определение состава и коэффициентов эмиссии продуктов

88
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА И КОЭФФИЦИЕНТОВ
ЭМИССИИ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ЛЕСНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Гришин А.М., Воронин Б.А., Долгов А.А., Сафронов В.С., Сердюков В.И.
, Синица Л.Н. , Поплавский Ю.А., Цвык Р.Ш.
Томский государственный университет
634050, Томск, пр. Ленина, 36
Тел.: (3822) 426169, факс: (3822) 426195; е-mail: fire@fire.tsu.tomsk.su
*Институт оптики и атмосферы СО РАН
634055, Томск, пр. Академический, 1
Тел.: (3822)259972
В работе, в продолжение ранее выполненных [1, 2], приведены
результаты исследований процесса генерации поллютантов при
горении лесных материалов. Применялись оптико-акустический и
спектрофотометрический методы исследования на установках
низовых лесных пожаров УНЛП-1 и УНЛП-2, расположенных в
Томском госуниверситете и в Большой аэрозольной камере
Института оптики атмосферы СО РАН.
Описание
экспериментальной
установки.
Контроль
парниковых газов и вредных веществ в атмосферном воздухе
является одной из основных задач в экологии и климатологии. Для
разрешения ее необходимо располагать высокочувствительными и
надежными методиками и приборами. Наиболее надежными и
селективными приборами являются ИК-спектрометры. В то же время
малогабаритные и простые в использовании ИК-спектрофотометрыгазоанализаторы практически отсутствуют.
В Институте оптики атмосферы СО РАН разрабатывается
спектрофотометрический
газоанализатор
для
определения
содержания парниковых газов в ИК-диапазоне в атмосферном
воздухе и для оперативного качественного и количественного
анализа и динамического контроля концентрации газовых
компонент в процессе технологических циклов. На рис.1 показан
внешний вид спектрофотометрического газоанализатора.
Как известно, поглощение оптического излучения веществом в
линейном случае описывается законом Бугера–Ламберта–Бэра:
I()=I0()exp[–K()L],
(1)
который связывает интенсивность излучения I() (где  - длина
волны излучения) на выходе поглощающей среды длиной L и
спектральный коэффициент поглощения K() c интенсивностью
падающего на среду света I0().
89
Рис.1. Спектрофотометрический газоанализатор (разработка ИОА
СО РАН)
I() и I0() могут быть получены из эксперимента, после чего
можно определить K() из (1) и найти концентрацию газа.
Прибор представляет собой быстросканирующий
ИК-спектрофотометр с регистрацией и обработкой спектрального
сигнала на ПЭВМ. Записываемый спектр поглощения сравнивается
со спектрами поглощения эталонных образцов, которые занесены в
базу данных компьютера, а затем анализируется с использованием
оригинального программного обеспечения. Схема прибора
предельно упрощена, механические нестабильности отслеживаются
и учитываются при регистрации сигнала на ПЭВМ. Общая
функциональная схема спектрометра представлена на рис.2. В
качестве основной оптической схемы выбрана схема Эберта: О осветитель, З - сферические зеркала, ДР - дифракционная решетка,
Ф - фотоприемник, Щ - оптические щели.
Отличие от типичных дифракционных спектрометров
заключается в быстром, контролируемом вращении дифракционной
решетки и использовании ЭВМ для корректировки получаемых
спектров. Спектр I0() пустой кюветы запоминается в буфере, а
затем, после регистрации I(), находится K().
Вращаясь в плоскости дисперсии, решетка последовательно
отражает весь спектральный диапазон, однако ЭВМ будет
воспринимать только тот участок спектра, который определяется
датчиками,
расположенными
в
блоке
синхронизации.
90
Нежелательное наложение порядков отсекается фильтром. Блок
синхронизации предназначен для формирования сигналов
синхронизации сканирования спектра и синхроимпульса реперного
сигнала.
Элементами
синхронизации
сигналов
являются
магниточувствительные датчики и магнит, расположенный на диске
вращения решетки.
Рис.2. Функциональная схема спектрофотометрического
газоанализатора
При проведении измерений выходной сигнал и синхросигнал
поступают в компьютер на интерфейс, в состав которого входит
АЦП (аналого-цифровой преобразователь). После получения
оцифрованного сигнала в ЭВМ происходит обработка спектра по
специально разработанным программам и его анализ при усреднении
по 50-1000 реализациям спектра.
Спектральный диапазон  работы прибора - 1000  4500 нм.
Время сканирования и обработки одной реализации спектра – 0.5-1
с, фотометрическая чувствительность по пропусканию (при L = 2175
см и 1000 реализаций спектра) - до 510-7, спектральное разрешение 10 см-1.
Предварительные
эксперименты
показали,
что
на
спектроанализаторе (за время 1-5мин) надежно регистрируются
основные парниковые газы (H2O, CO2, CO и др.), метан (CH4) на
уровне 0,3-0,5 ррm (фоновое содержание метана в атмосфере 1,7
ррm), ацетилен (C2H2) на уровне 0.5-1 ррm и суммарное содержание
летучих фракций легких углеводородов на уровне 1-2 ррm.
91
Высокая чувствительность измерений и оперативность
спектрофотометра дают возможность одновременного определения
концентрации нескольких газов. Это позволяет эффективно
использовать газоанализатор для исследования и контроля
продуктов пиролиза и горения лесных материалов.
2. Результаты экспериментов и их анализ. На
спектрофотометре была проведена регистрация спектров продуктов
горения опада хвои кедра с влагосодержанием W  1% при
сжигании пяти проб по 0.4 кг с интервалом 30 мин и заборе газа из
факела пламени на разных уровнях по высоте. Все эксперименты
проводились при физическом моделировании низовых лесных
пожаров на лабораторной установке УНЛП-2, расположенной в
Большой аэрозольной камере (БАК) Института оптики атмосферы
СО РАН объемом 1800 м3 при температуре 19С, влажности 60% и
при незначительной естественной вентиляции через отверстие в
верхней части камеры. Длина оптического пути была выбрана L=825
см при N=5 проходах в кювете [L=(2+4xN)x37.5], а спектральный
диапазон - 1900 - 3800 нм. Фоновый сигнал излучателя I0()
регистрировался в атмосфере азота. Все измерения проходили при
накоплении по 100 спектрам. Спектры поглощения в выбранном
ИК-диапазоне как в верхней части пламени – над зоной свечения
(область 1), так и в нижней части, в непосредственной близости
перед фронтом пламени – 1  2 см над слоем ЛГМ (область - 2)
определяются в основном водяным паром, СО2, CO, CH4 и набором
не идентифицированных углеводородов. На рис.3 приведены два
фрагмента спектров поглощения продуктов горения опада хвои
кедра при заборе газа для анализа в областях 1 и 2.
92
0,0010
K(v)
0,0008
см
область-1
-1
0,0006
CO2
0,0004
CH4
0,0002
0,0000
0,0010
K(v)
0,0008
см
2000
2500
3000
3500
нм
область-2
-1
H2 O
0,0006
CnHm
0,0004
C2H2
CO
0,0002
0,0000
2000
2500
3000
3500
нм
Рис.3. Фрагменты спектров поглощения продуктов горения опада
хвои кедра в областях 1 и 2.
В
качестве
справочных
данных
и
характеристик
используемого спектрофотометрического газоанализатора в табл. 1
приведены ПДК (предельно допустимые концентрации), ПРК
(предельно регистрируемые концентрации) определяемых в
эксперименте газов и ошибка S измерения их концентрации.
Таблица 1
Значения предельно допустимых и предельно регистрируемых
прибором концентраций (ПДК и ПРК) определяемых газов. Ошибка
измерений концентраций газов спектрофотометрическим
газоанализатором
H2O
CO2
CO
CH4
C2H2
CnHm
500
300
Параметры
ПДК
-
ПРК
50
50009000
20
Диапазон
10-
15-
мг/м3
10-15
300
7
2
4
3
4-700
1-500
20-900
4-3000
93
измерений
S%
30000
40
10000
15
5
10
20
25
Количественный анализ продуктов горения ЛГМ проводился в
пробах, взятых из областей 1 и 2. В табл. 2 приведены данные по
концентрациям отдельных газов (мг/м3 = 0,044 ррm,  молекулярный вес газа).
Таблица 2
Качественный и количественный состав продуктов горения ЛГМ
H2O*
Область
1
2
20550
19150
CO2
6750
6660
CO
CH4
Ррm
576
384
110
49
C2H2
85
4
CnHm
625
73

Для H2O верхняя граница диапазона измерений ограничена
температурой (точкой росы) системы забора пробы.
Методика
проведения
эксперимента
предусматривала
регистрацию фонового содержания в БАКе паров H2O, CO2, CO,
CH4, C2H2 и CnHm в течение всего цикла измерений. Измерения
проводились после полного сгорания каждой из пяти проб ЛГМ. Все
данные по фоновым концентрациям в БАКе отдельных газов
приведены в табл. 3.
Таблица 3
Количественное содержание продуктов горения ЛГМ в Большой
аэрозольной камере после последовательного сжигания пяти навесок
ЛГМ (ЛГМ – опад кедра; масса одной навески – 0.4 кг)
№
пробы
1
2
3
4
5
H2O
CO2
CO
CH4
C2H2
CnHm
6
7
11
15
16
2
-1
12
16
14
11
17
16
32
31
pрm
12530
13920
14250
16200
17800
565
680
730
840
935
8
6
15
19
28
94
На основе данных, представленных в табл. 3, были построены
графики изменения фоновой концентрации газов в БАКе при
последовательном сжигании по 0.4 кг пяти проб опада кедра.
Графики приведены на рис.4.
18000
H 2O
900
16000
Sd=467
800
CO 2
Sd=17
k=90
k=1280
700
14000
600
12000
1
30
2
3
4
5
0
15
CO
2
3
4
5
2
3
4
5
2
3
4
5
CH 4
Sd=1.1
Sd=3.3
20
1
10
k=5.3
10
k=2.8
5
0
1
2
3
4
5
C 2H 2
15
0
30
Sd=5.2
Sd=4.5
10
1
C nH m
20
k=4.1
k=4.6
5
10
0
0
1
2
3
4
5
0
1
Рис.4. Зависимость концентрации продуктов горения ЛГМ в БАКе
от количества сжигаемых навесок опада хвои кедра
По осям ординат отложены номера сгоревших проб,
абсциссам соответствует концентрация газов в ррm; Sd –
среднеквадратичное отклонение в ррm, а k - средний прирост
концентрации в ррm при сжигании одной пробы ЛГМ.
Анализ состава воздушных газов в БАКе в период проведения
экспериментов говорит о существенной эмиссии вредных
химических веществ при горении ЛГМ. Эксперименты показали, что
при использовании ИК-спектрофотометров появляется возможность
получения дополнительной информации о количественном составе
газовых смесей при контроле продуктов пиролиза и горения лесных
горючих материалов. В частности, на основе полученных данных о
количественном составе продуктов горения ЛГМ можно с высокой
точностью определить коэффициенты эмиссии поллютантов для
различных режимов горения (пламенное горение, тление) лесных
материалов.
95
По результатам данных исследований были рассчитаны
коэффициенты эмиссии Kn продуктов горения опада кедра. Здесь
индекс «n» меняется от 1 до 6 и соответствует типу поллютанта: n =
1 – вода; 2 – диоксид углерода; 3 – оксид углерода; 4 – метан; 5 –
ацетилен; 6 – неидентифицированные углеводороды. Коэффициенты
эмиссии рассчитывались по выражению
4.4  10 8 C n VБАК
Kn 
,
M 0 (1  K н )
где  - молярная масса газа, г/моль; Cn – средний прирост
концентрации определяемого газа в ppm при сжигании одной пробы
ЛГМ; VБАК – объем большой аэрозольной камеры, м3; M0 – масса
навески ЛГМ, равная 0.4 кг; Kн – коэффициент недожига ЛГМ,
равный 0.2.
Результаты расчета коэффициентов эмиссии продуктов
горения опада кедра приведены в табл. 4.
Таблица 4
Коэффициенты эмиссии продуктов горения опада кедра с
влагосодержанием 1%
Поллютант
H2O
CO2
CO
CH4
C2H2
CxHy
Молярная
18
44
28
16
26
 30
масса, г/моль
Концентрация, 1280,0
90,0
5,3
2,8
4,1
4,6
ppm
Коэффициент
5,869
1,007
0,037
0,010
0,026
0,050
эмиссии (Kn)
В работе [1] была предложена методика определения
коэффициентов эмиссии углекислого газа, основанная на
использовании оптико-акустического метода, реализованного в
экспериментальной установке, собранной на базе газоанализатора
ГИАМ-15. В работе были определены коэффициенты эмиссии
углекислого газа при горении опада и живой хвои кедра, а также
лишайника Cladonia. В рамках данной работы были продолжены
эксперименты на установке с газоанализатором ГИАМ-15. Был
расширен спектр исследуемых ЛГМ, который состоял из опадов
кедра с влагосодержанием W=3.5%, лиственницы, сосны W  1%,
живой хвои кедра с W=85%, ели, пихты, а также лишайника Cladonia
W  1% и мха Шребера (W  1%.
Коэффициенты эмиссии углекислого газа, полученные на
основе данных из [3], меньше коэффициентов, полученных в
экспериментах и представленных в табл. 5, на 93%.
96
Таблица 5
Результаты экспериментального исследования эмиссии углекислого
газа при горении лесных горючих материалов
Тип ЛГМ
Масса
навески
ЛГМ,
мг
Влагосодержание
ЛГМ,
W,%
Объем
петли
кранадозатора, см3
Среднее (по
СтанКоэф40 измередартное
фициниям)
относиент
значение
тельное
эмисконцентраотклосии
ции СО2 в
нение
СО2
кювете
резульГИАМ-15,
татов
ppm
Опад
5.4
0.2
8.833
1.853
0.796
кедра
3.44
5.6
0.2
9.383
1.346
0.816
6.6
0.2
17.714
2.064
1.306
Живая
6.0
0.2
9.230
1.643
0.749
хвоя кедра
84.92
6.0
0.2
8.343
1.714
0.677
8.2
0.2
8.743
1.587
0.519
Лишай6.0
0.2
12.643
1.957
1.026
ник
5.4
0.2
14.329
2.100
1.292
 1.00
Сladonia
8.3
0.2
17.571
1.814
1.030
Опад
2.0
0.2
4.257
0.914
1.036
лиственни
4.0
0.2
10.550
3.138
1.284
 1.00
-цы
4.0
0.2
11.171
2.600
1.359
Опад
4.5
0.2
18.114
2.204
1.959
сосны
6.1
0.2
22.256
2.329
1.776
 1.00
4.2
0.2
21.057
2.471
2.440
Опад ели
5.0
0.2
17.543
1.043
1.708
5.2
0.2
20.571
1.647
1.926
 1.00
4.0
0.2
15.143
2.363
1.843
Опад
6.0
0.2
13.114
1.957
1.064
пихты
4.6
0.2
14.571
1.386
1.542
 1.00
2.18
0.2
8.343
1.857
1.863
Мох
4.5
0.2
20.829
2.643
1.097
Шребера
4.9
0.2
15.886
1.920
1.578
 1.00
4.1
0.2
17.857
1.569
2.120
Среднее (по всем исследуемым ЛГМ) значение коэффициента эмиссии
Среднее
значение
коэффициента
эмиссии СО2,
KCO2 
(P=0.95)
0.9730.129
0.6480.129
1.1160.129
1.2260.129
2.0580.129
1.8260.129
1.4900.129
1.5980.129
1.3670.129
Такое различие объясняется тем, что авторы работы [3] при
получении коэффициентов эмиссии, с одной стороны, основывались
на результатах замеров количества СО2, продуцируемого горящими
лесами Бразилии, в натурных условиях, что само по себе
предполагает большие погрешности, а с другой – относили данное
количество углекислого газа к количеству фитомассы, сгоревшей в
пожаре.
При оценках количества сгоревшей биомассы авторы
пользовались усредненным по всей выгоревшей в пожаре площади
97
коэффициентом недожога, что приводит к погрешностям. В расчетах
использовались осредненные значения влагосодержания лесных
горючих материалов, что также приводит к значительным
погрешностям, поскольку фитоценоз влажных тропических лесов
разнообразен в видовом отношении, в процентном соотношении
видов на различных площадях лесной территории, а также в
значениях влагосодержания лесных горючих материалов.
Сравнение коэффициентов эмиссии углекислого газа,
полученных оптико-акустическим методом с коэффициентами
эмиссии,
полученными
спектрофотометрическим
методом,
показывает хорошее совпадение результатов, что подтверждает
достоверность результатов, полученных двумя независимыми
способами.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ
№ 98-01-03005, 00-02-16747, 99-01-00363, 99-03-33210, ФЦП
«Интеграция» (проект «Академический университет») и ФЦП
«Университеты России».
Литература
1. Долгов А.А., Сафонов В.С. Лабораторные исследования
эмиссии диоксида углерода при горении лесных материалов
//Сопряженные задачи механики и экологии: Избр. докл. междунар.
конф. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000. 264 с.
2. Гришин А.М., Долгов А.А., Воронин Б.А. и др.
Спектрофотометричекское определение содержания продуктов
горения лесных материалов //Сопряженные задачи механики и
экологии: Сб. тез. докл. междунар. конф. Томск: Изд-во Том. ун-та,
2000. 328 с.
3. Greenberg J.P., Zimmerman, Heidt L., Pollock W. Hydrocarbon
emmissions from biomass burning in Brazil // J.Gephys. Res. 1984. 89.
P.1350-1354.