（市政工程专业论文）开放源类自由下落过程中可吸入颗粒物排放特性研究.pdfVIP

山东建筑大学硕士学位论文 捅要 开放源类是一种复合源类，具有源强不确定、排放随机性和排放位置不确定等特点， 不同城市因其工业布局、能源结构、地理环境及气象条件和地形的不同，其组成也不同。 据统计，在中国北方城市，开放源类对城市空气颗粒物的贡献率己达4 0 7 0 ，而对于作 为城市环境空气中颗粒物的主要来源的开放源类，目前所做的研究工作还不够。 本文选择对济南市大气颗粒物贡献较大的建筑尘、土壤尘、黄河沙、钢铁尘四种污 染源作为实验物料，利用先进的分析测试手段，研究了济南市大气开放源类的物理和化 学特性。利用与维也纳工业大学共同合作开发建立的实验装置，系统地研究了这四种物 料下落过程中可吸入颗粒物的排放特性，探讨了自由下落过程中可吸入颗粒物排放的主 要影响因素和在线加湿控制可吸入颗粒物排放的影响，寻求在线加湿抑制可吸入颗粒物 排放的最佳操作条件。 实验结果表明，随着下落物料质量流量的增加，可吸入颗粒物排放率逐渐减小，而 且这种减小速度逐渐变慢，粉尘排放率与质量流量呈倒数关系；不同的实验室空气湿度， 可吸入颗粒物排放率不同，空气湿度越大，粉尘排放率越低，空气湿度对粗颗粒影响较 大，而对细粒子影响较小，可吸入颗粒物排放率与空气湿度呈倒数关系；不同物料对可 吸入颗粒物排放率也有影响，建筑尘排放的可吸入颗粒物最多，黄河沙最少；本文建立 了质量流量、空气湿度等影响因素与可吸入颗粒物排放率之间的数学模型。 采取加湿方式降低可吸入颗粒物产生及排放，这是目前物料自由下落过程中降低粉 尘排放的简单且有效方法之一。在线加湿时，雾化喷头的空气压力和加水流量不同，可 吸入颗粒物排放率不同，其粉尘产生函数也不同；当采用气水两相喷嘴，空气压力为 0 3 m p a 时，粉尘产生函数值最小。当加水流量为2 1 讹时，可吸入颗粒物排放率最低， 粉尘产生函数值最小；加湿的情况下，随着空气湿度增大，可吸入颗粒物的排放率也是 逐渐降低；本文建立了在线加水可吸入颗粒物排放率与加水流量和喷头压力的数学模型， 优化了在线加水的操作条件，为可吸入颗粒物的源头治理及有效控制可吸入颗粒物的排 放提供参考。 关键词：开放源类，可吸入颗粒物，影响因素，排放特性，排放率 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d y o ne m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n h a l a b l ep a r t i c l e sw h e n o p e n - s o u r c e sm a t e r i a l sf r e ef a l l i n gd o w n s u nz o n g g u i ( m u n i c i p a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yl i uz e c h a n g a b s t r a c t o p e n s o u r c e sm a t e r i a l si sac o m p l e xs o u r c e ，h a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fu n c e r t a i na n d r a n d o m i c i t y b e c a u s ed i f f e r e n tc i t yh a v ed i f f e r e n ti n d u s t r yl a y o u t 、e n e r g ys o u l c e s 、p o s i t i o na n d l a n d f o r m ，t h eo p e n s o u l c e sa r ed i f f e r e n t l ym a k e nu p a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，i nt h ec h i n e s e n o r t h e r nc i t y , c o n t r i b u t i o nr a t eo fo p e ns o u r c e st oc i t i e s i n h a l a b l ep a r t i c l e sh a sa l r e a d yb e e n t o 4 0 - 7 0 h o w e v e r , f o rt h ei r t h a l a b l ep a r t i c l e sf r o mt h eo p e ns o u r c e so ft h ec i t y , t h er e s e a r c h w o r ki ss t i l lf a rf r o me n o u g h i nt h i s s t u d yt h ec o n s t r u c t i o nd u s t , s o i ld u s t ，y e l l o wr i v e rs a n da n ds t e e ld u s tw e r e s e l e c t e da st h ee x p e r i m e n tm a t e r i a l s ，w h i c hm a k el a r g ec o n t r i b u t i o nt oj i n a na t m o s p h e r i c p a r t i c l e s b yt h em e a n so fm o d e r na d v a n c e da n a l y s i sm e t h o d s ，t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r e s t u d i e ds u c ha sp h y s i c sa n dc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi sh e l p f u lt ob u i l du pc o n s t i t u e n t d a t a b a s eo fj i n a no p e ns o u r c e s t os t u d yt h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c a n dc o n t r o l l i n gt e c h n i q u eo ft h ef u g i t i v ed u s to fo p e ns o u r c e sd u r i n gf a l l i n gd o w n , t o g e t h e r w i t hv i e n n ai n d u s t r i a lu n i v e r s i t y , as e to f a p p a r a t u st os i m u l a t ei n h a l a b l ep a r t i c l e sg e n e r a t i o n d u r i n gm a t e r i a l sf r e ef a l l i n gd o w nw a sb u i l tu pi nt h el a b o r a t o r y b yt h i sa p p a r a t u s ，t h e e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o l t e c h n o l o g yo fi n h a l a b l ep a r t i c l e so ft h e s ef o u r e x p e f i m e n m lm a t e r i a l sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fm a s sf l o w , i n h a l a b l ep a r t i c l e se m i s s i o nr a t e g r a d u a l l yr e d u c e d a n dt h es p e e do fi tb e c o m es l o w t h ed i f f e r e n ta i rh u m i d i t yi n t h e l a b o r a t o r ym a k e st h ed u s te m i s s i o nr a t ed i f f e r e n t t h eb i g g e ra i rh u m i d i t y ，t h es m a l l e rt h ed u s t e m i s s i o nr a t e t h ea i rh u m i d i t yh a v em o r ee f f e c to nb i gp a r t i c l e st h a ns m a l lp a r t i c l e t h ed u s t e m i s s i o nr a t ea n dt h ea i rh u m i d i t yh a dt h er e c i p r o c a lr e l a t i o n s h i p d i f f e r e n tm a t e r i a lt y p e sa l s o a f f e c tt h ed u s te m i s s i o nr a t e i nt h i ss t u d ym a t h e m a t i c sm o d e lb e t w e e ni n f l u e n c ef a c t o r s ( m a s s f l o w , a i rh u m i d i t y ) a n dt h ed u s te m i s s i o nr a t ew a sb u i l tu p s oa tp r e s e n t ，a d o p t i n gw a t e r i n gm a t e r i a l st or e d u c et h ed u s tg e n e r a t i o na n de m i s s i o ni s o n eo ft h em o s te f f e c t i v ea n ds i m p l em e t h o d s d i f f e r e n ta i rp r e s s u r ea n dd i f f e r e n tw a t e r v o l u m ep r o d u c ed i f f e r e n td u s tg e n e r a t i o nf u n c t i o n sa n dd i f f e r e n td u s te m i s s i o n w h e n a i r - w a t e rs p r a y i n gn o z z l ew a su s e da n da i rp r e s s u r ew a s0 3 m p a , t h ed u s tg e n e r a t i o nf u n c t i o n v a l u ew a sm i n i m a l w h e nt h ew a t e rf l o wi s2 1u h ，t h ei n h a l a b l e p a r t i c l e se m i s s i o nr a t ei st h e u 山东建筑大学硕士学位论文 l o w e s ta n dd u s tg e n e r a t i o nf u n c t i o nv a l u ei sm i n i m a l a l o n gw i t ht h ea i rh u m i d i t yi n c r e a s i n g , p m l 0e m i s s i o nr a t ea l s or e d u c e sg r a d u a l l y t h em a t h e m a t i c sm o d e la m o n go n - l i n es p r a y i n g d u s te m i s s i o nr a t e a n dw a t e rf l o wa n da i rp r e s s u r ew a sb u i l tu p a tt h es a m et i m et h eo p e r a t i n g c o n d i t i o n so fo n - l i n es p r a y i n gw a so p t i m i z e d i tc a np r o v i d er e f e r r e n c e f o rc o n t r o l l i n g t e c h n i q u ei nt h eh e a d s t r e a m a n dc o n t r o l i n gd u s te m i s s i o ne f f i c i e n c i l y k e yw o r d s ：o p e ns o u r c e s ，i n h a l a b l ep a r t i c l e s ，i n f l u e n c ef a c t o r s ，e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， g e n e r a t i o ne f f i c i e n c y i i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论丈的规定， 即o 山东建筑大学有杈保留并向国家有关部f _ j 或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 型盗遗 日期全2 ：z 主 导 师签名： 亟：至应日期q 厶61 羔至 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 大气颗粒物是指分散在空气中的固态和液态物质，为大气中的不稳定组分之一，根据 大气颗粒物的粒径，将其分为降尘和飘尘，其中飘尘是指空气动力学当量直径在l o p m 以 下的颗粒物( p m l o ) ( p a r t i c u l a t em a t t e rw i t ht h ea e r o d y n a m i ce q u i v a l e n td i a m e t e rl e s st h a n1 0 耻m ) 。由于它容易通过鼻腔和咽喉进入人体呼吸道内，因此也称作可吸入颗粒物( i n h a l a b l e p a r t i c l e s ) ，可吸入颗粒物又可分为细颗粒物p m 2 5 ( 空气动力学直径小于或等于2 5r t m ) 和 粗颗粒物( 空气动力学直径介于2 5 至l o g m ) 川。 在我国，可吸入颗粒物已经逐渐上升为许多大中城市环境空气中的首要污染物。目 前国内外对可吸入颗粒物的研究主要集中在基本特性分析、源解析、污染特征分析、环 境行为和对人体健康的危害上。在欧洲曾开展过实验室模拟物料下落、转运、倾倒等过 程粉尘产生特性的研究，但只是定性研究质量流量、物料种类、物料含水率和粒径组成 等影响因素对总粉尘产生率的影响。我国从7 0 年代初开始重视对颗粒污染物的控制，长 期以来一直将治理重点放在有组织、有规则排放的工业污染源上，特别是对燃煤中可吸 入颗粒物的产生机理和排放特性研究较多。而对于城市空气颗粒物开放源研究很少。数 据显示，土壤风沙尘、建筑尘等开放源类产生的随机性粉尘对大气可吸入颗粒物污染的 贡献率较大，粉体物料转运和自由下落过程中随机性粉尘的产生和排放也是非常重要的， 但到目前，国内外对这方面缺少系统研究【2 。3 1 。因此，在中奥( 地利) 国际间科技合作 项目“微粒子控制”中，把“开放源类自由下落过程中可吸入颗粒物排放特性研究”作为研 究内容之一。本论文利用实验室已建有的模拟实验装置，探讨不同粉体物料自由下落过 程中可吸入颗粒物排放的影响因素，寻求控制可吸入颗粒物排放的最佳操作条件。 1 2 可吸入颗粒物的主要来源 颗粒物是烟尘、粉尘的总称。颗粒物有两种来源： ( 1 ) 天然来源，如风沙尘土、火山爆发、森林火灾等造成的颗粒物。 ( 2 ) 人为来源，如工业活动、建筑工程、垃圾焚烧以及车辆尾气等。 颗粒物可分为降尘、总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物等，其中的可吸入颗粒物能随人 体呼吸作用深入肺部，产生毒害作用，因此在空气质量预报中有着重要的意义，尤其值 得关注【4 1 。 山东建筑大学硕士学位论文 大气颗粒物中的可吸入颗粒物的来源会因不同国家和地区的经济发展、能源结构、 工艺方法以及管理水平等不同而存在很大的差别。例如，在巴西圣保罗的商业区d o m p e d r o 与居民区的l b i r a p u e r a 的可吸入颗粒物( p m l o ) 的质量分布截然不同( 如表1 1 ) 【5 】 o 表1 1 不同源对p m l o 的贡献率( ) t a b l e1 1c o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n ts o u r c e st op m l 0 般而言，可吸入颗粒物主要有3 部分组成： ( 1 ) 自然尘和无机物灰尘，主要来自裸露地面和建筑施工工地产生的扬尘。 ( 2 ) 微小的碳粒子，包括有机碳和元素碳，主要来源于锅炉燃料，柴油车、汽油车 尾气排出的烟气，建筑油漆以及烹调食物和烧烤。 ( 3 ) 空气中的二氧化硫、氮氧化物等有害气体经化学反应而生成的硫酸盐、硝酸盐 和铵盐颗粒物，这些有害气体也是来自于机动车尾气和燃煤等【6 j 。 就济南地区来说，春秋季以扬沙尘为主、冬季以煤烟产生的颗粒物为主，并且在日 常监测中来源于汽车尾气的颗粒物占的比重也很大。 1 3 危害 粉尘污染对人类和环境的影响是多方面的，尤其是可吸入颗粒物对环境和人类造成 很大的危害。 1 3 1 对环境的危害 ( 1 ) 对能见度的影响 2 0 世纪7 0 年代以来，大气颗粒物对能见度的影响就一直是环保部门所关注的问题 之一。美国早在1 9 7 7 年制定的空气净化法就有专门条款来保护国家“联邦一类区”的能见 度，使其免受人为大气污染源的影响。虽然颗粒物只占大气的很小的一部分，在城市中 颗粒物对大气的光学性质影响甚至可达9 9 。大量的研究表明，大气颗粒物中p m l 0 和 p m 2 ，5 的性质与能见度的降低密切相关。 能见度降低的主要原因是：物体和环境之间失去了对比度；p m l o 和p m 2 5 对光的散 2 山东建筑大学硕士学位论文 射效应：p m l o 和p m 2 5 对光的吸收效应。p m l o 和p m 2 5 由于其来源不同，其成分各异， 对能见度降低的贡献也不同l ，j 。 ( 2 ) 对温度的影响 由于大气颗粒物的存在，直接阻挡太阳光抵达地球表面，这样使可见光的光学厚度 增大，抵达地面的太阳能通量剧烈下降，从而使地面温度降低，高空的温度增高。特别是 直径在o 1 5 p r o 的颗粒，通过散射、吸收太阳与地球辐射在大气能量平衡中起着重要作 用【8 1 。资料表明，当p m l o 浓度达1 0 0 j t g m 3 时，到达地面的紫外线减少7 5 ；当p m l o 为6 0 0 9 9 m 3 时，到达地面的紫外线减少4 2 7 ；当p m i o 为1 0 0 0 9 9 m 3 时，到达地面的 紫外线减少6 0 。r a s o o l 等 9 】估计，全球本底不透明度增加四倍，将使全球温度降低3 5 c 之多，这么大的降温幅度如维持若干年，相信足以引起一个冰河期。 ( 3 ) 大气颗粒物的酸碱度及其缓冲能力 大气颗粒物对降水有不可忽视的影响，颗粒物进入云水或降水体系后，其中的各种 化学成分会发生一系列的复杂变化，并影响或决定云水和降水的污染性质。颗粒物影响 和决定降水化学性质的一个重要方面是它的酸碱性质和对酸的缓冲能力。颗粒物的研究 认为，近地面大气颗粒物中粒径较大的粒子比较多，这些粒子主要来源于风沙扬尘和土 壤颗粒。通常上述粒子含有较多的碱性物质，所以具有一定的碱性，可在一定程度缓冲 降水中的酸性物质。反之，空中大气颗粒物中粒径较小的细粒子相对较多，这些粒子主 要来源于燃料燃烧等人为活动，其中含有经过酸性污染物s 0 2 和n o x 转化形成的硫酸盐 和硝酸盐，所以，这部分粒子通常具有较强的酸性，极有可能促进降水的酸化r 7 1 。 1 3 2 对人体的危害 一般情况下，1 0 0 p , m 以上的粒子很容易完全沉降下来。从卫生方面来看，人的鼻子 可以从含尘空气中过滤掉几乎全部大于1 0 岬的粒子和大约9 5 的大于5 9 m 的粒子。被 人吸进去的粒子，大多沉积在上呼吸道中。随着粒子直径的减小，到达肺部的渐多，并 且大部分沉积在肺部。但粒子小到一定程度又能避免沉积，而被呼出。直至很小粒子的 分子扩散作用( 布朗运动) 变的重要，沉积的粒子再次增加。在每分钟1 5 次的呼吸系统 中，大约是0 4 9 m 粒子沉积最少。此外，5 岬以下的粒子能够从肺部进入血液，并可达 到淋巴系统【l o 】。由于1 0 1 a m 以上的粒子较易捕集，对人体的危害也不大，所以除尘更主 要的考虑对象可以说是1 0 p , m 以下的粒子。特别是l g m 以下的亚微米粒子，因为更难捕 集，所以成为更重要的研究范围。但从环境保护的角度，不论多大的粉尘都是有害的， 3 山东建筑大学硕士学位论文 都应该对其预防和控制。 表1 2p m l o 对人体的毒性作用 1 m 3 1 t a b l e l 2t h et o x i c i t yo f p m l 0t op e o p l e sh e a l t h 系统危害 有损于肺部呼吸氧气的能力：使肺泡中的巨噬细胞的吞噬功能和生存能力下 肺功能 降，导致肺部排除污染物的能力降低。 使鼻炎、慢性咽炎、慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿、尘肺等呼吸系统疾 呼吸系统 病恶化，甚至引起哮喘等过敏性疾病和矽肺、石棉肺、肺气肿等肺病。 炎症 刺激肺部，导致肺部出现急性炎症，表现为中性粒细胞大量局部渗出。 引起巨噬细胞的数量和活性的改变，降低免疫功能，增加对细菌、病毒等感染的 免疫系统敏感性，使机体对传染病的抵抗力下降；病原微生物随p m l o 进入体内后，可使机 体抵抗力下降，诱发感染性疾病。 p m l o 所吸附的多环芳烃化合物( p a h s ) 是对机体健康危害最大的环境三致( 致 癌症的发生 一 癌、致突变、致残) 物质，其中苯并( a ) 芘能诱发皮肤癌、肺癌和胃癌。 带有铅的小颗粒物( 粒径l p m ) 在肺内沉着后极易进入血液系统，大部分与红 细胞结合小部分形成铅的磷酸盐和甘油磷酸盐，然后进入肝、肾、肺和脑，凡周 神经系统 后进入骨内，导致高级神经系统紊乱和器官调解失能，表现为头疼、头晕、嗜睡 和狂躁严重的中毒性脑病。 胎儿的生长发育减缓胎儿增重。 儿童的生长发育影响儿童的生长发育和免疫功能。 死亡导致患有心血管疾病、呼吸系统疾病和其它疾病的敏感体质患者的过早死亡。 通常认为，大气颗粒物与患有呼吸道疾病的人群病情加重之间是有密切的相关性。 欧美国家的流行病学研究结果表明，医院哮喘病发病率、进医院的人数以及死亡人数都 会随大气中的可吸入颗粒物浓度的增加而增加。据报道，仅可吸入颗粒物就导致美国每 年6 万人和英国每年l 万人的死亡。在美国犹他谷进行的可吸入颗粒物流行病学研究表 明，可吸入颗粒物日均质量浓度增加5 0 肛g m 3 ，死亡率平均增加4 5 。可吸入颗粒物 超过1 0 0 l g m 3 时，死亡率比可吸入颗粒物小于5 0 9 9 m 3 时平均高出1 1 。据o s t r o ，b 等 在泰国曼谷的研究，当可吸入颗粒物日平均增加1 0 上g m 3 时，总死亡率增加1 2 ，其中 呼吸道疾病死亡率增加3 - 6 ，心血管疾病死亡率增加1 - 2 。其他许多研究也有类似的 结论。但许多对人体具有潜在危害的物质，如酸、重金属、p a h s 等，主要集中于细粒 子范围，而粗粒子中含量很少。因此，可认为大气中p m 2 5 浓度的增加会导致发病率和 死亡率的增加。如s c h w a r t z ，j 等研究发现，p m 2 5 平均每日增加1 0 肛g m 3 ，总死亡率增加 4 山东建筑大学硕士学位论文 1 5 。其中，顽固性肺病死亡率增加3 3 ，局部缺血性心脏病死亡率增加2 1 。有人 认为，因为c o 或n o x 与p m l o 有良好的相关性，而c o 是心血管疾病的良好诱导剂， 在洛杉基己发现c o 和n 0 2 可作为每日死亡率的重要指示指标。因此，大气污染导致的 疾病率或死亡率增加的作用，也有可能是c o 或n 0 2 的作用。另一方面，l i n n ，w s 等在 洛杉基的研究表明，p m l o 的增加会引起血压上升，但对胃功能、心脏和呼吸系统的影响 并不能确定，同时发现细微的健康变化与室外的p m l o 背景值更为相关，认为可吸入颗粒 物本身并不致病，而是由于其中的化学组分或因其协同作用而致病。到目前为止，颗粒 物对人体健康影响的作用机理并不十分清楚。因此，p m l o 和p m 2 5 对人体的致病机制还 有待于进一步研究【l 4 1 。 1 4 可吸入颗粒物的控制措施 ( 1 ) 加大对工业污染源粉尘排放的监督管理力度，提高排放达标率，制定相关法规、 政策，鼓励或强制工业企业利用先进的环保技术，推广清洁生产工艺，降低粉尘排放量。 ( 2 ) 大力整治环境，植树种草，开展绿化工作。绿化覆盖率的提高，可以改善气候 条件、涵养水分、减小风力、减轻扬尘污染。 ( 3 ) 采取适当的措施以减少在危险季节、危险时段及气象条件下的污染物排放，以 改善环境空气质量，保障人民群众的身心健康。 ( 4 ) 城市建筑施工时应避免扬尘，造成二次污染，也应避开每天的“晨峰”时间施 工，尽量减少对周围环境空气造成的污染，在刮风天气时应洒水以减少二次扬尘。 ( 5 ) 控制冬季取暖燃煤造成的污染。采暖期高空环流平直，大气层较稳定，逆温出 现频繁，风力减弱，使得空气中漂浮的污染物难以扩散，造成空气污染加剧【1 5 】。 ( 6 ) 遇到高温、干旱、多风的季节时，应多使用洒水车在人口稠密的地区洒水，以 减轻扬尘天气出现的可能 1 6 】。 1 5 选题的依据及意义 可吸入颗粒物己成为世界上许多国家和地区尤其是在一些大中城市的首要大气环境 污染物。因其细小而不受人的鼻腔阻挡，可以直接进入人的肺部并存留在肺的深处，不 易排出体外，所以可吸入颗粒物成为大气颗粒物中对人体健康威胁最大的类【1 7 1 。因此 国际上很重视对可吸入颗粒物的研究和防治工作，大多数国家都已经规定了空气中p m l o 的质量标准。美国国家环保局于1 9 8 5 年将原来的颗粒物指标t s p 项目修改为p m l o ，1 9 9 7 5 山东建筑大学硕士学位论文 年又一次修改了大气质量标准，并规定了p m 2 5 的最高排放限值；我国已开始重视细粒 子的污染和控制问题，1 9 8 2 年首次颁布的大气环境质量标准中只将飘尘( 相当于p m l o ) 作为参考标准，而1 9 9 6 年颁布的新修订的环境空气质量标准中已将飘尘改称为可吸 入颗粒物p m l o ，并列为正式排放标准【1 8 】。 在我国尤其是在一些大中城市，颗粒物污染严重，因此，如何采用更好的方法防治 粉尘污染已经成为科研工作者所面临的一项艰巨而紧迫的任务，这对于我国控制可吸入 颗粒物污染，改善大气环境以及实施可持续发展等具有重要的理论和现实意义。 以往的研究主要集中在对可吸入颗粒物的基本特性、毒理学和源解析等方面的研究 上，对可吸入颗粒物产生机理的系统研究较少，因此对于有效地控制大气中可吸入颗粒 物的排放缺乏理论指导。 此外，国内对有组织排放的污染源研究较多，特别是对燃煤大气中大气微粒子的产 生机理和排放特性研究较多，而对于对颗粒物污染有重要影响的开放源类研究较少。相 对于城市大气颗粒物其它源类来说，开放源是一类更为复杂的源类，已成为城市环境空 气中颗粒物污染的主要来源之一。因此研究开放源类可吸入颗粒物的排放特性和控制技 术尤其重要，这对大气颗粒污染物的有效防治具有重要的意义。 综上所述，开放源类粉体物料的排放特性研究，对于可吸入颗粒物的源头治理具有 重要的理论意义和应用价值。 1 6 本论文的主要研究内容 实验所选用物料为城市大气污染源解析中的主要开放源类，主要研究物料下落过程 中影响可吸入颗粒物产生的各种因素，建立部分影响因素与粉尘排放率之间的关系模型； 通过在线喷水降低开放源类下落过程中随机性粉尘的排放，确定在线喷水最佳喷水流量， 从而寻找出最佳喷水条件，节约成本，提出降低开放源随机性粉尘产生和排放的措施和 对策。主要包括以下几方面的内容： ( 1 ) 实验物料的采集，主要采集建筑尘、黄河沙、质量尘、土壤尘。 ( 2 ) 实验物料物化特性的测定，主要包括：物料的密度、比表面积、表面形貌、粒 径分布等。 ( 3 ) 空气湿度对可吸入颗粒物排放的影响：通过模拟实验，考察不同空气湿度对黄 河沙在自由沉降中可吸入颗粒物排放的影响。 ( 4 ) 质量流量对可吸入颗粒物排放特性的影响：通过改变料机的频率来改变物料下 6 山东建筑大学硕士学位论文 落的质量流量，考察质量流量对在线加湿过程中可吸入颗粒物排放的影响。 ( 5 ) 通过各影响因素的探讨，确定最佳的实验操作条件，并建立实验条件下可吸入 颗粒物产生率与各影响因素之间的数学表达。 ( 6 ) 在线加水流量对可吸入颗粒物排放的影响：通过改变在线加湿的加水流量，考 察在线加水流量对可吸入颗粒物排放的影响。 ( 7 ) 压力对可吸入颗粒物排放特性的影响：通过改变在线加湿雾化喷头的空气压力， 考察在线加湿中空气压力对可吸入颗粒物排放特性的影响。 1 7 本论文采取的技术路线图 本论文的技术路线如图1 3 所示 开放源类自由下落过程中排放特性研究 基本特性排放特性 含水率、无机元素等 排放特性的影响因素 在线加湿对排放控制 空气湿度f 质量流量i 数学模型if 喷头压力ff 加水流量 图1 3 技术路线 f i g ，1 3t e c h n i c a lc o u r s e 7 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章可吸入颗粒物国内外研究现状 目前，国内外对于可吸入颗粒物的研究热点集中在源解析、机理研究、扩散规律以 及控制技术等方面。早期的源解析研究工作主要集中在美国，现在这一技术已经在世界 范围内得到了广泛的应用和认可，源解析的手段也日渐丰富。由于在实际生产过程中对 粉体或固体颗粒物的操作非常普遍，因此通过在实验室中模拟实际操作过程研究颗粒物 的产生机理引起了科研工作者的极大兴趣，通过模拟实际的粉体操作过程( 如自由下落过 程) ，研究影响可吸入颗粒物排放的各种因素，通过测定不同实验条件下可吸入颗粒物的 排放情况，对实验操作条件进行优化，并能进一步提出相应的降尘减排措旄，这类实验 研究对于实际生产具有很好的指导意义，因而具有广阔的研究前景【l9 1 。 2 1 可吸入颗粒物的国外研究现状 国外对可吸入颗粒物产生机理的研究起步较早，主要是在实验室模拟实际生产过程 进行的 2 0 1 。 英国社会卫生专业委员会根据粉尘产生机理开发了三种类型的实验室粉尘产生装置 来模拟随机性粉尘的产生： ( 1 ) 通过粉体物料的自由下落过程产生粉尘。 ( 2 ) 通过脉冲气流使粉体物料旋转而产生粉尘。 这类产生机理的一个典型例子是c h o w 等人建立的“再悬浮室”；朱坦等人在实验室也 开发了一套再悬浮装置，实验室模拟可吸入颗粒物的产生过程。 ( 3 ) 机械产生粉尘，这类产生机理的一个典型例子是旋转筒粉尘测试仪。 对于可吸入颗粒物排放特性影响因素方面的研究主要有： c h e n g t 2 1 1 研究了质量流量对可吸入颗粒物产生的影响，通过研究可知减少自由下落过 程中粉体的质量流量可以增加固体与气体之间相对的接触面积，从而引起单位质量测试 物料可吸入颗粒物产生量的增加。 英国w a r r e ns p r i n g s 2 2 1 实验室的工作者测试了水分含量对可吸入颗粒物产生的影响， 他们发现结合力取决于测试物料的粒径分布和水分含量，粒径组成和水分含量增加，粉 尘释放就会减少。研究还发现下落高度对可吸入颗粒物的产生也有影响【2 3 】，所产生的可 吸入颗粒物质量随下落高度增加而增加，原因是下落粉体颗粒与静止空气之间存在速度 梯度。 h e i t b r i n k 2 4 1 等人建立了一套实验装置来研究粉体质量、粒径和下落高度三个因素对 8 山东建筑大学硕士学位论文 自由下落过程中可吸入颗粒物的产生和压实的影响，并区分自由下落阶段产生的一次粉 尘与落下后粉尘再扬起产生的二次粉尘，发现下落粉体的粒径和粉体质量在自由下落和 压实过程中对可吸入颗粒物的产生具有显著影响。 a u t h i e r - m a r t i n 发现粉尘颗粒形状是影响粉尘产生很重要的参数。粉尘排放指数与工 人的粉尘暴露量之间的关系也有报道【2 5 1 。对于其它操作过程如混合、研磨、转动干燥或 粉碎等实际过程中可吸入颗粒物产生的影响因素也要进行研究。v i s s c r 开展了对通风隧 道连续倾倒煤过程中可吸入颗粒物释放的研究。 中东研究所的c o w h e r d 等人设计了一种再悬浮粉尘室并建立了一个四参数的模型， 此模型将部分质量损失关联起来，利用再悬浮室测量随机性粉尘的粒径分布和化学组成。 p l i n k e 2 6 1 等人创建出一个简单的模型用于描述可吸入颗粒物产生量与粒径组成、下落 高度、质量流量和含湿量之间的函数关系，并建立了沙、石灰、水泥和面粉的粉尘产生 函数。 维也纳工业大学的h o e n i n g e 产刀等人设计组装了一套自由下落装置，确定出不同粒径 和不同含水量物料的可吸入颗粒物产生函数，在不改变或最小限度地改变固体物质性质 的前提下确定出各种物质的最佳加湿量。目前虽然建立了一些数学模型，但还没有一种 令人信服的普适理论【2 8 】。 2 2 可吸入颗粒物的国内研究现状 在国内，源解析工作起步晚，目前仍以c m b 法主，随着研究的深入，也有了很大 的发展。如南开大学冯银厂【2 明提出7 - - 重源解析技术。李祚泳3 明将粗集理论( r o u 曲s e t s ， 简记为r s ) 弓i 入到颗粒物源解析，该理论不需要预先给定某些特征或属性的数量描述， 直接从给定问题的描述集合出发，很快能找出该问题中的内在规律。随着显微技术的提 高，单颗粒源解析准确进一步提高，解析能力也进一步增强。李晓林【3 l 】等将扫描核探针 ( s n m ) 技术与人工神经网络模式识别方法相结合，对上海市大气p m i o 进行了源解析研 究，该方法较e p m a 和l m m a 具有分辨率高和对单颗粒进行整体分析的优点：仇志军 【3 2 】等用质子微探针对上海市人民公园大气气溶胶进行单颗粒源解析3 3 1 。 1 9 9 6 年汪安璞等用扫描电镜对北京大气气溶胶单颗粒进行形貌观测和主成分分析， 并研究了颗粒物的物理化学特性与组分、形态分布特征及其和周围环境的关系。2 0 0 0 年 仇志军等用质子微探针对上海大气气溶胶单颗粒和可能的污染源颗粒物进行分析【3 引。 2 0 0 1 年孙金陵等【3 5 】用扫描电镜和电子探针微观分析法研究了郑州市t s p 尘源粒径及形 9 山东建筑大学硕士学位论文 貌特征。不同地区由于污染源特征不同，其可吸入颗粒物粒径分布也各不相同。魏复盛 等【3 6 】在2 0 0 1 年对广州、武汉、兰州、重庆等地的研究表明，广州城区p m 2 ，5 占p m l o 的 百分比为6 4 7 6 6 1 ，武汉城区p m 2 5 占p m l o 的百分比为5 2 6 一6 0 5 ，兰州城区p m 2 5 占p m l 0 的百分比为5 1 6 5 1 9 ，重庆城区p m 2 5 占p m l o 的百分比为6 1 8 一6 5 1 。 2 0 0 1 年黄业茹等【3 7 】研究了北京、东京、筑波3 个城市的大气中有机污染物的组成。 结果表明，三市的共同特点是大气气相物质中含有很高浓度的为苯环数为2 4 的多环芳 烃及碳数小于2 0 的正构烷烃，大气颗粒物中以5 “个苯环多环芳烃为主。同时研究结 果表明，采样方式对研究大气中有机污染物有很大影响。2 0 0 1 年曾凡刚掣3 8 】研究了北京 石景山地区大气飘尘中有机物的浓度及有机物的组成，饱和烃的组成、分布与来源，多 环芳烃的分布特征及成因。结果表明，该地大气受烟尘污染比受汽车尾气污染更为严重， 煤燃烧的污染重于石油燃烧的污染。2 0 0 2 年谢华林等 3 9 】研究了大气颗粒物中重金属元素 在不同粒径上的形态分布。把颗粒物的形态分析分为两组：5 2 0 和 2 0 ，采用逐级提取 方法，研究了金属在交换态、碳酸盐结合态、氧化态、有机态、不溶态分布情况【删。 在毒理学方殛【4 l 】，1 9 7 9 年以后，国内开始用a m e s 试验s o s 显色法，检测大气污染 物的致突变效应。研究发现其致突变阳性率与大气总悬浮颗粒物的浓度，季节变换相关。 大气悬浮颗粒物浓度越高，其致突变阳性率越高，呈正相关关系，其致突变性的季节差 异与各个季节的空气污染程度有关；冬季致突变性最高，夏秋较轻【4 2 “3 1 。此外大气颗粒 物还有一定的致d n a 能力损伤、诱导细胞恶性转化能力和遗传毒性【4 5 1 ，遗传毒性与 d c m 提取物浓度有显著相关性，且冬季样品的遗传毒性较强，夏季的则较弱【4 州。朱利 中等【4 7 书1 研究表明，p a i l s 的主要危害是参与生物和人类机体的代谢作用，具有“致癌、 致畸和致基因突变”等“三致”特征。 综上所述，国外对可吸入颗粒物产生机理的研究起步较早，主要是在实验室模拟实 际生产过程进行的。在国内，对大气可吸入颗粒物的研究主要集中在源解析以及特性分 析、微观特征、环境行为以及其毒害性研究方面，在可吸入颗粒物产生机理及排放特性 方面，目前国内对有组织排放的污染源研究较多，主要体现在燃料燃烧过程中可吸入颗 粒物的产生机理及排放特性方面，但对开放源可吸入颗粒物的产生机理及排放特性方面 的研究很少，对不同粉体物料自由下落过程中可吸入颗粒物的产生以及如何有效控制自 由下落过程中可吸入颗粒物的排放未见报道。 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 3 1 源样品的采集原则 第3 章实验物料的采集与前处理 开放源类是一种复合源类，具有源强不确定、排放随机性和排放位置不确定等特点， 不同城市因其工业布局、能源结构、地理环境及气象条件和地形的不同，环境大气中颗 粒物的物理、化学性质也不相同，各排放源的信息在颗粒物中均有所体现。 有些源类，其构成物质在向环境排放时，经历的是物理变化过程，如海盐粒子、火 山灰、风沙土壤、植物花粉等。采集这类源样品时，直接采集构成源的物质，以源物质 的成分谱作为源成分谱。如图3 1 所示。 物理过程 f i g 3 1t h er e c e p t o rm a t e r i a li ss o u r c , em a t e r i a l 有些源类，其构成物质不直接向环境排放，中间经历的是物理化学变化过程，如煤 炭要经过燃烧过程，建筑尘是矿石经过焙烧过程，钢铁尘经过冶炼过程等等。因此采集 这类源样品时，不能直接采集源构成物质，而应该采集它们的排放物。也就是说不能以 源构成物质的成分谱作为源成分谱，而应该以源的排放物( 飞灰) 的成分谱作为源成分 谱。如图3 2 所示。 圈一叵卜_ 一 l 源物质i i 除尘卜一受体( 飞灰i 一 燃烧、冶炼 一 图3 2 受体物质非源构成物质 f i g 3 2t h er e c e p t o rm a t e r i a li sn o ts o u r c em a t e r i a l 本文实验物料的选择主要考虑两方面t ( 1 ) 所选物料尽量价格便宜、易于获取的粉末样品。 ( 2 ) 尽量直接取自污染源，这些污染源为城市大气无组织排放的开放源类。 根据英国剑桥环境研究咨询公司2 0 0 4 年对济南市t s p 的来源解析研究表明，济南 市的t s p3 2 来自无组织排放源，其可吸入颗粒物在向大气环境排放时，主要经历物理 变化过程。根据济南市大气可吸入颗粒物的主要来源，选择建筑尘、钢铁尘、土壤尘和 黄河沙四种粉状物料作为实验物料，研究其物理、化学等基本特性，然后在实验室已建 山东建筑大学硕士学位论文 立的“微粒子控制”试验研究装置上，研究物料下落过程中可吸入颗粒物的排放特性。所 以采集这类源样品，用于研究物料下落过程中可吸入颗粒物的排放特性意义重大。 3 2 实验物料的采集 3 2 1 建筑尘 建筑尘排放源类主要指以下几种： ( 1 ) 水泥尘：水泥生产厂有组织和无组织排放的水泥飞灰。 ( 2 ) 建筑施工尘：建筑工地所排放的以水泥成分为主的建筑施工材料飞灰。 ( 3 ) 白灰尘：白灰窑有组织和无组织排放的建筑用白灰飞灰。 ( 4 ) 建筑材料堆放场的扬尘