Экологический мониторинг аэрозолей с цементной дисперсной фазой

УДК 504.064.38

Экологическим мониторинг аэрозолей с цементной дисперсном фазой

В. В. Дьяченко, С. В. Половченко, В. В. Роговский, П. В. Чартий

В статье рассмотрены проблемы экологического мониторинга атмосферного воздуха, подвергающегося загрязнению цементными аэрозолями. Предложены лазерные методы дистанционного зондирования, позволяющие в реальном времени оценить степень аэрозольного загрязнения и визуализировать потоки загрязняющих веществ в части аэрозолей.

Ключевые слова: лидар; аэрозоль; лазер; загрязнение; атмосфера.

Развитие экономики, увеличение числа единиц автотранспорта приводят к росту загрязнения окружающей среды в крупных городах. Распространение загрязнения в основном осуществляется воздушным путем, и результаты исследования атмосферного воздуха подтверждают высокий уровень загрязнения городов. Например, в Новороссийске в течение двух недель было отобрано более 600 проб воздуха во всех частях города и проведены анализы по 4 компонентам. Сравнение с ПДК показало, что превышение по Н^ обнаружено в 4 % проб, NO2 — 6 %, N0 — 30 %, СО — 54 % [Дьяченко и др., 2012]. Отметим, что работа была проведена в сравнительно благополучное время — в конце октября, когда уже схлынули массы отдыхающих, количество транспорта уменьшилось, улучшились условия перемешивания приземного воздуха и т. д.

Однако загрязнение атмосферного воздуха формируется за счет не только газообразных веществ, но и аэрозольных частиц, не менее опасных для здоровья. В Новороссийске важнейшими источниками аэрозольного загрязнения являются предприятия цементной, металлургической промышленности и автотранспорт. При этом географическое расположение города и практически неограниченные ресурсы качественного мергеля, который является цементным сырьем, обусловливают дополнительные вводы мощностей по производству цемента. В связи с этим актуальность решения проблемы загрязнения воздуха цементной пылью возрастает.

Оперативный мониторинг аэрозольного загрязнения прямыми методами (например, гравиметрическим) не позволяет получать измерительную информацию о загрязнении в реальном времени и, как следствие, принимать оперативные решения по предотвращению аварийных ситуаций. Большей информативностью и оперативностью обладают дистанционные автоматические средства. Дело в том, что насыщенность города крупными предприятиями со строгим пропускным режимом, размещение по соседству предприятий со сходным профилем загрязнения сводят на нет попытки установить источник и масштабы загрязнения после получения сигналов. Пока природоохранные организации отреагируют, соберут группу для отбора проб, получат разрешение о допуске на территорию предполагаемых виновников загрязнения и проникнут на место для забора проб, ситуация может кардинально измениться. Необходима организация дистанционного мониторинга с достаточным пространственно-временным разрешением. При этом административное управление таким контролем лучше поручить оперативным службам города. Для этого больше всего подходят дистанционные методы, такие, например, как лидарный метод зондирования.

Лидаром является оптический прибор, регистрирующий под заданным углом рассеянное мишенью лазерное излучение. В нашем

случае мишень — это аэрозольное облако [Зуев и др., 1986; Шеманин и др., 2005]. Для интерпретации рассеянного аэрозольными частицами излучения необходимо предварительное теоретическое и экспериментальное исследование материала дисперсной фазы аэрозоля на предмет зависимости рассеяния лазерного излучения от угла зондирования и длины волны зондирующего излучения, а также измерение интенсивности рассеянного излучения в зависимости от концентрации частиц.

Аэрозольное загрязнение в основном формируется промышленными аэродисперсными потоками, из которых после прохождения нескольких стадий очистки удаляется основная доля крупных частиц, а оставшиеся выбрасываются в атмосферу. При этом каждую ступень очистки можно рассматривать как аэродинамический классификатор. В работе [Половченко и др., 2011] проведен статистический анализ 120 функций массового (весового) распределения частиц по размерам готового продукта и их производных, полученный в результате трансформации вплоть до выхода из последнего классификатора, а также смоделирована трансформация спектра размеров частиц. Предложено оценивать дисперсность аэрозольных частиц на основе модифицированного метода спектральной прозрачности (ММСП), и представлен алгоритм выбора оптимальных длин волн.

Расчёт оптимальных длин волн для оценивания дисперсности частиц показал, что на выходе последнего классификатора необходимо использовать излучение с длинами волн, общедоступные и недорогие излучатели которых в настоящее время отсутствуют. На примере длин волн, использовавшихся в работе [Половченко и др., 2011] по измерению дисперсного состава аэрозоля, показано, что невозможно восстанавливать спектры размеров частиц при нормальной работе очистного оборудования. Поэтому целью настоящей работы является применение, кроме ММСП, и метода интегрального светорассеяния (МИСР) для одновременного измерения параметров дисперсного по-

тока. Метод интегрального светорассеяния лишен этого недостатка, т. к. в нем используется ещё и угловая зависимость рассеяния света аэрозольными частицами.

Для достижения поставленной цели были выполнены эксперименты на специальном пылевом стенде [Чукардин, Чартий, 2003] (рис. 1), на основании которых получены зависимости сигналов рассеянного и ослабленного излучения от параметров аэрозолей.

Рис. 1. Схема пылевого стенда:

1 — аэрозольные частицы; 2 — направляющие лопатки;

3 — генератор аэрозольных частиц; 4 — направление движения пыли;

5—13 — средства измерения параметров аэродисперсных потоков;

14 — вентилятор; 15 — газоход; 16 — байпасный отвод; 17 — электронагреватель

Пылевой стенд представляет собой газоход с квадратным поперечным сечением со стороной 400 мм, выполненный в вертикальной плоскости в виде замкнутого контура, в разрыв которого включен центробежный вентилятор, позволяющий задавать линейную скорость газового потока в пределах от 0 до 25 м/с, что практически перекрывает значения скоростей, встречающихся в промышленных условиях. Для исключения нарушений равномерности газового потока, которые могут возникать после его прохождения в вентиляторе и при изменении направления движения потока в каждом изгибе контура, предусмотрены поворотные газоотсекающие лопатки, которые устанавливаются и фиксируются оптимальным образом.

На стенке газохода стенда установлен импульсный генератор аэрозоля, обеспечивающий заданное введение исследуемого материала непосредственно в поток. Для быстрого проветривания стенда на одном из участков предусмотрен байпасный отвод в атмосферу, через который поток выбрасывается в атмосферу, а концентрация частиц становится равной нулю.

Для проведения измерений на прямом участке трубы установлены устройства для определения концентрации и дисперсного состава аэрозоля методом спектральной прозрачности (рис. 2) и методом интегрального светорассеяния (рис. 4).

В экспериментах на основе ММСП измерение ослабления лазерного излучения происходит в поперечном сечении вертикальной части газохода на трёх длинах волн в видимой части спектра: 405, 532, 650 нм. Структурная схема каждого канала на каждой длине волны одинакова и построена по дифференциальной схеме с целью повышения точности за счет максимальной компенсации дестабилизирующих факторов в излучателях и фотоприёмниках. Сигналы каждого канала через многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступают в персональный компьютер для регистрации и по-

Рис. 2. Схема расположения установки МСП:

ЛИ — источник лазерного излучения; ФПО и ФПИ — опорный и измерительный фотоприемники; АДИ и АДО — измерительный и опорный амплитудные детекторы; УМ — усилитель мощности;

АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ПК — персональный компьютер

следующей обработки. Экспериментальные исследования были выполнены на цементном аэрозоле с известным начальным спектром размеров. Полученные результаты показывают возможность использования ММСП в лазерной диагностике индустриальных аэро-дисперсных потоков. При этом представляет интерес расширение исследований за счет использования длин волн не только в видимой, но и в ближней ИК-области спектра, что позволит определить морфологию взвешенных частиц, необходимую для определения источника аэрозолей.

Отсчеты

1 500 \ 1000 1500 V., , ^3 2000 2500 3000 3500 4000 /''”*"4500 50 30

0,2

Рис. 3. График зависимости интенсивности лазерного излучения от времени

На рисунке 3 показан график зависимости интенсивности лазерного излучения, прошедшего через запыленный поток, от времени. Измерение длилось 15 минут. На графике каждой секунде соответствует 5,5 отсчетов. В начале эксперимента интенсивность излучений опорного и измерительного каналов одинакова, т. к. стенд выключен. После запуска стенда находящаяся в нём пыль частично захватывается потоком и начинает циркулировать в стенде, разбалансируя установку. После впрыска пыли наблюдается резкое ослабление сигнала. Через несколько минут начинается осаждение крупных частиц, затем более

Рис. 4. Схема установки для одновременного проведения измерений методом спектральной прозрачности и методом интегрального светорассеяния:

1 — источники лазерного излучения; 2 — светофильтры; 3 — зеркала;

4 — светоделительные стёкла; 5 — опорный фотоприемник; 6 — лазерный пучок; 7 — газоход; 8 — аэродисперсный поток; 9 — фотоприемник (МИСР);

10 — направляющая фотоприемника; 11 — фотоприемник

мелких. Разница во времени их осаждения позволяет определить концентрацию и дисперсный состав исследуемого аэрозоля.

Для объединения методов спектральной прозрачности и интегрального светорассеяния планируется провести эксперимент (рис. 4) с тремя источниками лазерного излучения (1) на длинах волн 405, 532, 650 нм. Модулированные лазерные лучи, пройдя через светофильтры (2) и светоделительные стекла (4), проходят через сечение замкнутого газохода (7), в котором на момент измерений циркулирует аэроди-сперсный поток (8). Проходя через поток, лазерный луч рассеивается. Ослабление луча регистрируется фотоприемником (11), в то время как рассеянное излучение под разными углами фиксируется фотоприемником (9), который перемещается по направляющей (10). Для метода спектральной прозрачности предусмотрен опорный фотоприемник (5), регистрирующий начальную интенсивность лазерного излучения.

В результате измерения методом интегрального светорассеяния будет определена индикатриса рассеяния Ми, которую можно сравнить с теоретическими расчетами [Половченко и др., 2011] и с результатами эксперимента с использованием метода спектральной прозрачности.

Полученные результаты позволяют организовать как мониторинг промышленных аэрозолей — в газоходах, на источниках выбросов, — так и зондирование загрязнения в атмосферном воздухе аэрозольным лидаром, реализующим эти два метода измерения. Для оперативного контроля концентрации и дисперсного состава аэрозоля непосредственно на источнике загрязнения авторы предлагают модифицированные методы спектральной прозрачности или интегрального светорассеяния — в зависимости от дисперсности. При нормальной работе очистного оборудования дисперсный состав выбрасываемых в атмосферу частиц постоянен во времени. В случае выхода из строя какой-либо ступени очистки дисперсный состав выбрасываемых частиц резко меняется. Так как контроль потока осуществляется в реальном време-

ни, появляется возможность оперативно отреагировать на аварийную ситуацию.

На основании экспериментов, проведённых методом интегрального светорассеяния, можно сделать вывод о необходимости использования в таком лидаре оптической бистатической схемы, структурная компоновка которого приведена далее (рис. 5). Такой лидар позволит

Рис. 5. Структурная схема бистатического лидара:

1 — аэрозольное облако; 2 — корпус лидара; 3 — блок лазеров;

4 — фотоприемник; 5 — сферическое зеркало; СД — синхронный детектор; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ПК — персональный компьютер

не только контролировать промышленные аэрозольные выбросы, но и отслеживать распределение аэрозолей в нижних слоях атмосферного воздуха.

Таким образом, лазерные технологии в силу высокой чувствительности и избирательности, а также благодаря быстродействию в обработке результатов измерений могут стать основой для контроля аварийных выбросов загрязняющих веществ над промышленными предприятиями. Причем для комплексного экологического мониторинга можно объединить на одной платформе аэрозольный лидар и, например, лидарную систему контроля выбросов промышленных углеводородов или других компонентов. Подобная система может работать в заданном алгоритме круглосуточно, формируя объемную модель загрязнения воздуха над городом, изменяя периодичность замеров и подавая сигнал при заданном превышении уровня концентраций. Благодаря большой дальности (до 6 км) и высокой точности (7—8 м) данная система оперативно определит место и время аварийного выброса, что позволит оперативно принять меры по ликвидации аварии, локализации загрязнения и оповестит о его масштабах, скорости перемещения и зоне влияния.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.

Литература

1. Архипов В. А. Лазерные методы диагностики гетерогенных потоков : учебное пособие. — Томск : Изд-во Том. ун-та, 1987. — 140 с.

2. Дьяченко В. В. Проблемы техногенного преобразования ландшафтов Российского Причерноморья / В. В. Дьяченко, И. Ю. Матасова, В. В. Ро-говский // Безопасность в техносфере. — 2012. — № 5. — С. 24—29.

3. Зуев В. Е. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей / В. Е. Зуев, Б. В. Кауль, И. В. Самохвалов. — Новосибирск : Наука, 1986. - 188 с.

4. Половченко С. В. Решение обратной задачи лазерного зондирования индустриальных аэрозолей / С. В. Половченко, В. В. Роговский, П. В. Чартий, В. Г. Шеманин // Сборник докладов 21-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация», 2011. — Т. 1. — Санкт-Петербург : СПбГПУ, 2011. - С. 173-181.

5. Половченко С. В. Идентификация спектров размеров индустриальных аэрозолей лазерными методами зондирования / С. В. Половченко, В. В. Роговский, П. В. Чартий, В. Г. Шеманин // Сборник докладов 20-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация», 2010. — Т. 1. — Санкт-Петербург : СПбГПУ, 2010. — С. 145-160.

6. Чукардин В. Е. Стенд для моделирования промышленного пылегазового потока / В. Е. Чукардин, П. В. Чартий // Безопасность жизнедеятельности. — 2003. — № 9. — С. 50—52.

7. Шеманин В. Г. Исследование дисперсного состава приземного атмосферного аэрозоля оптическими методами / В. Г. Шеманин, П. В. Чартий, В. В. Дьяченко // ЛАЗЕР-ИНФОРМ. — 2005. — № 18. — С. 7—10.

© Дьяченко В. В., Роговский В. В., Чартий П. В., Половченко С. В., 2012

Ecological Monitoring of Aerosols with Cement Dispersed Phase

V. Dyachenko, S. Polovchenko, V. Rogovskiy, P. Chartiy

The article covers the problems concerning ecological monitoring of the atmospheric air polluted by cement aerosols.

The authors propose laser methods of remote sensing allowing for real-time evaluation of the aerosol pollution degree and visualization of pollutant flows in the aerosols part.

Key words: LIDAR; aerosol; laser; pollution; atmosphere.

Дьяченко Владимир Викторович, доктор географических наук, профессор, декан факультета управления и промышленности, Новороссийский политехнический институт, филиал ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет (Новороссийск), v-v-d@mail.ru.

Dyachenko, V., Doctor of Geography, professor, Dean of Faculty of Management and Industry, Novorossiysk Polytechnic Institute, branch of Kuban State Technological University (Novorossiysk), v-v-d@mail.ru.

Роговский Виктор Викторович, аспирант, инженер кафедры тех-носферной безопасности и экологии, Новороссийский политехнический институт, филиал ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет (Новороссийск), victorinc@yandex.ru.

Rogovskiy, V., post-graduate student, engineer, Department of Technosphere Safety and Ecology, Novorossiysk Polytechnic Institute, branch of Kuban State Technological University (Novorossiysk), victorinc@yandex.ru.

Чартий Павел Валикович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общенаучных дисциплин, Новороссийский политехнический институт, филиал ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет (Новороссийск), pvc-60@yandex.ru.

Chartiy, P., PhD in Physical and Mathematical Sciences, associate professor, Department of General Scientific Disciplines, Novorossiysk Polytechnic Institute, branch of Kuban State Technological University (Novorossiysk), pvc-60@yandex.ru.

Половченко Светлана Васильевна, старший преподаватель кафедры инженерных дисциплин, Новороссийский политехнический институт, филиал ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет (Новороссийск), polosveta@mail.ru.

Polovchenko, S., senior lecturer, Department of Engineering Disciplines, Novorossiysk Polytechnic Institute, branch of Kuban State Technological University (Novorossiysk), polosveta@mail.ru.