夏永軍 黃學(xué)敏 宋文斌 楊乃旺 楊玉林

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安市環(huán)境監(jiān)測站，陜西 西安 710054)

西安市燃煤鍋爐排放顆粒物中PM2.5和PM10的組分研究

夏永軍1黃學(xué)敏1宋文斌2楊乃旺2楊玉林1

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安市環(huán)境監(jiān)測站，陜西 西安 710054)

燃煤鍋爐 顆粒物組分 稀釋通道采樣 西安市

近幾年，西安市冬季霧霾頻發(fā)，人們的身心健康受到嚴重影響。根據(jù)北京市[1]、上海市[2]1355、天津市[3]等地的源解析成果發(fā)現(xiàn)，燃煤鍋爐排放顆粒物是霧霾的主要貢獻者。

對于西安市燃煤鍋爐排放的顆粒物，常用的除塵工藝包括電除塵、布袋除塵、電袋復(fù)合除塵、多管陶瓷除塵及麻石水膜除塵等；常用的脫硫工藝包括石灰石/石膏法、雙堿法、氧化鎂法及爐內(nèi)噴鈣法等；常用的脫硝工藝包括選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化還原法(SNCR)、SCR/SNCR、低氮燃燒及氧化法等。對于燃煤鍋爐排放顆粒物的組分研究方法很多，國內(nèi)一些研究者常通過采集除塵器飛灰或直接在煙道內(nèi)采樣的方式探究燃煤鍋爐排放顆粒物中污染物的組分。但是由于煙道煙氣處于高溫的環(huán)境中，一部分氣態(tài)物質(zhì)排放到大氣中經(jīng)稀釋、冷卻后會凝結(jié)成二次顆粒物[4]9-10，因此煙道內(nèi)采樣結(jié)果并不能充分反映燃煤鍋爐排放顆粒物情況。依據(jù)環(huán)境保護部《大氣顆粒物源解析技術(shù)指南》要求，本研究使用稀釋通道采樣進行煙氣顆粒物樣品的采集，并對煙氣顆粒物樣品的組分進行分析，為西安市燃煤鍋爐源成分譜的建立奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 燃煤鍋爐簡介

燃煤鍋爐排放顆粒物組分與鍋爐噸位、燃煤產(chǎn)地及后續(xù)的除塵、脫硫、脫硝工藝密切相關(guān)。為了對比分析，選取3臺鏈條爐，其除塵、脫硫、脫硝工藝及煤質(zhì)情況如表1所示。

表1 燃煤鍋爐的具體情況1)

注：1)灰分和全硫均以質(zhì)量分數(shù)計。

1.2 采樣方法

固定燃燒源排放顆粒物的直接采樣方法主要包括:煙道下風(fēng)向濾膜采樣、煙道中直接濾膜采樣、煙氣引入冷阱采樣、煙道中直接采集一次過濾顆粒物再通過冷凝裝置后采集一次凝結(jié)顆粒物采樣、稀釋通道采樣[5-7]。這些采樣方法的依據(jù)標準主要包括：《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)[8]、《固定源排放 顆粒物質(zhì)量濃度的人工測定》(ISO 9096—2003)[9]、《固定污染源排放顆粒物的測定》(EPA Method 5)[10]、《固定污染源排放顆粒物的測定》(EPA Method 17)[11]、《可吸入顆粒物排放量的測定(廢氣再循環(huán)程序)》(EPA Method 201)[12]、《可吸入顆粒物排放量的測定》(EPA Method 201A)[13]、《撞擊法測定固定污染源排放可凝結(jié)顆粒物》(EPA Method 202)[14]。這些采樣方法和原理不同，所以得出的結(jié)果也存在偏差。

我國已有的燃煤鍋爐煙氣顆粒物采樣標準除GB/T 16157—1996外，還有《鍋爐煙塵測試方法》(GB 5468—1991)，但這些標準并不適用于PM2.5采樣。針對PM2.5，南開大學(xué)將稀釋通道和采樣倉合并采樣[15]，北京大學(xué)、清華大學(xué)使用稀釋通道采樣[16]。

由于煙道中的煙氣處于高溫環(huán)境，其組分主要包括可過濾顆粒物(FPM)和可凝結(jié)顆粒物(CPM)[4]10。其中，CPM在煙道溫度狀況下為氣態(tài)，離開煙道后降溫數(shù)秒后成為液態(tài)或固態(tài)。因此，煙道中直接濾膜采樣只能采集到FPM，缺失了CPM，不能真實反映煙氣顆粒物的實際情況。稀釋通道采樣更接近煙氣顆粒物排放到環(huán)境空氣的真實情況[17-18]，因此本研究PM2.5和PM10均采用稀釋通道采樣，其流程如圖1所示。

1.3 濾膜選擇及處理

濾膜選擇是組分分析的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，為滿足有機碳(OC)、元素碳(EC)、水溶性離子和痕量金屬等化學(xué)組成分析的要求[19]，經(jīng)對比分析，本研究選擇美國Whatman公司生產(chǎn)的47 mm的Teflon濾膜和石英濾膜。采樣前，將Teflon濾膜置于60 ℃烘箱內(nèi)2 h，將石英濾膜置于550 ℃馬弗爐中6 h，以去除濾膜上可能吸附的有機質(zhì)。在溫度為(25±2) ℃、濕度為50%±5%的恒溫恒濕室內(nèi)平衡24 h后將濾膜裝入膜盒，用十萬分之一電子天平(精確至0.01 mg，Sartorius BP211D)稱量，再平衡24 h進行第二次稱量，兩次稱量的差值不大于3×10-5g，結(jié)果取兩次稱量的平均值。

1—煙道；2—采樣嘴；3—稀釋倉；4—煙氣進氣口；5—零氣進氣口； 6—混合氣出口；7—壓力、溫度傳感器接口；8—氣泵；9—電子控制閥； 10—高效過濾器；11—硅膠罐；12—控制系統(tǒng)；13—切割頭； 14—分流器；15—膜托圖1 稀釋通道采樣流程圖Fig.1 Flow chart of dilution tunnel sampling

進行稀釋通道采樣后的濾膜也在上述條件下進行平衡、稱量。采樣前后濾膜質(zhì)量的差值即為膜上顆粒物質(zhì)量。稱量后，將Teflon濾膜放在干燥器中常溫保存，石英濾膜放在冰箱中-20 ℃保存。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果及分析

圖2 燃煤鍋爐中PM2.5成分譜Fig.2 Component spectrum of PM2.5 from coal fired boilers

圖3 燃煤鍋爐中PM10成分譜Fig.3 Component spectrum of PM10 in coal fired boilers

2.2 與其他城市對比分析

表3對比了本研究與其他研究關(guān)于燃煤鍋爐排放PM10中主要組分的含量。本研究3臺燃煤鍋爐排放PM10中Mg、Ca、Fe含量與其他研究差異不大。Al、OC、TC含量大體上偏低，這可能是由于本研究使用稀釋通道采樣，而其他研究采用下載灰或者煙道飛灰采樣。

3 結(jié) 論

表2 燃煤鍋爐排放PM2.5部分組分的質(zhì)量分數(shù)比較

表3 燃煤鍋爐排放PM10部分組分的質(zhì)量分數(shù)比較

注：1)煙道飛灰采樣；2)下載灰采樣；3)TC為OC、EC之和。

(4) Cr、Ca、OC等組分大多集中于小顆粒物中；Si、K、Zn、Pb、Cu等組分大多集中于大顆粒物中。

[1] 朱先磊，張遠航，曾立民，等．北京市大氣細顆粒物PM2.5的來源研究[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2005，18(5)：1-5．

[2] 鄭玫，張延君，閆才青，等．上海PM2.5工業(yè)源譜的建立[J]．中國環(huán)境科學(xué)，2013，33(8)．

[3] 李偉芳，白志鵬，史建武，等．天津市環(huán)境空氣中細粒子的污染特征與來源[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2010，23(4)：394-400．

[4] 裴冰．固定源排氣中可凝結(jié)顆粒物排放與測試探討[J]．中國環(huán)境監(jiān)測，2010，26(6)．

[5] ISO 12141-2002,Stationary source emissions - determination of mass concentration of particulate matter (dust) at low concentrations - manual gravimetric method[S].

[6] ZHANG Ji,GE Su,BAI Zhipeng.The boiler briquette coal versus raw coal:Part Ⅱ- energy,greenhouse gas and air quality implications[J]. Journal of Air & Waste Management Association,2001,51(4):534-541.

[7] 梁云平．固定源低濃度顆粒物監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與思考[J]．中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29(5)：161-164．

[8] GB/T 16157—1996,固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法[S].

[9] ISO 9096-2003,Stationary source emissions - manual determination of mass concentration of particulate matter[S].

[10] EPA Method 5,Determination of particulate matter emissions from stationary sources[S].

[11] EPA Method 17,Determentation of particulate matter emissions from stationary sources[S].

[12] EPA Method 201,Determentation of PM10emissions (exhaust gas recycle procedure)[S].

[13] EPA Method 201A,Determination of PM10emissions[S].

[14] EPA Method 202,Determination of condensable particulate emissions from stationary sources[S].

[15] GE Su,BAI Zhipeng,LIU Weili,et al.Boiler briquette coal versus raw coal:PartⅠ - stack gas emissions[J].Journal of the Air & Waste Management Association,2001,51(4):524-533.

[16] 周楠，曾立民，于雪娜，等．固定源稀釋通道的設(shè)計和外場測試研究[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，26(5)：764-772．

[17] 孔少飛，白志鵬，陸炳，等．固定源排放顆粒物采樣方法的研究進展[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34(12)：88-94．

[18] 朱玲，田秀華，王同?。潭ㄔ礋煔忸w粒物稀釋采樣器的設(shè)計及應(yīng)用[J]．環(huán)境污染與防治，2014，36(6)：51-54,64．

[19] 田世麗，潘月鵬，劉了銳，等．不同材質(zhì)濾膜測量大氣顆粒物質(zhì)量濃度和化學(xué)組分的適用性[J]．中國環(huán)境科學(xué)，2014，34(4)：817-826．

[20] 范雪波，劉衛(wèi)，王廣華，等．杭州市大氣顆粒物濃度及組分的粒徑分布[J]．中國環(huán)境科學(xué)，2011，31(1)：13-18．

[21] 周楠．等速追蹤固定源稀釋通道采樣裝置的研制及其應(yīng)用研究[D]．北京：北京大學(xué)，2005．

[22] 金永民．撫順市大氣顆粒物主要排放源的成分譜研究[J]．中國環(huán)境監(jiān)測，2007，23(2)：58-61．

[23] 肖致美，畢曉輝，馮銀廠，等．寧波市環(huán)境空氣中PM10和PM2.5來源解析[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2012，25(5)：549-555．

[24] 于雪娜．固定源稀釋通道采樣系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[D]．北京：北京大學(xué)，2004．

[25] 齊堃，戴春嶺，馮媛，等．石家莊市PM2.5工業(yè)源成分譜的建立及分析[J]．河北工業(yè)科技，2015，32(1)：78-84．

[26] 陸炳，孔少飛，韓斌，等．燃煤鍋爐排放顆粒物成分譜特征研究[J]．煤炭學(xué)報，2011，36(11)：1928-1933．

[27] CHOW J C,WATSON J G,KUHNS H,et al.Source profiles for industrial, mobile, and area sources in the Big Bend Regional Aerosol Visibility and Observational study[J].Chemosphere,2004,54(2):185-208.

[28] 華蕾，郭婧，徐子優(yōu)，等．北京市主要PM10排放源成分譜分析[J]．中國環(huán)境監(jiān)測，2006，22(6)：64-71．

ComponentsofPM2.5andPM10incoalfiredboilerparticulatematterofXi’anCity

XIAYongjun1,HUANGXuemin1,SONGWenbin2,YANGNaiwang2,YANGYulin1.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’anShaanxi710055;2.Xi’anEnvironmentalMonitoringStation,Xi’anShaanxi710054)

coal fired boiler; particulate matter component; dilute tunnel sampling; Xi’an City

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.02.019

2016-01-19)

夏永軍，男，1988年生，碩士研究生，研究方向為大氣顆粒物來源解析。