в затопленных условиях способствует активности метановых бактерий, что приводит к значительным выбросам CH. Применение азотных удобрений на сельскохозяйственных угодьях превращается под воздействием микроорганизмов в выбросы N2O в атмосферу. Мониторинг потоков выбросов CHnenenebo и Nnenenebm O в режиме реального времени осуществляется на различных стадиях роста сельскохозяйственных культур и в рамках различных мер по регулированию удобрений с помощью многоточечного мониторинга на сельскохозяйственных угодьях с использованием статической камерно - газовой хроматографии или оборудования для мониторинга на месте на основе лазерной спектроскопии. Исследования показывают, что рационализация методов орошения риса и использование периодического орошения вместо долгосрочного затопления могут значительно снизить выбросы CH; Оптимизация стратегий применения азотных удобрений, таких как использование удобрений с медленным высвобождением и точных технологий внесения удобрений, может эффективно сократить выбросы N2O.
3.2.2 Мониторинг выбросов парниковых газов в животноводстве и птицеводстве
Выбросы CH в животноводстве происходят главным образом из кишечной ферментации животных и анаэробного разложения навоза. На крупномасштабных фермах выбросы CH и N2O отслеживаются в режиме реального времени путем установки оборудования для мониторинга парниковых газов на фермах, объектах по хранению и обработке навоза.
3.3 Окружающая среда в городах
3.3.1 Мониторинг качества воздуха в городах
Выбросы выхлопных газов от транспортных средств в городах, неорганизованные выбросы из промышленных источников и выбросы из бытовых источников делают парниковые газы важными факторами, влияющими на качество воздуха. В городских районах создаются сетевые станции мониторинга парниковых газов, которые в сочетании с суперстанциями мониторинга атмосферной среды используют высокоточное оборудование мониторинга для мониторинга в режиме реального времени таких газов, как CO2, CH и N2O. Данные мониторинга используются не только для оценки качества воздуха в городах, но и для определения вклада различных источников выбросов парниковых газов с помощью методов анализа источников.
3.3.2 Мониторинг свалок и очистных сооружений
Свалки и очистные сооружения являются важными источниками выбросов CH в городах. На свалках концентрация CH и поток выбросов контролируются в режиме реального времени с помощью контрольных скважин и газовых датчиков, установленных на свалках и на установках по обработке фильтрата. Использование данных мониторинга для рационального планирования методов работы на свалках, таких как своевременное покрытие отходов на свалках, оптимизация систем сбора и использования свалочного газа, использование свалочного газа для производства электроэнергии или отопления, как для сокращения выбросов CH, так и для достижения рекуперации энергии. Установка по очистке сточных вод оптимизирует технологические параметры очистки сточных вод посредством мониторинга CH в анаэробном очистном блоке, повышает эффективность обработки и снижает диссипацию CH.
Преимущества систем мониторинга парниковых газов, способствующих точному сокращению выбросов углерода
4.1 Точное определение источников выбросов углерода
Системы мониторинга ПГ позволяют точно определять источники выбросов ПГ, устанавливая точки мониторинга в различных пространственных масштабах и на различных этапах выбросов. В сложных производственных процессах промышленных предприятий, на каждом этапе от обработки сырья до формирования продукта, система мониторинга может захватывать данные о выбросах в режиме реального времени и определять процессы и оборудование с высоким уровнем выбросов.
4.2 Количественная оценка эффективности сокращения выбросов
Данные долгосрочного и непрерывного мониторинга системы мониторинга позволяют точно количественно оценить фактические результаты действий по сокращению выбросов. Предприятие или регион после принятия мер по энергосбережению и сокращению выбросов, таких как замена эффективного энергосберегающего оборудования, оптимизация производственных процессов, продвижение чистой энергии и т. Д., Благодаря сопоставлению данных о выбросах парниковых газов до и после реализации мер, вы можете интуитивно оценить эффективность сокращения выбросов.
4.3 Оптимизация стратегий сокращения выбросов
Динамические данные в режиме реального времени, предоставляемые системами мониторинга, могут использоваться для моделирования выбросов углерода и прогнозирования тенденций выбросов ПГ в рамках различных стратегий сокращения выбросов. На основе моделирования различных вариантов сокращения выбросов были отобраны лучшие комбинации стратегий.
4.4 Гарантии соблюдения
По мере того, как глобальные правила сокращения выбросов углерода становятся все более жесткими, компании и организации сталкиваются с огромным давлением на соблюдение. Точные и надежные данные, предоставляемые системой мониторинга парниковых газов, отвечают требованиям учета, отчетности и проверки выбросов углерода и обеспечивают, чтобы предприятия действовали в соответствии с правилами в таких политических условиях, как рынок торговли углеродом и сбор налогов на выбросы углерода.
V. ТЕНДЕНЦИИ В ОБЛАСТИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ
5.1 Технологические инновации способствуют повышению точности мониторинга
В будущем, с углубленным применением новых технологий, таких как квантовые каскадные лазеры (QCL) и спектроскопия света и звука (PAS) в области мониторинга парниковых газов, точность и чувствительность систем мониторинга будут еще более улучшены. Технология QCL может генерировать лазеры с более широким диапазоном волн и более высокой мощностью для мониторинга следов большего числа парниковых газов; Технология PAS значительно повышает чувствительность к обнаружению, обнаруживая акустические сигналы, возникающие после поглощения световой энергии газом, и, как ожидается, обеспечит точное измерение очень низких концентраций парниковых газов в атмосфере, что обеспечит более точные данные для глобальных исследований изменения климата.
5.2 Углубление интеллекта и автоматизации
С помощью алгоритмов искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения (ML) системы мониторинга парниковых газов будут обеспечивать интеллектуальную обработку и анализ данных. Алгоритмы ИИ могут автоматически распознавать аномалии данных, прогнозировать неисправности оборудования и повышать стабильность работы системы; Алгоритмы ML позволяют глубже анализировать массивные данные мониторинга, создавать более точные модели выбросов углерода и обеспечивать интеллектуальную прослеживаемость и динамическое прогнозирование источников выбросов парниковых газов. В то же время, автоматизированное оборудование мониторинга будет постоянно обновляться, с автоматической калибровкой, автоматическим отбором проб, автоматической очисткой и другими функциями, уменьшать ручное вмешательство, снижать затраты на транспортировку и обслуживание, повышать эффективность мониторинга.
5.3 Интеграция данных из нескольких источников и синергический мониторинг
Чтобы полностью понять динамику выбросов парниковых газов, будущая система мониторинга будет объединять данные спутникового дистанционного зондирования, данные наземного мониторинга и данные восприятия Интернета вещей из многих источников. Спутниковое дистанционное зондирование может предоставить широкий спектр макроскопической информации о распределении концентрации парниковых газов, наземные станции мониторинга для достижения точных измерений с фиксированной точкой, а оборудование Интернета вещей для точного восприятия местных районов, таких как города и промышленные парки. Создать более всеобъемлющую и трехмерную сеть мониторинга парниковых газов с помощью анализа слияния данных из нескольких источников для достижения синергического мониторинга и комплексной оценки выбросов углерода в различных масштабах на глобальном, региональном и местном уровнях.
5.4 Миниатюризация и портативное развитие
С развитием технологии микромеханических и электрических систем (MEMS) оборудование для мониторинга парниковых газов будет двигаться в направлении миниатюризации и переносимости. Небольшие портативные устройства могут быть легко развернуты в более сложных сценариях. В то же время это облегчает исследователям проведение полевых наблюдений, доступ к более богатым данным из первых рук, способствует переходу мониторинга парниковых газов от фиксированных сайтов к диверсифицированному и распределенному мониторингу, расширяет широту и глубину применения мониторинга.
VI. ВЫВОДЫ
Системы мониторинга парниковых газов играют незаменимую роль в мониторинге и управлении выбросами углерода во многих областях, таких как промышленность, сельское хозяйство и городская среда, в качестве ключевой технической поддержки для достижения точного сокращения выбросов углерода. Благодаря точному позиционированию источников выбросов углерода, количественной оценке эффективности сокращения выбросов, оптимизации стратегий сокращения выбросов и обеспечению соблюдения правил, был открыт новый путь к точному сокращению выбросов углерода для глобального реагирования на изменение климата и достижения цели углеродной нейтральности. По мере того, как технологические инновации продолжают продвигаться вперед, будущая система мониторинга парниковых газов будет продолжать прорыв в повышении точности, интеллектуальном развитии, интеграции данных из нескольких источников и малой портативности, что еще больше повысит возможности мониторинга и контроля выбросов парниковых газов и внесет больший вклад в защиту экологической среды Земли и содействие устойчивому развитию человеческого общества.