Picarro气体分析仪的车载应用：对二氧化碳和甲烷进行移动测量

       当前，全球变暖及其带来的环境变化是国际社会公认的“重大挑战”，许多地区的自然生态系统已经受到了影响，如气候异常、海平面升高、冰川退缩，等等。其原因主要是因为二氧化碳、甲烷等温室气体的大量排放所造成的，这与2015年《联合国气候变化框架公约》《巴黎协定》所设定的目标背道而驰。因此，需要采取紧急行动，让二氧化碳及甲烷回到更符合《巴黎协定》目标的标准上。

       在过去的十年里，基于光腔的检测器在现场测量甲烷等物质的精确度和机动性已经从根本上得到了提高。特别是与传统的气相色谱相比，其具有了更高的精确度、更强的便携性和更稳定的校准能力。

       通过定期的驾驶探测来监测生产气田和城市网状系统中的泄漏可以让检测过程变得越来越便宜和迅速。随着厂外系统与实时全球定位系统(GPS)的结合，可以快速准确地测绘甲烷排放量的详细信息。这样的仪器不仅可以部署在偏远的地方，也可以安装在小型家用SUV车辆上。这种移动测量也可以通过搭配装有轻型传感器的小型无人驾驶飞行器(UAV)来进行进一步拓展。

       图1显示了一个典型的运用Picarro气体分析仪的车载系统。由于车载式检测的成本很低，所以普通的SUV车辆也可以很容易地适应这一任务。也可以在弹出气球上部署空气软管，来采集空气样本。这种移动测量分析仪不仅测绘速度快，除了仪器和车辆的资本成本外，现场活动成本也不高。

图1（左）Picarro移动测量系统的原理图，（右）气体分析仪安装在移动平台

       目前，这种移动测量技术的应用范围为：检测城市气体（天然气）的泄漏、工业废气、城市废水和污水、垃圾填埋场产生的废气、生物沼气池和沼气发电机、地下煤炭开采以及燃烧生物质产生的甲烷等。

       以下两个实例进一步说明了Picarro气体分析仪车载应用的有效性。

       2018-2019年在西伯利亚上，通过使用Picarro G4301便携式气体分析仪对二氧化碳和甲烷进行大规模的移动监测和研究、并对数据进行分析，使我们第一次能够以高空间分辨率反演它们的空间分布模式，并且确定它们的季节特征。西伯利亚地区2018年10-11月甲烷浓度的空间分布如图2所示。最后得出结果，温室气体尤其是甲烷，其空间分布存在纬度梯度和中尺度不均匀性。

图2 2018年秋季使用Picarro气体分析仪车载应用监测西伯利亚上空的空气层中甲烷浓度的空间分布。（a）未经过滤的数据；（b）通过基线方法检索到的背景值；（c）俄罗斯天然气工业股份公司主要天然气管道的Samson当地运营和维护部门的天然气管道压缩机站CS-6附近；（d）在新西伯利亚Chany地区的湿地地区

       在另一个研究中，将Picarro高精度甲烷分析仪安装在谷歌街景抓取车上，并配备全球定位系统(GPS)来记录车辆的位置和速度，以及风速计来记录风速和风向，来评估当地天然气（NG）分配系统检测和定位天然气泄漏并量化其排放的能力，以此确立移动甲烷调查在管理当地天然气分配系统方面的有效性。在移动过程中，通过气体分析仪发现了数百个泄漏的迹象，以及相应的位置和估算的排放量。

图3 这是一份用于地面搜索的地图。运用移动监测平台追踪那些未被当地的分销公司发现的泄漏迹象。彩色圆圈代表移动监测期间测量到的甲烷浓度升高。白色方块是根据移动测量期间估算的甲醛泄漏位置。蓝色三角形是我们最终发现泄漏的地方。

       研究结果表明，当地管路系统中管道泄漏数量可能会远远超过天然气当地分销公司通过使用传统勘测方法得出的泄漏的数量。来自甲烷移动监测平台的大部分泄漏指示都与天然气泄漏地点相对应，在泄漏指示位置发现天然气泄漏，并且泄漏通量估算值可以有效地对泄漏大小进行排名。