煤火裂隙区二氧化碳排放观测系统开发与应用

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目前,温室效应是全球大气环境的主要问题之一,CO2作为最主要的温室气体,对全球的气候变化有着重要的影响。煤火是CO2的一个重要来源,煤火裂隙区是主要的排放通道之一。但目前对于煤火裂隙CO2排放的研究不足。进行煤火裂隙区的CO2排放观测研究可为温室气体排放量的估算提供工程和理论参考。   针对煤火裂隙区CO2排放监测方法和技术方面的不足,本文研制了适用于煤火裂隙区的野外环境数据采集系统,实时采集煤火裂隙区的环境数据(如CO2浓度、风速、气温、气压等),并应用空气动力学法估算煤火裂隙区的CO2排放通量。主要取得了以下研究进展:   (1)通过对煤火排放的文献查阅和实地考察、测量,掌握了煤火排放的初步特征,确定了具有代表性的内蒙古乌海市某煤火裂隙区为研究区,为煤火裂隙CO2排放研究方法的选取和设备研制提供基础知识;   (2)基于对不同通量观测方法的对比,确定了以空气动力学法为本研究的理论基础,并据此进行野外环境数据采集系统的设计与研制,用于采集基于修正的空气动力学法估算CO2排放通量所需的环境参数;   (3)依据塔式观测法和在线远程传输的思想,设计了野外环境数据采集系统的中控系统以及传感器驱动模块。本研究自主设计并开发了系统化中控器,并对相关环境传感器进行了集成。其中,主控器用于控制环境传感器采集数据、向SD卡存储数据、以及通过GPRS模块或数传电台远程传送数据;环境传感器主要包括风速、气温、气压和CO2浓度等传感器。   (4)于2011年和2012年分别对煤火裂隙现场进行了实测,获取了一手的煤火裂隙CO2排放数据,并结合空气动力学法进行了CO2通量估算。野外环境数据采集系统在研究区内现场进行的现场实测表明,系统采集的环境参数值及在不同高度处的相对大小符合实际情况。系统在连续工作中性能稳定,能同时观测和存储多种环境参数信息。因此,根据传统通量观测方法开发移动式低成本装置用以观测所需环境参数和估算排放通量的思路是可行的。   (5)基于研制的软硬件系统,可添加传感器用于观测煤火排放的另外两种重要气体——CO和CH4;在进一步的煤火观测中,也可采用多塔联立的方式,以质量平衡法为理论模型估算煤火排放气体的通量,与空气动力学法的结果相互验证。
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