（工程热物理专业论文）燃煤锅炉排放小颗粒污染及声波团聚排放控制研究.pdf

摘要 摘要 我国长期依赖燃煤发电的能源结构造成了较严重的环境污染，燃煤电厂排放的 烟尘是大气环境中可吸入颗粒物的重要来源之一。可吸入颗粒物尤其是细颗粒物 p m 2 5 是影响我国空气质量的重要污染物，它不仅影响全球气候环境、破坏生态系统 和历史文物，而且流行病学研究也显示对人体健康危害巨大，已引起国际社会的广 泛关注。 本文依据监测固定源颗粒排放e p a m e t h o d5 推荐的实验方法，建立了燃煤锅炉 烟气小颗粒等速采样系统和实验流程，采用冲击式尘粒分级仪，对循环流化床燃煤 锅炉烟道除尘前后烟尘进行采样实验。测得烟尘气溶胶的浓度分布以及p m l o p m 2 3 在除尘前后烟尘所占的比例，并求得电除尘器对p m l o p m 2 5 、p m l - o 的分级除尘效 率。 通过实验研究，分析燃煤锅炉烟道中可吸入颗粒物的重金属含量分布、多环芳 烃浓度以及颗粒物的显微结构和微观孔隙特性等特性。研究了挥发性元素h g 和重 金属元素p b 和c d 等在p m l o w m 25 中的分布特点，表明近9 0 的h g 存在于烟气和 飞灰颗粒中，p b 和c d 在烟尘颗粒中的浓度随粒径减小而增加，有在亚微米颗粒上 富集的趋势。分析p m - o p m 2 5 中多环芳烃含量，得到电除尘器前后颗粒物中多环芳 烃的分布，研究表明毒性当量较强的5 、6 环p a i l s 更多地吸附在粒径较小的颗粒上。 b e t 氮吸附实验研究表明小颗粒直径减小时，比表面积增加，小于2 5 岫粒子比表 面积最大，小颗粒更易于在燃烧过程和尾部排放过程中吸附和富集多种有害物质， 如重金属、多环芳烃等有机污染以及其它酸性气体等。 声波团聚是对载尘气流进行中间预处理，使含有微米和亚微米级颗粒的气溶胶 在较高强度声场碰撞、团聚而长大，以提高传统除尘装置除尘效率的一种方法。搭 建了声波团聚飞灰颗粒实验装置，主要研究声压、声波频率、停留时间、含尘烟气 浓度等试验参数对煤飞灰微粒声波团聚过程的影响。 建立了以同向凝聚作用和流体力学作用为主要机理的声波团聚模型。求解颗粒 随声波运动的夹带函数，得到夹带因子r 与相位角妒与粒径和声波频率的关系；并 求得颗粒间在同向凝聚和流体力学作用力两种机理下团聚频率系数的表达式，分析 浙江大学博士学位论文 声强、频率、粒径分布和温度等参变量对于团聚频率系数的影响。 建立了烟尘颗粒声波团聚气溶胶动力学方程并进行数值求解，与实验数据进行 对比吻合较好，分析了主要参数声压( s p l ) 、频率、烟尘浓度、团聚时间对声团聚 过程的影响，得到较优化的实验参数选取范围。 关键词：颗粒物；p m l o - p m 2 5 燃煤电厂；重金属元素；多环芳烃( p a h s ) ；b e t ： 飞灰；声波团聚；气溶胶动力学方程 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n e r g yc o n s u m e ss t r u c t u r ed e p e n d i n go nc o a lf i r e dp o w e rp l a n t sm a k es e r i o u s p o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t i nc h i n af o ral o n gt i m e p a r t i c u l a t e se m i s s i o nf r o mc o a l c o m b u s t i o ni so n eo f t h ei m p o r t a n ts o u r c g $ o f i n h a l a b l ep a r t i c u l a t e ( p ) i nt h ea t m o s p h e r e e n v i r o n m e n t p m t 0 , e s p e c i a l l yp m 25h a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n ta i rp o l l u t a n ti no n r c o u n t r ya n dh a sb e e na t t r a e t a da t t e n t i o ni nt h ew o r l da tp r e s e n t ，$ i n e oi tn o to n l ye f f e c t s t h ew o r l dc l i m a t ec h a n g e ，d e s t r o y se c o l o g ys y s t e ma n dh i s t o r ya r c h i t e c t u r e s ，b u ta l s oh a s a m o u n to f a d v e r s ee f f e c t so nh u m a nh e a l t ha c c o r d i n gt oe p i d e m i o l o g i c a ls t u d i e s f l u eg a ss a m p l ee x p e r i m e n t se m i t t e df r o mc o a lf i r e db o i l e rw o r ep e r f o r m e dt h r o u g h a ni s o k i n e t i c a l l yd e s i g n e ds y s t e ma c c o r d i n gt os o u s ee m i s s i o nu se p am e t h o d5 p a r t i c u l a t es a m p l e sw e l ee x t r a c t e df r o mf l u eg a so f c f bb o i l e r su s i n gc a s c a d ei m p a c t o r s p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dt h ef r a c t i o no fp m l 0 p m 2 5i nf l u eg a sa r ec a l c u l a t e da t u p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mo ft h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o ra n dc a p t u r ee f f i c i e n e i e so f p m l 0 p m 2 y p m l of o re s pw e r ed e r i v e di nt h et h e s i s h e a v y m e t a l sa n dp a h sd i m r i b u t i o ni np m l 0f r o mc o a lf i r e df l u eg a sw e r em e a s u r e d i ne x p e r i m e n t s c h a r a c t e r i s t i c so fs u r f a c ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n ts i z ep a r t i c l e sw e r e a n a l y z e dw i t l ll o w t e m p e r a t u r en i t r o g e na b s o r p t i o nb e te x p e r i m e n t s s e v e r a lt o x i ch e a v y m e t a l si n c l u d i n gh gc d ，p be t a lc o n c e n t r a t i o ni np a r t i c u l a t e sw a sa n a l y z e da n dt h er e s u l t s h o w st h ec o n c e n t r a t i o n so fm e d i u mv o l a t i l i t yc da n dp bi n c r e a s ew i t hd e c r e a s i n g p a r t i c l es i z ea n dt e n d st oe n r i c hi ns u b m i e r o np a r t i c l e s h gi sa k i n do fv o l a t i l ee l e m e n t ， a n d9 0 o f r i ge x i s t si nf l u eg a sa n df l ya s h p a h sc o n c e n t r a t i o ni np m l o p m 25s a m p l e d a ti n l e ta n do u t l e to fe s pw e r em e a s u r e da n dr e s u l t ss h o wt 1 1 a t5 6 - r i n gp a h sa r em o r e a b s o r b e di ns m a l lp a r t i c l e s b e ts u r f a c ea r e ao fs e g r e g a t e dp a r t i c l e sc a nb ed e r i v e df r o m h y s t e r e s i sl o o p sa n dp m 2 5h a s t h eg r e a t e s ts u r f a c ea r e ac o m p a r e dt oo t h e rp a r t i c l e s t h u s m a n yp o l l u t a n t ss u c ha st o x i ch e a v ym e t a l s o r g a n i cm a t t e ra n da c i dg a sa l ep r o n et ob e a b s o i b e do re n r i c h e di np m 25w i t h i nc o m b u s t i o na n dp o s t - c o m b u s t i o ne n v i r o n m e n t a c o u s t i ca g g l o m e r a t i o ni sa na e r o s o lp r e c o n d i t i o n i n gp r o c e d u r et oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a lp a r t i c l er e m o v a ld e v i c e s a p p l i c a t i o no fh i g hi n t e n s i t y a c o u s t i cf i e l dt oa e r o s o lc o n t a i n i n gm i c r o na n ds u b m i c r o ns i z e dp a r t i c l e sr e s u l t si nm u c h i n c r e a s e dr a t e so fp a r t i c l ec o l l i s i o n s ，a d h e s i o n sa n dt h u sa g g l o m e r a t i o n s u c hi n c r e a s e d p a r t i c l es i z e sp r o c e s si m p r o v e st h ef r a c t i o n a le f f i c i e n c yo fc o n v e n t i o n a lp a r t i c l er e m o v a l d e v i c e s a c o u s t i ca g g l o m e r a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ed o n ei nt r a v e l i n gw a v ef i e l dw i t h r e d i s p e r s e df l ya s h , a n de f f e c to fp a r a m e t e r so na g g l o m e r a t i o np r o c e s s e si si n v e s t i g a t e d s u c ha ss p l , f r e q u e n c y , r e t a i n st i m ea n dd u s tl o a d i n gc o n c e n t r a t i o n ， a c o u s t i ca g g l o m e r a t i o ns i m u l a t i 伽i se s t a b l i s h e db a s e do ut h eo r t h o k i n e t i ca n d h y d r o d y n a m i ci n t e r a c t i o n a sm a i nm e c h a n i s m s t h ce n t r a i n m e n tf a c t o ra n dp h a s e 浙江大学博士学位论文 r e l a t i o n s h i po fp a r t i c l e sm o t i o nc o m p a r e dt oa c o u s t i cf i e l di sc o m p u t e da n dt h e ya r e d e p e n d e n tu p o nt h ep a r t i c l es i z ea n df r e q u e n c y ag e n e r a le x p r e s s i o nf o rt h ea c o u s t i c a g g l o m e r a t i o nf r e q u e n c yf u n c t i o n ( a a f f ) ，w h i c hm e a s u r e st h ea g g l o m e r a t i o nr a t eo f p a r t i c l e si nas o u n df i e l d ，h a sb e e nd e r i v e dt h r o u g has t a t i s t i c a la p p r o a c h t h ea c o u s t i c i n t e n s i t y , a c o u s t i cf r e q u e n c y , p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n dg a st e m p e r a t u r ee f f e c t so nt h e a g g l o m e r a t i o nf r e q u e n c yf u n c t i o ni sa n a l y z e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a e r o s o ld y n a m i c se q u a t i o no ff l u eg a sa c o u s t i ca g g l o m e r a t i o ni sd e r i v e da n dt h e n u m e r i c a ls c h e m et os o l v et h ee q u a t i o n si sd i s c u s s e d t h er e s u l t so ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na r ec o m p a r e d 谢t l lt h ee x p e r i m e n t sr e s u l t sa n dh a v ea9 0 0 da g r e e m e n t t h e e f f e c t so fi m p o r t a n t sp a r a m e t e r so na c o u s t i ca g g l o m e r a t i o np r o c e s ss u c ha ss o u n d p r e s s u r el e v e l ，f r e q u e n c y , m a s sl o a d i n ga n da g g l o m e r a t i o nt i m e a r ec a l c u l a t e da n d d i s c u s s e da n da no p t i m a lp a r a m e t e r sr a n g ew e r er e c o m m e n d e da c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：p a r t i c u l a t em a t t e r ；p m l o ；p m 2 5 ；c o a l f i r e db o i l e r ；h e a v ym e t a l s ；p a h s ；f l y a s h ；a c o u s t i ca g 百o m e r a t i o n ；a e r o s o ld y n a m i c se q u a t i o n 学号1 0 1 0 8 0 4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘至三盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 刍，鸡签字日期：抛，占年f 2 月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘鲎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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 徐鸡导师繇荟易f 乞 签字日期： 州年j 月艿日签字日期：崩年ln f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：中国计量学院计量技术工程学院 通讯地址：浙江省杭州市下沙高教园区 电话：0 5 7 1 8 6 9 1 4 5 4 2 邮编：3 1 0 0 1 8 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当前，环境保护已成为各国政府部门和科学家所关心的核心问题之一，尤其 是大中城市空气质量的不断恶化已引起公众的普遍关注大气环境中可吸入颗粒 物是引发城市大气酸雨、光化学烟雾和空气能见度的重要因素，可吸入颗粒物对 人体健康的危害也引起各国科学家的严重关注。燃煤电厂和燃煤锅炉排放的可吸 入颗粒物以及更细小的p m 25 不同于来源于自然界的尘土等颗粒物，通常富集了 各种重金属元素和多环芳烃( p a h s ) ，v o c s 等有机污染物，这些物质有致癌、 致畸、致突变性，对人体健康有较大危害。目前国内针对燃煤排放p m 2 5 的物理 化学特性研究报道较少，对大气颗粒物的广泛监测还停留在p m l o 的阶段，对空 气中p m 2 5 的监测仅有在个别城市、间断采样的监测报道。研究燃煤排放的可吸 入颗粒物污染首先需要了解我国目前的能源发展战略、我国电力工业的发展现状 和未来一段时间内的发展趋势，以和于从宏观和整体上把握课题研究的必要性、 重要性，并探讨综合治理和控制可吸入颗粒物排放的合理方案。 1 1 1 我国韵能源战略 煤炭作为主要能源，在相当长的时间内在我国能源结构中的地位不会改变。 我国煤炭的消费主要是直接燃烧，这造成我国大气污染是典型的煤烟型污染。我 国煤炭中约有4 0 用于燃煤发电，对大气污染、水污染和人类健康造成了巨大的 经济损失。据统计2 0 0 0 年燃煤排放的s 0 2 和烟尘分别占全国总排放量的9 0 和 7 0 左右，c 0 2 和n o x 也分别占8 0 和6 5 左右。2 0 0 1 年我国工业烟尘排放总 量为1 0 5 9 万吨，其中火力发电业烟尘排放量为2 8 9 7 3 万吨【。烟尘排放量是指 企业厂区内燃料燃烧产生的烟气中夹带的颗粒物总量，据估计1 吨煤可排放1 5 k g 烟尘，而1 吨颗粒物造成的健康损失为9 9 6 0 - - - - 2 1 5 8 0 元吨【2 m 孤。中国的能源结构 和资源条件决定了中国的环境污染是煤烟型污染，因此要控制污染，就必须控制 煤炭的直接燃烧和燃烧后的排放问题。 1 1 2 我国电力工业的现状和发展趋势 电力工业是国民经济中最重要的基础能源产业，作为一种先进的生产力和基 础产业，电力工业对促进国民经济的发展和社会进步起到重要作用。随着国民经 浙江大学博士学位论文 济对电力需求的增长，我国的电力工业规模不断扩大，效益有所提高，取得了很 大成就。 自1 9 9 5 年以来，我国电力工业取得了较快发展，1 9 9 5 年我国进行的全国工 业普查表明，全国发电量为1 0 0 7 0 3 亿k w h ，其中火电为8 0 2 3 6 亿k w h ，占据很 大的分额。至2 0 0 3 年，全国装机容量扩充至为3 9 6 2 0 9 4 万k w ，发电量为1 9 1 0 5 7 5 亿k w h ，比1 9 9 5 年增长8 9 4 5 【4 1 。其中火电为1 5 8 0 3 6 1 亿k w h ，占总发电量的 8 2 7 2 ，在电力结构中占据了较大的比例。 我国发电装机容量和发电量均居世界前列，但人均发电量远远低于发达国 家，1 9 9 5 年的人均电量仅8 3 1 k w h a ，不到美国1 9 7 0 年入均发电量的九分之一。 由于我国经济高速发展，产业结构发展不均衡、不合理，近几年电力供应出现较 严重的紧缺现象。2 0 0 2 年第一季度有1 2 个省级电网出现拉闸限电，2 0 0 3 年扩大 到2 3 个省级电网，2 0 0 4 年第一季度全国有2 4 个省级电网出现拉闸限电，可见中 国电力建设任重而道远。 尽管自1 9 9 5 年以来我国电力工业取得了较快的发展，但是电力品种和结构 仍有待调整，表1 1 显示了1 9 9 5 年至2 0 0 3 年间我国历年发电量及结构分布，由 此可见，火电所占据的比例连年居高不下。大力兴建火力发电厂，不仅消耗了更 多的煤炭，加剧运输紧张，而且对生态环境造成了严重的破坏。此外，从火电装 机的规模结构来看，中、低压小火电机组比重过大，而高效率、大容量的机组比 重仍有待提高。在火电装机中，发电机组平均规模容量不到2 0 万k w ，与相应的 3 0 、6 0 万k w 经济规模机组差距很大。由于电力装机不足，很多中、低压小火电 机组仍在超期服役，这些机组的老化和燃烧、除尘设备的效率低下，产生了更多 的污染物排放，如果继续按照目前的速度扩张火力发电，我国将面临严峻的环境 保护问题。 表1 11 9 9 5 2 0 0 3 年我国历年发电量及结构单位：亿k w h 随着新能源的采用和发电用煤技术的提高，并且受行业竞争和环保要求的限制， 2 第一章绪论 煤电在我国电力能源消费总量的比例将会逐年下降。据有关部门预测的，2 0 0 0 、2 0 1 0 、 2 0 2 0 、2 0 3 0 年煤电比例将分别为8 1 、7 2 6 、6 5 6 、6 5 3 。尽管如此，以煤 电为主的发电格局仍将不会改变，煤炭发电仍然起着主导作用【5 1 。我国水电资源丰 富，居世界首位，可开发装机容量3 7 8 亿k w ，发电量1 9 万亿k w h ，水电又是清 洁可再生能源，因此，未来2 0 年内，水电将是我国电力工业发展的重点，2 0 2 0 年 水电装机容量将达2 6 亿k w ，发电量8 0 0 0 亿k w h 。预计到2 0 2 0 ，我国核电装机容 量将可能达到4 0 0 0 万k w , ，占总装机容量的4 2 ，发电量2 6 0 0 亿k w h ，占发电总 量的6 1 。 调整电力结构和能源结构是控制我国燃煤电厂的污染的有效措施然而在今后 相当长一段时间内燃煤电厂的仍将占据较大比例的现实，要求加强燃煤电厂污染控 制，研究污染物的物理化学性质和控制方法，是当前工作的重点。 1 0 0 鬟8 0 谕 差6 0 蕊 删 粤4 0 锱 茬 谁2 0 0 ； l ； ； ； _ j ； 垦i乳7豇豇豇【。豇l爹 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 81 0 9 9 2 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 年份年 口火电 水电 口核电 图1 11 9 9 5 2 0 0 3 年我国历年发电量中火电、水电、核电所占的比重 1 1 3 燃煤发电产生的污染物 综上所述，煤炭是我国电力的主要来源，目前煤炭占我国一次能源的7 5 左右， 在可预见的未来几十年内，煤炭仍将是我国主要的一次能源，这决定了在我国的电 力工业中，燃煤火力发电将长期占据主导地位。这种长期依赖燃煤发电的能源结构 造成了严重的环境污染，燃煤电厂产生的污染物主要有可吸入颗粒物( p m l o ) 、二氧 化硫、氮氧化物、有机物和痕量气体元素等，其中可吸入颗粒物的潜在危害已引起 国际社会的广泛关注口l 。 煤炭燃烧是我国大气的最大污染源，其所消耗的能量为世界消耗量的8 - - 9 ，但 二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳的排放总量约占世界排放量的1 5 1 、l o 1 、1 3 5 【”。当前我国每年火力发电的煤炭消耗量已超过8 亿吨，电厂烟尘排放量约为3 0 0 万吨，占全国工业烟尘排放量的3 5 。其中粒径小于1 0 微米( 可吸入颗粒p m l o 的 3 浙江大学博士学位论文 粒径范围) 的烟尘排放量超过2 0 0 万吨。 研究表明可吸入颗粒物不仅影响气候和空气质量、破坏生态环境和历史文物， 而且严重危害人体健康，导致呼吸系统疾病、心血管系统疾病甚至致癌，特别对儿 童哮喘等呼吸道疾病威胁更大【7 1 。由此引起的环境污染问题也越来越严重，国家环 保局和各级地方环保监测部门的数据显示我国城市空气中，可吸入颗粒物( p m l o ) 已成为影响空气质量的重要污染物。 1 2 大气中p m l d v m 2 5 的来源、分布和源解析 大气污染物中二氧化硫、氮氧化合物的危害，已为公众所熟知，但是，北京 和我国不少大中城市公布的空气中主要污染物，已不单是几年前常指的二氧化 硫，而常常是可吸入颗粒物。可吸入颗粒物是通过鼻和嘴进入人体呼吸道的颗粒 物总称，p m 2 5 是更小的粒子，是能够进入人体肺泡甚至血液系统中去的细微粒子， 会直接导致人体疾病。城市中p m 2 5 大部分来自各种燃烧过程。因为它十分细小， 比表面积较大，通常富集各种有毒有机物和重金属元素( 如砷、硒、铅、铬、汞 等) ，这些多为有毒物质、致癌物质和基因毒性诱变物质，危害极大。 1 2 1p m p m 。的定义、来源和分布 大气颗粒物是指分散在大气中的固态或液态颗粒状物质，根据其粒径大小， 可以划分为： 总悬浮颗粒物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c i c u l a r ，t s p ) ：指能悬浮在空气中，空气 动力学当量直径 1 0 0 p m 的颗粒物。 降尘，粒径大于1 0 1 m a 的颗粒因其重力作用可迅速下沉。 飘尘p m l 0 ，国际标准化组织建议称之为可吸入颗粒物( i n h a l a b l ep a r t i c l e 简 称i p ) ，空气动力学当量直径 1 0 1 1 m 。我国的环境空气质量标准 s l ( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中定义可吸入颗粒物是指悬浮在空气中，空气动力学当量直径 1 0 m a 的颗粒物，用符号p m l o 表示。 可吸入颗粒物可以分为细颗粒和粗颗粒。其中0 - 2 5 娜段的颗粒称为细颗粒 p m 2 5 ( f i n ef r a c t i o n ) ，2 5 1 0 1 x m 称为粗颗粒段( c o a r s ef r a c t i o n ) 。 细颗粒主要是由燃烧或其他高温过程排放源产生的一次颗粒物和大气中的 二次颗粒物组成，而粗颗粒主要是机械过程、地面杨尘等过程产生的。大气中可 吸入颗粒物p m l o 和细颗粒p m 25 包括一次颗粒和二次颗粒。一次颗粒指直接排放 到大气中的颗粒，而二次颗粒是诸如可凝结的有机化合物、硫氧化物、氮氧化物 和氨等前驱体在大气环境中经过光化学反应形成的颗粒。 4 第一章绪论 大气中颗粒物的典型分布如图1 2 所示，颗粒物在大气环境中呈现双峰分布， 最少分布位于空气动力学直径1 至3 9 m 之间【9 j 。p m l o 颗粒中粗颗粒质量百分比较 大，但细颗粒p m 25 数量百分含量巨大。 根据流行病组织的研究结果，美国1 9 9 7 年7 月颁布了p m 25 新标准，该标准 仅限定了颗粒粒径和质量浓度，而没有涉及到颗粒的化学组成和毒理性方面的性 质。环境中的颗粒物是多种排放源产生的不同粒径和类型颗粒组成的非常复杂的 混合体，粒径、化学组分和排放源的类型决定了暴露在人群中对健康的影响，然 而目前有关细颗粒的化学组成、特别是金属成分和有机物成分的相关信息知之甚 少，有关颗粒物的化学性质与周围环境空气扩散条件之间的关系以及在环境中的 变异性等因素的影响研究得很少。 薹 主 l l 爿口彝憎啡k p , a u b a e 阳m 蝴i e 均呻 c 。q _ - _ 蜘8 _ ，一m 口口d 叫。_ _ r 帅r 晰1 0 - t 0 时一 一m f m 5 长象淼一# 5 - 1 0 图1 2p m l o 和p m z s 相关的大气颗粒物典型粒径分布1 0 】 1 2 2 可吸入颗粒物p m ，j p m z 。源解析 源解析研究主要指对不同地点、不同季节、对不同污染源排放的气溶胶种类、 浓度、组分进行监测，得到不同污染源排放对空气质量下降的相对责任了解悬 浮细颗粒物的成分、浓度和源解析对于有效而经济地控制污染非常关键。以下对 国外一些城市和地区以及我国一些城市p m l o p m 2 5 源解析进行研究。 巴西圣保罗冬夏季气溶胶源分布研究，通过实时气溶胶监测器( t e o m ) 提供 p m l o p m , 5 气溶胶质量浓度，多层过滤系统采集粗细颗粒p m 2 如l o 和p m 2 5 ，用 p i x e 检测了大约2 0 种元素的浓度，得到冬季和夏季不同排放源对p m 2 5 的贡献， 5 浙江大学博士学位论文 结果显示机动车尾气污染非常严重，冬季p m l o 、p m 25 的平均浓度为7 7 、3 2 t g m 3 ， 夏季p m l 0 、p m 25 的平均浓度为3 0 、1 5 i t g m 3 1 1 l 。 澳大利亚b r i s b a n e 源解析研究表明：土壤扬尘、水泥工业、海洋气溶胶、汽 车尾气和二次气溶胶是p m l o 的主要来源【1 2 】。用化学质量平衡( c 9 8 ) 、目标转移 因子分析( t t f a ) 和多元线性回归( m l r ) 法得到的源解析结果彼此吻合。 化合物 1 0 6 生物质燃 烧 7 4 图1 3 澳大利亚b r i s b a n ep m i o 源解析 瑞士从1 9 9 8 年起就展开p m 2 小p m l o 研究，是欧洲长期监测p m 2 f 5 、p m l o 的国家之一。较长一段时间内p m 25 均值为7 。9 - 2 4 4 g m 3 ，p m 2 5 p m l o 比值在 0 7 5 0 7 6 之间【1 6 i 。冬季p m 2 5 、p m l o 浓度最高，而春季最低，分析认为除了气象 条件的影响之外，冬季燃煤取暖对其影响较大。 香港2 0 0 0 ，1 1 2 0 0 1 ，2 间在布置采样点测得的p m l o 浓度为7 3 1 1 - 8 3 5 2 t t g m 3 ， p m 25 为4 2 3 7 5 7 3 8 p g m 3 ，p m 2 妒m l o 质量比为o 5 3 0 7 8 ，p m 2 5 浓度占据相当 的份额。p m l o 、p m 2 5 中有机炭( o c ) 和元素炭( e c ) 浓度分别为1 0 1 6 - 1 2 0 2 t t g m ， 6 8 6 - , - , 7 9 5 p g m 3 ，p m 2 5 中o c 、e c 分别占7 4 、7 9 以上，表明0 c 和e c 是香 港大气气溶胶的主要成分之一，o c 主要来自于一次气溶胶的排放【2 3 】。 北京面i 临着严重的空气污染问题，尤其是大气中较高的可吸入颗粒物浓度。 2 0 0 0 至2 0 0 4 年间，p m l o 的浓度在1 4 0 1 6 5 1 t g m 3 范围内，在北京市区和周边地区 测得的p m 25 的平均浓度为l o l p g m 3 ，占p m l o 的6 0 0 6 0 左右【1 3 】。与之比较，在 h o u s t o np m 25 的浓度仅为2 1 t t g m 3 【1 4 1 ，在p i t t s b u r g h 为1 5 5 r t g m 3 【1 5 】，美国b a l t i m o r e 为2 1 o p g m 3 ，欧洲2 l 国研究报告中p m 25 监测值为3 7 4 4 9 1 t g , m 3 t 1 6 1 。北京大气 6 第一章绪论 环境中高浓度的细颗粒使空气能见度变得很差，空气能见度主要受含碳的细颗粒 的影响，空气中含碳颗粒增加时，光散射系数和光吸收系数均变大，d a v i s i l ”研 究中国五个城市的悬浮颗粒性质，发现平均的光散射系数和光吸收系数比美国城 市该值高出很多。 北京i m 2 5 中有机碳的浓度为2 0 9 9 9 m 3 ，用化学质量平衡受体模型( c m b ) 解析源分布得到：尘占2 0 ，二次硫酸盐、硝酸盐和氨气溶胶总和为3 3 ( 分 别为1 7 、1 0 和6 ) ，煤燃烧占7 ，柴油和汽油排放为7 ，生物质气溶胶 占6 0 0 ，香烟和植物气溶胶各为l 【l 踟。但是采用不同的分析方法得到的源解析有 较大的差异，s o n ge ta 1 【1 9 l 根据正交矩阵因子分析法( p m f ) 解析北京p m 2 5 源分 布，结果为煤燃烧的贡献为1 9 ，高于c m b 分析得到的7 ，由于北京5 0 以 上的能源是煤炭燃烧所提供的，因此这个数据显得更为合理、可信。而二次硫酸 盐、硝酸盐气溶胶以及交通排放的气溶胶为1 7 、1 4 和6 ，两个模型的结果 比较一致。二次气溶胶对p m 25 的贡献相当可观占到3 0 以上，因此s o n g 建议 北京用燃烧天然气代替燃煤，不仅可以减少飞灰引起的一次颗粒物排放，丽且可 减少二次颗粒前驱物s 0 2 、n o x 和有机气溶胶的排放。 气溶胶中的有机物即可以颗粒物的形式直接释放形成，也可在大气中由气体 物质通过物理化学吸附或光化学反应形成( 如二次有机气溶胶) 。北京p m 25 中 碳气溶胶研究显示含碳的物质包括有机碳( o c ) 和元素碳( e c ) 是p m 25 的主要成 分之一，有机碳和元素碳随季节有较大的变化，2 0 0 1 2 0 0 3 年间在北京市区和郊 区得到的采样结果表明：2 0 0 1 2 0 0 3 年问在北京市区和郊区得到的采样结果表明： 夏季o c 和e c 平均浓度为1 0 7 - + 3 6 和5 7 2 9 峙m 3 ，冬季o c 和e c 平均浓度为 3 6 7 + 1 9 4 和1 5 2 _ + 1 1 1 i _ t g m 3 。夏季和冬季含碳气溶胶的浓度分别占烈p m 2 s 的 1 8 4 + 3 5 和3 7 2 1 2 7 ，而有机碳占总碳( t c ) 的7 0 以上1 2 0 】。由于有相当长 一段时间的采暖期，北京冬季p m 2 5 颗粒中o c 和e c 的浓度高于夏季。气固转 变和挥发性有机物的凝结是二次有机碳气溶胶( s o c ) 的主要来源，约占有机碳 的5 0 。比较z n 、k 、和p b 等痕量金属和o c e c 的浓度，认为冬季煤燃烧是北 京p m 2 5 中含碳物质的主要来源，而交通污染、生物质燃烧和其他工业排放是夏 季0 c 和e c 的主要来源。 在台湾高雄市，p m 25 、p m i o 中碳气溶胶分别占2 1 2 、1 8 1 ，有机气溶胶 ( o c ) 是碳气溶胶的主要成分，p m 2 5 、p m l o 中有机碳气溶胶占总碳( t c ) 的7 2 2 、 7 0 4 p m 25 、p m l o 中气固转变形成的二次有机气溶胶分别为有机气溶胶总量 的4 0 o 、3 2 4 1 2 4 1 。 西安市在1 9 9 5 1 9 9 7 年间，t s p 、s 0 2 和n 吼的平均浓度分别为4 1 0 、3 9 和 7 浙江大学博士学位论文 4 3 t t g m 3 ，p m l o 约占t s p 的6 0 - - - 7 0 ，在春、夏、秋、冬四季中，冬季气溶胶样品 中的s o , 2 - 、n o ，一浓度最高，分别达到3 4 0 、6 5 t t g m 3 。冬季燃煤采暖对t s p 、s o 。、 n 0 ，一浓度均有较大的贡献1 2 2 】。 陶俊掣2 1 】对重庆市t s p 源分布作研究，但不是针对p m l o w m 25 。到2 0 0 2 年 为止，重庆市环境空气中s 0 2 浓度为9 4 t t g m 3 ，n 0 2 浓度为3 8 p g m 3 ，t s p 、p m l o 浓度分别为2 1 7 t t g m 3 、1 5 2 t t g m 3 。除n 0 2 达到国家二级空气质量标准规定的年均 限值外，其余三个指标均超标。重庆的环境空气质量在重庆市整个主城区来看， 建筑尘对t s p 的贡献率为2 4 6 ，扬尘为3 0 ，3 ，煤烟尘为1 8 1 ，机动车尾气 尘为1 0 o ，钢铁尘为7 6 。建筑尘、扬尘和煤烟尘三者对t s p 的贡献率为7 3 o ， 是各区主要大气t s p 的贡献者。x r f 技术分析t s p 中c r 、c u 、z n 和p b 四种重 金属浓度时间和空间分布，发现重庆市大气中重金属污染是比较严重的，重金属 污染随季节发生较明显变化，秋季最严重，冬、夏、春季次之。秋季大气t s p 中 c r 、c u 、z n 和p b 重金属的质量浓度分别达到8 7 i t g m 3 ，o 0 7 p g m 3 、0 9 8 t t g m 3 、 o 2 9 t t g m 3 。因此要改善空气质量，保护人体健康、提高空气能见度，必须控制颗 粒物的排放，减少环境空气中可吸入颗粒物的浓度。 1 。3p m l 0 ，p m 2 5 环境空气质量标准和健康危害 目前国际上大多数国家都规定了空气中可吸入颗粒物p m 。o 的质量标准，一 些国家更进一步制定了p m 2 5 环境空气质量。美国环保署( u se p a ) 1 9 9 7 年7 月颁布了新国家空气质量标准( n a a q s ) 。其规定环境空气中细颗粒物p m 2 5 标 准为年均值1 5 t t g m 3 ，2 4 小时均值6 5 t t g m 31 2 5 。芬兰p m l 0 标准是1 9 9 6 年9 月制 定的，为每月2 4 小时第二个高点不大于7 0 t t g m 3 ，年均值不大于5 0 t t g m 3 ；世界 卫生组织p m l 0 标准为2 4 小时平均浓度7 0 t t g m 3 【2 6 1 ；欧共体( e c ) p m l 0 空气质 量标准分两阶段执行，第一阶段( 2 0 0 5 年1 月) 均值3 0 t t g m 3 ，第二阶段( 至2 0 1 0 年1 月) 年均值2 0 t t g m 3 ，2 4 小时均值5 0 t t g m 3 ，每年不得超过2 5 次( 2 0 0 5 年) ； 每年不超过7 次( 2 0 1 0 年) 。 我国在1 9 9 6 年颁布了新的p m l o 空气质量标准，其中二级空气质量标准为 1 0 0 t t g m 3 ，但还没有制定p m 2 5 标准。此外我国环境空气质量标准中还涉及铅污 染和苯并 a 】芘污染控制标准。 然而，关于p m 2 5 标准制定和执行，难点在于采样分析系统和测试仪器的差 异，不同的测试方法得到的数据不是特别有可比性，不准确度有时达到5 0 ，测 试空气质量的网络在地域分布上不够充分。 第一章绪论 目前毒理学研究认为细颗粒物的健康危害与其化学成分、在肺部沉积