СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭМИССИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА Российский патент 2024 года по МПК G01N33/00 

Изобретение относится к области определения эмиссии диоксида углерода в системе мониторинга качества воздуха.

Мониторинг качества воздуха включает в себя систематические количественные измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере. Чистый воздух относится к категориям, определяющим качество жизни людей. В России принят к реализации Федеральный проект «Чистый воздух» (в рамках национального проекта «Экология»), направленный на улучшение экологической обстановки и снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, оказывающих наиболее негативное влияние на здоровье людей. На концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере в первую очередь влияет эмиссия вредных веществ [Панарин В.М., Маелова А.А., Гришаков К.В., Гришакова О.В., Логунов Д.А. Обзор станций автоматического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха// Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. Вып.7, с. 69-75]. Вследствие этого отмечаются дневные, сезонные и годичные колебания концентраций загрязняющих веществ. Диоксид углерода образуется в массовом количестве в целой серии процессов, происходящих на территории компактного проживания людей: в процессе промышленного производства, отопления, генерации электро- и тепловой энергии, движения автотранспорта и т.д. Повышение концентрации этого газа способствует повышению температуры на Земле с пока до конца непонятными последствиями. В нашу речь входят новые понятия: углеродный след, декарбонизация, напрямую связанные с негативным изменением климата и желанием человечества как минимум замедлить, а максимум повернуть назад нежелательные для Земли тенденции.

Поэтому создание методики мониторинга качества воздуха на основе перманентного измерения концентрации диоксида углерода с возможностью количественной оценки его эмиссии является актуальной на национальном уровне задачей.

Существующие концепции мониторинга качества воздуха базируются на измерении концентраций загрязняющих веществ в атмосфере по методу случайной выборки [Панарин В.М., Маслова А.А., Гришаков К.В., Гришакова О.В., Логунов Д.А. Обзор станций автоматического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха// Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. Вып.7, с.69-75]. По разработанному в нашей стране ГОСТ Р 56276-2014 /ISO/TS 14067:2013 созданы методы определения выбросов углекислого газа в различных процессах на основе приведенных затрат. Так в [Лаптева А. В. Методика определения сквозной эмиссии диоксида углерода на основе анализа входных данных процесса ЛП-В / А. В. Лаптева, В.Г. Лисиенко, Ю.Н. Чесноков // Творческое наследие В. Е. Грум-Гржимайло: история, современное состояние, будущее: сборник докладов III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 150-летию со дня рождения Владимира Ефимовича Грум-Гржимайло (Екатеринбург, 27-29 марта 2014 г.). - Екатеринбург: УрФУ, 2014. - Ч. 2. - С.225-228] описан способ оценки эмиссии диоксида углерода на предприятии черной металлургии по количеству сгоревшего угля и природного газа. Аналогично оцениваются выбросы в данной точке трассы от автомобильного транспорта через оценку количества единиц отдельных видов транспорта с учетом дифференциального расхода топлива. Недостатками данных методик является большая трудоемкость, приближенность оценок и отсутствие прогностических перспектив.

В способе комплексного мониторинга окружающей среды региона [3 - патент RU 2778495, МПК G01W 1/00, опубл. 22.08.2022, Бюл. №24] при прогнозировании изменений характеристик окружающей среды региона используют комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере региона. Недостатком способа является то, что для получения интегрального вклада в эмиссию диоксида углерода выделяют и проводят классификацию объектов окружающей среды как объектов кругооборота углекислого газа. Такая дифференциация требует значительных временных затрат.

Известен способ расчета прямых пожарных эмиссий углерода с учетом пороговой классификации интенсивности пожара растительности по спутниковым съемкам в ИК диапазоне [патент RU 2755936, МПК A01G 23/00, G06T 7/11, опубл. 23.09.2021, Бюл. №27], согласно которому проводят классификацию всей площади пожара по мощности тепловыделения (Fire Radiative Power- FRP) и определяют категории интенсивности отдельных участков пожара. Суммарное значение прямых пожарных эмиссий определяют по соотношению С = A_i(FRP_i) × β_i(FRP_i) × B_i(FRP_i)) × СЕ, где С - прямые эмиссии углерода (г); А - площадь, пройденная огнем (м²), представленная в виде суммы площадей всех зафиксированных фаз пожара с учетом категории интенсивности горения - A_i(FRP_i); β - коэффициент полноты сгорания, учитывающий категорию интенсивности β_i(FRP_i); B_i(FRP_i) - сгорающий запас растительных горючих материалов, учитывающий категорию интенсивности (кг/м²); СЕ - коэффициент, определяющий долю углерода в сгорающей биомассе (г/кг). Способ подразумевает анализ спутниковой ИК-съемки, что требует дополнительного программного обеспечения.

Целью настоящего изобретения является создание принципиально нового способа определения эмиссии диоксида углерода на основе перманентного измерения его концентрации с возможностью количественной оценки эмиссии.

На фиг.1 показана модель для оценки эмиссии диоксида углерода с территории сечения L. Высота h определяет область интенсивного перемешивания воздуха.

Р_о и P₁ - измеряемые концентрации CO₂ на входе и выходе оцениваемой загрязняющей территории (по направлению скорости ветра).

h - средняя высота застройки или деревьев, определяющая область перемешивания воздуха по высоте.

V - текущая измеряемая скорость ветра в м/с.

L - сечение загрязняющей территории в перпендикулярном скорости ветра направлении в м.

На фиг.2 приведен график кинетической зависимости замеренной концентрации диоксида углерода с 21 по 26 февраля 2023 г.

На фиг.3 представлена рассчитанная кинетическая зависимость скорости эмиссии диоксида углерода при h=10 м, L=50 м.

Для определения эмиссии диоксида углерода с заданной загрязняющей территории (центр города, промышленное предприятие и др.) необходимо:

1. Определить направление ветра на исследуемой территории.

2. Измерить концентрацию CO₂ на входе (Р₀) и выходе (P₁) исследуемой загрязняющей территории по направлению скорости ветра. Измерение концентрации CO₂ проводят в автоматическом режиме с сохранением данных в цифровом виде.

3. Измерить скорость ветра (V) с такой же скважностью, как и концентрацию CO₂. Скорость ветра так же замеряют в автоматическом режиме с сохранением данных в цифровом виде.

4. Измерить температуру воздуха (Т) в автоматическом режиме с одинаковой с концентрацией диоксида углерода скважностью с сохранением данных в цифровом виде.

5. Оценить среднюю высоту области перемешивания воздуха (h).

6. Для определения скорости эмиссии диоксида углерода воспользоваться формулой (1) по модели (фиг.1):

где М_г=0,044 кг/моль - молярная масса диоксида углерода; V_m=22,4 л - молярный объем при нормальных условиях (Т₀=273 K и давление 1 атм). Учет изменения давления в ходе мониторинга определяет ошибку в 2% и пока не учитывается.

Замеряемые величины представляют собой массив данных. В таблице 1 приведен фрагмент такого массива для проведенного мониторинга центра г. Кемерово с 21 по 26 февраля 2023 г.

Время между измерениями Δt=10 мин (600 с), следовательно, частота измерений составляет 1 измерение в 10 минут. Температура в нашем случае измеряется в градусах Цельсия с точностью 0,01 градуса, хотя достаточной точностью будет 1 градус. Четвертый и пятый столбцы - результаты измерения концентрации диоксида углерода в штуках на миллион (ppm) на входе и выходе оцениваемой загрязняющей территории, соответственно.

Самой изменяемой величиной в выражении (1) является P₁ (измеряемые концентрации CO₂ на выходе исследуемой загрязняющей территории). Результаты измерения концентрации CO₂ за период с 21 по 26 февраля 2023 г. представлены на фиг.2. По оси абсцисс откладываем моменты времени измерения концентрации CO₂, формирующие массив Т_в. По оси ординат откладываем измеренные значения концентрации CO₂, формирующие массив P₁. Вертикальными линиями показаны моменты смены времени суток. Предпраздничные дни (21 и 22 февраля) характеризуется утренним повышением концентрации до 630 ppm с уменьшением к утру следующего дня до 365 ppm. Следующий день праздничный и максимальное повышение концентрации CO₂ всего до 430 ppm. Нерабочие в 2023 году пятница 24, суббота 25 и воскресенье 26 февраля типичны для праздничных дней с умеренным повышением концентрации CO₂ до 430 - 420 ppm.

По выражению (1) рассчитали кинетическую зависимость скорости эмиссии диоксида углерода при h=10 м, L=50 м (фиг.3). При этом измеряемая температура Т переводится в шкалу Кельвин.

Для определения эмиссии диоксида углерода за актуальный промежуток времени от t₁ до t₂ в общем случае интегрируем полученную кинетическую зависимость (2):

На практике интеграл мы заменяем на сумму в виду дискретности полученных величин.

1. Если промежуток времени (t₂ - t₁) достаточно мал и в интервал от t₁ до t₂ не попадает ни одного измерения, находим ближайший к t₂ момент времени из полученного ранее массива в котором произошло измерение концентрации CO₂, температуры, скорости ветра, входящих в выражение (1).

Для этого вначале находим минимум Q массива из таблицы 1 (3):

Для следующего действия нам необходим порядковый номер (к) минимума Q, определяющий номер строчки № в массиве Таблицы 1 значений измеренных скоростей эмиссии диоксида углерода:

а выражение (2) примет вид, где разность t₂ - t₁ переведена в секунды:

2. Если промежуток времени от t₂ до t₁ достаточно большой, и в этот интервал попадает как минимум одно измерение, алгоритм нахождения эмиссии углекислого газа следующий.

Вначале находим ближайшие к t₁ и t₂ моменты времени из полученного ранее массива Для этого определяем максимальное значение момента времени из массивакоторое меньше Этот момент времени характеризуются тем, что он еще меньше t₁, а уже следующий момент времени больше, чем t₁. То есть t₁ находится между k₁ и k₁+1 элементами массива Аналогичный алгоритм применяем для нахождения k₂ - номера элемента массива который определяется тем, что момент времени t₂ находится между k₂ и следующим элементом k₂+1.

Рассчитываем эмиссию диоксида углерода (2) по выражению (6):

где разности переведены в секунды.

Пример 1

Определим эмиссию углекислого газа в промежуток времени от 21:06 до 21:10 22 февраля 2023 г по данным таблицы 1. Примем значения параметров h=10 м и L=50 м.

Так как в интервале от 21:06 до 21:10 нет измерений, он относительно мал, мы используем выражения (1), (3) и (5) и соответствующий алгоритм. Определяем номер строки массива который наиболее близок к началу интервала t₁=21:06, используя выше описанный алгоритм получаем k=39, что соответствует Т_в (к)=21:05. В таблице 2 первые 6 столбцов заполнены измеренными величинами (таблица 1). Далее переводим соответствующую температуру Т в Кельвины =249,54 K. Используя это значение в формуле (1), полученное значение скорости эмиссии CO₂ G=0,67. Для определения эмиссии CO₂ в актуальный промежуток времени Δt=t₂ - t₁=4 мин = 240 с. По выражению (5) из скорости эмиссии G и длительности временного интервала Δt получаем значение эмиссии CO₂ М_СО2=160 кг. Это значение и будет искомым в данный промежуток времени.

Пример 2

Определим эмиссию CO₂ в промежуток времени от 21:06 до 22:55 22 февраля 2023 г. Значения исходных параметров соответствуют таблице 1, примем h=10 м и L=50 м. Результаты представим в виде таблицы 3.

Так как в интервале от 21:06 до 22:55 есть множество измерений, то используем выражениями (1), (3) и (6) и описанный выше алгоритм.

Определяем номер строки массива который наиболее близок к началу интервала t₁=21:06, используя выше описанный алгоритм, получаем k₁=39, что соответствует - это значение времени раньше начала интервала (21:06), а - значение времени позже начала интервала. Окончание интервала 22:55 соответствует k₂=50, поэтому третье слагаемое выражения (6) будет равно 0. В таблице 3 первые 6 столбцов берутся из таблицы 1. Далее переводим температуру Т в Кельвины и помещаем в столбец 7, используя это значение в формуле (1), получаем значение скорости эмиссии G=0,67 кг/с и помещаем его в столбец 8. Для определения эмиссии углекислого газа определяем в первом слагаемом выражения (6) значение временного интервала мин = 540 с и помещаем в 9 столбец первой строки таблицы 3. Далее рассчитываем значение первого слагаемого выражения (6), умножая значение скорости эмиссии (8 столбец) на длительность временного интервала (9 столбец), помещая результат в 10 столбец первой строки. В 11 столбец помещаем величину эмиссии диоксида углерода за весь промежуток наблюдения. Для первой строки значения столбцов 10 и 11 будут совпадать. Результаты расчета, представленные в столбцах 10 и 11, округлены до целого значения. Далее рассчитываем второе слагаемое выражения (6) - сумму от k₁+1 до k₂, помещая результаты расчетов в соответствующие ячейки таблицы 3. Значение временного интервала в этом случае будет одинаковым Δt = полученное значение 10 мин переводим в секунды (600 с) и помещаем в 9 столбец следующих строк. Для определения суммарного результата значение эмиссии диоксида углерода за время At складываем (в соответствии с выражением (6)) с достигнутой за предыдущий временной интервал величиной эмиссии газа из предыдущей строки 11 столбца. Таким образом, величина эмиссии углекислого газа в столбце 11 данной строки получается сложением результата эмиссии за данный промежуток времени (столбец 10 со значением эмиссии за предыдущий временной интервал (столбец 11, строка на одну выше данной). Полученное в последней строке 11 столбца значение эмиссии газа и будет искомым в актуальный промежуток времени.

Таким образом, предложенный способ определения эмиссии диоксида углерода позволяет простым способом, без дополнительного оборудования, кроме стандартных воздушных датчиков концентрации CO₂, атмосферного термометра, хронометра, анемометра, без дополнительных трудозатрат и применения специализированного программного обеспечения, определить с исследуемой территории эмиссию диоксида углерода.

Изобретение относится к мониторингу качества воздуха. Раскрыт способ определения эмиссии диоксида углерода, включающий определение направления ветра на исследуемой территории, измерение концентрации диоксида углерода на входе и выходе исследуемой территории по направлению скорости ветра, измерение скорости ветра с такой же частотой, как и концентрации диоксида углерода, измерение температуры воздуха с одинаковой концентрацией диоксида углерода частотой, определение средней высоты области перемешивания воздуха, расчет скорости эмиссии диоксида углерода по формулам для промежутка времени от t₁ до t₂ в случае отсутствия измерений за этот промежуток и для промежутка времени от t₁ до t₂ в случае наличия выполненных замеров за этот промежуток. Изобретение позволяет без дополнительного оборудования, кроме стандартных воздушных датчиков концентрации СО₂, атмосферного термометра, хронометра, анемометра, без дополнительных трудозатрат и применения специализированного программного обеспечения определить на исследуемой территории эмиссию диоксида углерода. 3 ил., 3 табл., 2 пр.

Способ определения эмиссии диоксида углерода, включающий определение направления ветра на исследуемой территории, измерение концентрации диоксида углерода на входе P₀ и выходе P₁ исследуемой территории по направлению скорости ветра, измерение скорости ветра V с такой же частотой, как и концентрации диоксида углерода, измерение температуры воздуха Т с одинаковой с концентрацией диоксида углерода частотой, определение средней высоты области перемешивания воздуха h, расчет скорости эмиссии диоксида углерода по выражению = M_r⋅(P₁-P₀)⋅h⋅V⋅L⋅T₀/(T⋅V_m)⋅10^-3, где M_r=0,044 кг/моль – молярная масса диоксида углерода, P₀ и P₁ – концентрации диоксида углерода на входе и выходе исследуемой территории соответственно, h – средняя высота застройки или деревьев, V – текущая измеряемая скорость ветра в м/с, L – сечение загрязняющей территории в перпендикулярном скорости ветра направлении в м, T₀=273 K, T – температура воздуха, V_m=22,4 л – молярный объем диоксида углерода, расчет минимума Q массива (T_в - t₁)² [Q,k] = min((T_в - t₁)²), где T_в – массив времен измерений, t₁ – начало временного промежутка, определение порядкового номера k минимума Q массива времен измерений, расчет эмиссии диоксида углерода по выражению , где (k) – скорость эмиссии диоксида углерода для порядкового номера k минимума Q массива времен измерений для промежутка времени от t₁ до t₂ в случае отсутствия измерений за этот промежуток, или расчет эмиссии диоксида углерода по выражению , где k₁ и k₂ – номера строк массива времен измерений, которые наиболее близки к промежутку времени от t₁ до t₂ соответственно, t_n – ряд моментов времени из промежутка от k₁+1 до k₂, (k₁) – скорость эмиссии диоксида углерода для порядкового номера k₁ строки массива времен измерений, (k₂) – скорость эмиссии диоксида углерода для порядкового номера k₂ строки массива времен измерений, T_в(k₁+1) – элемент массива времен измерений для порядкового номера строки k₁+1, T_в(k₂) – элемент массива времен измерений для порядкового номера строки k₂, Δt – значение временного интервала для промежутка времени от t₁ до t₂ в случае наличия выполненных замеров за этот промежуток.