（环境工程专业论文）燃煤电厂排放颗粒物对大气污染的监测与危害研究.pdf

摘要 可吸入颗粒物是巾国城市大气环境的首要污染物，北京市大气中p m i o 为2 5 3 1u g m 。( 2 0 0 3 ) ，是国家：级日标准1 5 0 ug m 3 的1 6 9 倍，p m 25 为1 4 5 2 ug m 3 ( 2 0 0 3 ) 是 美国日平均值6 5ug m 3 的2 倍多。可吸入颗粒物可致癌、致畸和致基因突变，对健康 危害极大，粒径小于2 5 0 n 的细颗粒部分，对人体和环境产生的危害更为巨大。 在可吸入颗粒物中，燃煤电厂排放这类固定污染源，起着重要作用，因此研究燃煤 电厂排放的颗粒物对环境和人体监看的危害，是目前大气污染研究的焦点之 。 我国煤炭产量居全球首位，7 0 以上的能源，有赖于煤炭。以煤为燃料的电厂占火 力发电的9 6 ，年排放烟尘达2 8 9 7 3 万吨( 2 0 0 1 ) 。本项研究选择首都北京作为城市大 气污染的代表，对其冬季供暖期燃煤电厂排放的p m 。p 地；进行了实地监测，对取得的 数据，进行了分析，研究其质量浓度的变化现状，并对燃煤电厂排放可吸入颗粒物的形 成机制、演化现状，物理化学特性进行探讨研究。 燃煤电厂排放的大气污染物对下风向居民人体健康的影响，则以河南焦作市为例， 做了呼吸道疾病调查和颗粒物毒理学和流行病学的分析和探讨。 关键词：燃煤电厂，p m l 0 ，p m 2 。5 ，可吸入颗粒物，流行病学 a b s t r a c t i n h a l a b l ep a r t i c l e s ( i p ) a r eo n eo ft h ec h i e fa i ro l l u t a n t si nc h i n a i tb a d l y e f f e c t so nh u m a nh e a l t h ，e s p e c i a l l yt h o s ew h o s e a e r o d y n a m i ce q u i v a l e n t d i a m e t e ra r el e s st h a n2 5 u m a m o n g t h ei n h a l a b l ep a r t i c l e s ，c o a l f i r e dp o w e r p l a n ta st h ef i r s tp o l l u t a n t s o u r c ep l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei n e m i t t i n gt h ep m l oa n dp m 2 5 t h e r e f o r e c o a l - f i r e dp o w e rp l a n te m i t t e di n h a l a b l ep a r t i c l e sa r ed r a wm u c ha t t e n t i o ni n r e c e n ty e a r s c h i n ai st h e l a r g e s tc o a lp r o d u c ec o u n t r yi nt h ew o r l d m o r et h a n7 0 p e r c e n to fe n e r g yc o m e sf r o mc o a l ，a n dm o r et h a n9 6p e r c e n to ft h e r m a lp o w e r p l a n ta r eu s i n gc o a l ，a n dt h et o t a lv o l u m eo fe m i t t i n gs o o tr e a c h e st o2 8 9 7 3 x10 4 t o n s t h u st h ea i rp o l l u t e dc i t i e sa r ei n c r e a s i n gy e a rb yy e a r t h i sp a p e rc h o o s e st h eb e i j i n gc i t ya sar e p r e s e n t a t i o no fa i rp o l l u t e dc i t y t om o n i t e rt h ec o n c e n t r a t i o no fp m 1 0a n dp m 2 5e m i t t e df r o mc o a l f i r e dp o w e r p l a n td u r i n gw i n t e rs e n s o n d a t ao b t a i n e da n do t h e rr e s u l t ss u c ha sf o r m i n g m e c h a n i s m ，v o l u t i o np r o c e s sa sw e l la sp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa r e a n a l y s e d t h ea i rp o l l u t a n t sf r o mc o a l f i r e dp o w e rp l a n td oh a r mt od o w n w i n d r e s i d e n t s t h ed i s s e r t a t i o nh a sj i a o z u oc i t ya sac a s e ，t h ed a t ao nr e s p i r a t o r y t r a c td i s e a s ea r es u r v e y e da n da n a l y z e d ，a n ds o m es t u d i e sa b o u tp m t o x i c o l o g y a n de p i d e m i o l o g ya r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：c o a l f i r e dp o w e rp l a n t ，p m 10 ，p m 2 5 ，i n h a l a t a b l ep a r t i c l e ， e p i d e m i o l o g y 郑重声明 y7 8 2 4 6 3 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽 窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由 此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者：名次 。多年f 月7 。日 郑州大学硕士毕业论文 第一章绪言 工业革命极大地加快了人类社会文明发展的步伐，使人们享受工业文明创造的丰 硕果实的同时，也遭受着随之而来的环境污染和生态破坏等各种环境问题的危害，一 系列的环境问题使人类认识到环境保护的重要性。 能源是人类社会的物质基础，其重要性在经济发展速度快速增长的今天日益显现。 2 0 0 3 年8 月中旬发生的美加大停电，使人们进一步认识到能源在现代文明中的重要地 位。因此，如何实现能源的可持续发展，是一个十分重要的问题。目前，人类所需要 的能源绝大部分是通过化石燃料燃烧获得的，包括煤炭、石油、天然气、油页岩等， 正是这些能源的燃烧利用，已经给人类赖以生存的环境构成了严重威胁。随着工业经 济的高速发展，对化石燃料的需求量将愈来愈大，这些燃料在燃烧过程中产生大量的 污染物，污染了大气环境。在大气污染较严重的城市，肺癌及其他器官癌症患病率高 于一般城市，更高于农村，主要是化石燃料燃烧释放的某些化学致癌物所致。 火电厂排放的大气污染物在整个工业系统中占很大比例。火电厂主要是以燃烧煤 炭为主，在燃烧过程中有大量的粉尘、二氧化硫及氮氧化物等气体产生。 由于我国矿产资源的特点，以煤炭为主的能源利用状况在将长期存在，燃煤产生 的污染物在我国尤其应该受到熏视。作为燃煤排放的重要污染物之，颗粒物尤其是 粒径较小的可吸入颗粒物，近几年来受到国内外研究者的重视，这正是本论文关注所 在。 一我国能源结构现状及发展趋势 1 世界能源利用现状及预测 据世界能源理事会和国际应用系统分析研究所的“2 0 5 0 年及2 0 5 0 年以后时期全 球能源展望”的分析，世界经济产出到2 0 5 0 年增长3 0 倍，2 1 0 0 年增长1 0 1 5 倍； 到2 1 0 0 年，目前的发展中国家人均收入将达到或者超过发达国家水平，并消除目前存 在于发展中国家和发达国家之间的差异；2 0 5 0 年前，全世界对于能源服务的需求将有 很大增长。 目前，矿物能源的消费增长缓慢，核电和水电略有增长；在可再生能源中，风力 郑州大学硕士毕业论文 发电和太阳能发电增长较快，然而，矿物能源所占比例依然很大，并且在较长时间内 保持不变。据统计，全世界2 0 0 1 年一次能源总消费量达到9 0 9 5 6m t o e ( 百万吨油当 量) ，其中矿物能源总消费量为7 9 5 6m t o e ，占一次能源总消费量的8 7 5 ，比2 0 0 0 年 度增长1 3 ，为1 9 5 0 年的4 6 倍。 在能源的变革时期，人们特别关注2 1 世纪的能源需求预测。目前有多种预测模式， 虽然预测期限有所不同，但都说明能源需求会继续增长。国际能源署( t e a ) 对世界能 源需求的预测如下：全世界一次能源的需求量2 0 0 0 年为9 1 7 9 m t o e ，2 0 3 0 年增加到1 5 2 6 7 m t o e ，增长6 6 3 3 ，其中煤炭到2 0 3 0 年增加到3 6 0 6m t o e ，增加5 3 ；世界终端能源 消费量2 0 0 0 年为6 0 3 2 m t o e ，到2 0 3 0 年增加到1 0 0 8 0 m t o e ，增长6 7 1 1 ；世界发电量 2 0 0 0 年为1 5 3 9 1 万亿k w 。h ，到2 0 3 0 年增加到3 1 5 2 4 万亿k w - h ，增长1 0 4 8 2 ；而 世界总装机容量由1 9 9 9 年的3 3 9 7 亿k w 增加到2 0 3 0 年的7 1 5 7 亿k w ，增加1 1 0 6 8 。 2 1 世纪前3 0 年的能源结构仍以矿物能源为主，可再生能源( 不包括水能) 在一次能源中 的比重，2 0 3 0 年只比2 0 0 0 年增加了1 个百分点。i ” 2 我国能源结构现状及发展趋势 我国主要能源的证实储量占世界总量的比例较小：石油为2 3 、天然气为0 9 、 只有煤炭为两位数，为1 1 6 。但我国的能源消费量占世界总量的比例，都高于储量 所占比例：石油为6 5 、天然气为1 o 、煤炭为2 2 。 中国煤炭储量和消费量分别居世界第3 和第2 位，石油储量和消费量分别居世界 第1 1 和第3 位，而天然气无论储量、产量和消费量都处在相对落后位置。与世界平均 水平相比，中国能源储采比相对偏低，石油、天然气和煤炭储采比分别为1 9 9 、4 5 1 和1 0 5 。煤炭对世界能源消费始终具有重要意义，从2 0 0 0 年到2 1 0 0 年的一次能源构 成中始终有近3 0 的份额。在我国，这个比例还要高得多，达到5 0 一6 0 。随着经济 的发展，我国不仅要进口石油和天然气，还可能要大量进口煤炭。 由表1 1 可以看出，2 0 0 2 年，煤炭在我国能源中所占比例与其它国家相比，明显 高很多，世界平均水平为2 5 5 ，我国高达6 5 6 。1 9 9 8 年中国工程院的一项研究预 测提出，2 0 5 0 年中国能源结构中，煤炭等石化燃料占7 0 8 ，水电占7 4 ，核电占 7 o ，其他新能源占1 4 8 。可以看出，未来几十年，煤炭在我国能源结构的情况， 和在国际能源结构中一样，扮演着重要角色，并且所占比例要大得多。 中国在经济发展过程中，能源体系没有融入世界经济体系，能源结构没有改变以 郑州夫学硕士毕业论文 煤炭为主的格局。作为煤炭资源丰富的国家，经济的进一步发展，能否触发中国能源 消费结构向以油气为主的方向转换，是中国能源战略决策中一个值得研究的战略课题。 图1 1 我国能源结构中煤炭所占比例与世界水平的比较( 以2 0 0 2 年为例) 石油 2 4 巾国世界平均 表1 12 0 0 2 年世界主要国家能源结构及利用效率比较f 2 1 石油 譬穸警鳄 ，紫潼 郑州大学硕上毕业论文 二我国燃煤电厂运行及污染状况 1 国外状况 国外电力技术发展正向商效率、环保型的方向迈进。各种分析表明，在发电用一 次能源的构成中，以煤为主的局面在相当长的时问内不会改变。为保持煤电的经济性 及环保性，最为成熟的技术应为超临界大容量机组。此外整体煤气化联合循环技术及 增压流化床联合循环技术，作为示范性的环保型新型高效发电技术将在以后的煤电领 域发挥更大的作用。 近年来西欧、美国等国大力发展风力发电，此外对太阳能、生物质能等可再生能 源也加大了开发力度。如德国目前正大力开发诸如太阳能、风能、生物能等可再生能 源，计划到2 0 1 0 年使“生态能源”的发电量占到全国发电总量的1 0 ，5 0 年后力争使 可再生能源成为主要能源。而英国政府也计划到2 0 1 0 年使可再生能源发电能力达到全 国总发电量的1 0 ，到2 0 2 0 年将达到2 0 ，其中8 0 来自风能。在丹麦有2 万多人 从事风电产业工作，其营业额已达到3 0 亿欧元，风力发电为全国提供了2 0 的电力， 这一比例位居世界第一。 大力调整电力结构和能源结构是有效控制火电污染的重要举措。调整电力结构是 各国普通采用的对策之一，主要表现为大力发展核电，因为到2 0 世纪7 0 年代，一些 发达国家可利用的水利资源多已开发完毕。更换发电燃料种类或降低燃料中的含硫量 在美国、日本和英国得到了广泛采用，以控制s o 。排放，特别是在s o 。污染控制的初期 阶段。烟气脱硫在美国、日本和德国也都得到不同程度的采用，其中以德国利用最为 普遍，从1 9 8 3 年到1 9 8 8 年的5 年时间里，德国的火电厂基本上都安装了烟气脱硫装 置。 2 国内状况 2 1 我国燃煤电厂状况及发展趋势 1 9 9 5 年进行的第三次全国工业普查表明，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 ，占绝大多数。2 0 0 3 年，全国发电量为1 9 1 0 5 7 5 k w h ，其中火电 为1 5 8 0 3 6 1 k w h ，占8 2 7 2 ，比1 9 9 5 年增长9 6 9 6 。从1 9 9 5 年到2 0 0 3 年，我国发 郑州大学硕士毕业论文 电量年均增长8 3 4 ，其中火电年均增长8 8 4 。 我国发电装机容量和发电量居世界前列，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 1k w 1 9 a ，不到美国1 9 7 0 年人均发电屋的九分之一。由于我国经济 高速发展，产业结构发生变化，近几年电力供应出现紧张现象。2 0 0 2 年我国有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 年第一季度全国就有2 4 个省级电网出现拉闸限电，比2 0 0 3 年同期扩大了8 个。可见，中国的电力建设任重道 远。 可以看出，尽管自1 9 9 5 年以来电力工业取得了较快发展，但是电力品种结构仍有 待调憝，火电所占比例居高不下。在全国二氧化硫排放量中，发电大约占4 0 。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。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、大容量的机组比重较小。 在火电装机中，发电机组平均规模容量不到2 0 万k w ，和相应的3 0 、6 0 万k w 经济 规模机组差距很大。并且，由于电力装机不足，很多中、低压小火电机组仍在超期服 役。 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， 煤电在电力能源消费总量的比例将逐年下降。据有关部门预测，2 0 0 0 、2 0 1 0 、2 0 2 0 、 2 0 3 0 年分别为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不 会改变，煤炭发电仍然起着主导作用。1 3 1 2 0 0 0 年我国燃煤火电发电装机容量2 2 1 亿k w ( 占6 9 3 ) ，发电量1 0 6 3 2 亿k w h ( 占 7 7 ，7 1 ，是发电的主要组成部分。2 0 2 0 年燃煤火电发电装机容量将达到5 6 3 亿k w ( 占 5 8 6 ，发电量2 8 3 6 0 亿k w h ( 占- 6 6 7 ) 。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，水电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 年，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 。 郑州大学硕十毕业论文 表1 21 9 9 5 2 0 0 3 年历年发电量及结构( 单位：亿k w h ，) 【4 9 0 8 0 7 0 ，、6 0 弓5 0 嚣4 0 o 3 0 2 0 1 0 o 图1 21 9 9 5 2 0 0 3 年历年火电在发电量中所占比例 一 i j ff 一 ； 1 。l j _ ： 塾：裂：翌塾塾塾翌 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 时间 6 - 火电水电核电 口 圈 一 一 郑州大学硕斗埠业论文 2 2 燃煤电厂在我国造成的污染 我国的煤炭质量低下，大多属于低硫煤和中灰煤，并且对煤炭的预处理水平很低， 大多数消费者仍使用原煤，目前原煤的入洗量仅达2 0 ，其中作为动力煤经过洗选的 比例不到1 0 ，而美国的这比例为4 5 ，欧洲国家则达到7 5 以上。另外我国煤炭 中灰分的比例也较高，高灰分必然降低煤炭的热值，我国的商品煤平均热值不到 2 1 m j k g ，低于优质煤炭平均热值2 5 以上，我国煤炭的含硫量平均在1 1 ，西南地 区高达4 ，相比之下高出国际平均水平的2 5 , - - 4 0 个百分点。 我国煤炭的消费是直接燃烧，这造成我国大气典型的煤烟型污染。据统计，2 0 0 0 年燃煤排放的s 0 2 、烟尘、c 0 2 、n o 。分别占全国总排放量的比例如表1 3 ： 表1 32 0 0 0 年全国燃煤排放污染物情况1 5 j 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 札9 ，而二 氧化硫排放总量却占世界排放量的1 5 1 、氮氧化物占1 0 1 、二氧化碳占1 3 5 。1 6 1 我国目前已对煤燃烧所造成的污染有所重视，并开始进行研究和治理。现阶段的重点 是脱硫、脱硝，下阶段对温室气体c 0 。的排放也应予以重视，这不仅对生态环境的改善 有利，也有利于国际形象的提高。 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 微米的烟尘排放量超过2 0 0 万吨。 据国家环保局统计，目前中国s o 。污染产生的酸雨危害面积已达到国土总面积的3 0 ， 全国年均降水p h 值低于5 6 的城市地区已占全国面积的3 0 ，我国已成为世界三大 郑州大学硕士毕业论文 酸雨区之一。2 0 0 1 年，我国s o 。排放总量为1 9 4 8 m t ，其中火力发电为6 5 3 9 8 万t ，在 火力发电中燃煤发电占约9 6 ；工业烟尘排放总量为1 0 5 9 力- t ，其中火力发电烟尘排 放量为2 8 9 7 3 万t 。2 0 0 3 年，全国重点统计的1 1 5 8 家火电厂共消耗燃料煤7 亿吨， 占全国工业燃料煤消耗总量的5 9 6 ；全国火电厂二氧化硫排放量为8 2 6 万吨，占全 国工业二氧化硫排放量的4 6 1 。1 1 5 8 家火电厂装配脱硫设施9 8 6 套，共去除二氧化 硫1 0 i 万吨，去除率仅为1 0 9 。 煤炭燃烧排放的烟气可以直接作用于呼吸系统，诱发和加重慢性阻塞性肺炎等， 也可以间接地作用在其它系统，引起死亡率的增加。由大气污染引起的典型疾病有： 慢性阻塞性肺疾患，肺癌，氟病等。 调控电力结构和能源结构是控制我国燃煤电厂污染的有效措施。我国的水力资源 开发尚有很大潜力，应该积极发展水电。逐渐改变煤炭作为主要燃料的火电状况，改 烧油或气。以目前燃煤电厂占较大比例，并且在今后较长时间内一直如此的现实情况 看，加强燃煤电厂污染控制，提高污染物控制强度，是当前工作的重点。 三燃煤电厂排放可吸入颗粒物及其他污染物的种类与危害 1 可吸入颗粒物的种类、来源及其危害 1 1 颗粒物种类 大气颗粒物指的是分散在大气中的固态或液态颗粒状物质，根据其粒径大小，有 以下定义划分： 总悬浮颗粒物t s p ，其空气动力学当量直径( a 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 r ， a e d ) 一般小于1 0 0um 。 降尘，粒径大于1 0u1 1 1 的颗粒因其重力作用可迅速下沉而称为降尘。 飘尘p 5 l i 。国际标准化组织建议为可吸入颗粒物( i n h a l a b l ep a r t i c l e 简称i p ) ， 空气动力学当量宜径1 0 um 。我国的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) 中定义 可吸人颗粒物是指悬浮在空气中，空气动力学当量直径 1 0 u m 的颗粒物，用符号p m m 表示。 可吸人颗粒物又可分为细粒( 空气动力学当量直径2 5um ) 和粗粒( 空气动力 学当量直径介于2 5 1 0um ) 。 郑j j 1 大掌碗十毕业论文 细颗粒物( p m 。s ) ，通常指空4 动力学当量直径4 2 5pi n 的颗粒物部分。 大气气溶胶( a e r o s 0 1 ) 是固体微粒或液滴分散在空气中所形成的悬浮体系，是一 个相对稳定的系统。1 7 1 。1 1 2 来源 颗粒物的来源可分为天然源利人为源。天然源包括各种地面扬尘、海洋水气和盐 粒、火山灰、森林火灾燃烧物、植物的花粉、孢子和宇宙陨星尘等，其成分以矿物为 主。人为源主要是燃料燃烧、工业生产、汽车排放、二次颗粒物等，因其有毒、有害 成分较多而受到重视。 城市中粒径较大的颗粒物主要来自土壤和建筑扬尘，含有较多地壳元素( a i 、s i 等) ；细颗粒物主要来自燃烧、汽车排放和工业生产等人为污染。 细颗粒物有三种形成方式。i 排放源直接排放；2 高温气体凝结成粒子；3 气态污 染物通过大气化学反应形成二次气溶胶颗粒物。 1 3 相关法规 我国于1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标淮( g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) 中规定了p m 。的标 淮，并统一在空气质量日报中采用p m 。目前还没有对p m 。进行限制。下表是环境 窀气质量标淮( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中规定了p m 。的标淮： 表1 4 我国关于p m ，。的空气质量标准 美国国家环保局e p a 于1 9 8 5 年将原始颗粒物指示物质由t s p 修改为p 6 f 【。在1 9 9 7 年义提议修改美国国家大气质量标准，规定p m 2 。标准值。下表是美国e p a 历年关于颗 郑州大学顾士毕业论文 粒物的立法标准【8 】 表1 ，5 美国e p a 关于p m m 和p m 2s 的标准 欧共体提出了的p m ，。限制值和p m 。行动值，建议2 0 0 5 年p m 。的限制值为：日平均 值5 0 ug m 3 和年平均值3 0 i xg m 3 ；建议2 0 1 0 年p m 。的行动值：f i 平均值3 8 ug 种和 年平均值1 9ug m 3 ，并将纳入p m 。o 监测体系。 1 4 危害 ( 1 ) 考虑颗粒物沉降的修正高斯公式 礅妒，= 毒唧h 斜斗剀 郑州大学硕士毕业论文 、为颗粒物沉降速度，、= 李； a ( x ) 为反射因子，o a ( x ) 2 7 ，化石燃料 源的特征是c l l l a x 2 3 ；生物和化石燃料混合源是2 3 l 表明来源于石油燃烧，而来源于植物蜡的纯烃混合物n u r d , 于l f 3 6 】。 由于有机碳的来源分为一次和二次来源，而元素碳则直接来自于化石燃料和生物 质的不完全燃烧，是表征次人为大气污染的好的指标，因此o c 值、e c 值和0 c e c 比 值已用来评价有机气溶胶的一次z 次来源。这对于控制气溶胶中的有机物污染具有重 要的意义，因为降低含碳燃料的直接释放只能影响一次有机气溶胶的组成【2 8 】。 因为化石碳的地质年龄超过了1 的半周期，所以化石燃料来源的有机物中基本上 不含有“c ，其1 4 1 值与来自于现代植物燃烧或者生物源气体的氧化产生的有机物中 的“c ”c 值不一致，因此，对大气有机物中碳同位素的分析可以估计有机物是否来自 于化石燃料燃烧n s i 3 3 在大气中的演化与影响 大气气溶胶微粒表面的多相反应对燃煤电厂排放有机污染物的演化转变有重要影 响，颗粒物表面吸附的有机污染物分子比挥发态的有机分子更具有活性，尤其当被吸 附的有机分子暴露于o h 自由基或其他强氧化性介质( 如n 0 n0 。等) 中时，可能更容易 被氧化，从而增加颗粒物表面的亲水性能，成为云凝结核，在大气中形成云滴而很快 被除。 潘相敏等研究表明大气中的多环芳烃在一定条件下会快速降解，其降解速率受光 强、温度、湿度等因素影响，同时也受多吸附多环芳烃的颗粒物的物理化学性质影响 n 2 i 。 郑州大学硕士毕业论文 c a r l o s c u e l l a r 等研究甲酸、甲醛和甲醇等挥发性有机物在a f e 。0 。、a a 1z o a 和s i o 。颗粒物表面的吸附过程。认为，甲醛和甲醇在s i o 。颗粒物表面的吸附具有可逆 性，而在a f e 。0 。和x a 1 。o 。颗粒物表面的吸附是不可逆的，甲酸在这三种颗粒物表面 的吸附都是不可逆的。i n a z u 等研究了在n o 。存在下，氟葸烯气体在c a o 、f e 。0 。、t i o z 等8 种无机颗粒物表面的光化学多相反应，结果表明氟蒽烯气体在颗粒物表面可生成 2 一硝基氟蒽烯【4 3 1 。 有机物在过渡金属氧化物( t i o 。，f e ：0 。) 界面光诱导反应过程中可以产生h 2 0 z ，对有 机分子、s o 。和n o 等在这些颗粒物表面的氧化可能起着非常重要的作用。因此沙尘暴 与城市大气污染物混合后，细颗粒物表面的特殊复合反应很可能会改变大气氧化剂浓 度、各种污染物的降解和生成速率及其在大气中的浓度，从而显著地影响城市大气质 量。 虽然人们已经认识到气溶胶中有机物对大气环境、气候变化起了重要的作用，但 其作用的机理还不明确，仍需要深人地进行研究 郑州大学硕士毕业论文 第二章燃煤电厂排放的p m ，。和p m 2 。物理化学特征分析 一北京市2 0 0 3 年采暖期大气中p m ，。和p m 。质量浓度变化分析 在颗粒物排放源强不变情况下，其质量浓度主要受气象因素影响，包括风速、太 阳辐射、相对湿度、温度、气压、云量、降水量和逆温层厚度。王淑英等】f 导出p m l o 质量浓度受气象条件影响而随季节变化，相关性统计分析结果表明，p m i 。浓度与气象 条件密切相关，在不受沙尘影响时与相对湿度呈正相关，与能见度、风速和气压呈负 相关关系。张仁健等1 4 5 j 对采暖期前和采暖期间颗粒物元素分析表明，局地扬尘是北京 市冬季大气颗粒物的一个重要来源，扬尘采暖期前占6 5 ，采暖期间占7 9 。 通过对北京市采暖期内p m l o 和p m 2 5 质量浓度的连续监测，来分析大气中颗粒物 质量浓度变化与排放源和气象因子的关系规律。北京市2 0 0 3 年1 1 月7 1 4 日为供热 试运行期，1 5 日正式供暖，本次试验始于1 1 月1 8 日，止于1 2 月4 日，在此期间， 对p m l o 和p v 1 25 质量浓度作了连续测定。每天8 点和1 2 点更换滤膜，同时记录湿度、 温度、风速和风向。采样地点位于西北城区的中国矿业大学综合楼五楼平台，进气口 地面高度约1 8 5 m ，东面紧邻学院路，距西环路大约6 0 0 m ，周围没有较大污染源，采 样期间北面约l o o m 有两栋楼正在施工。采样仪器：t s p - p m i o - p m 2s 2 型中流量采样 仪( 北京地质仪器厂) ，采样流量7 7 9 5 l m i n ，9 0 m m 玻璃纤维滤膜，万分之一天平称 重。用m i c r o s o f te x c e l 2 0 0 2 进行数据处理与分析。 1p m ，。和p m 。质量浓度季节性变化及其原因分析 由图2 1 可看出采样期颗粒物质量浓度变幅很大，p m i o 为1 9 6 4 6 1 5ug m 3 ，平 均值为2 5 3 1i xg m 3 。是p m l o 国家二级日标准1 5 0 l lg r a 3 ( g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) 的1 6 9 倍， 比2 0 0 0 年北京市5 个监测站l l 和1 2 月份平均值【4 4 1 高：在3 1 个p m l o 样品中，超过 三级日标准2 5 0 ug m 3 的个数为1 7 ，占5 4 8 ；日均值都超出国家一级日标准5 0ug m 3 范围。 p m 25 的质量浓度变化幅度为8 旷- 2 7 6 2ug m 3 ，有2 6 个样品超过美国e p a l 9 9 7 年颁布的p m 25 目标准值6 5 ug m 3 ，占8 3 9 ；平均值1 4 5 2 ug m 3 是6 5 pg m 3 的2 倍 多，比1 9 9 9 - - - 2 0 0 0 年北京市p t v l 25 平均值1 0 4 9 ug m 3 高3 8 4 ，北京市冬季颗粒物 郑州大学硕士毕业论文 污染相对严重，究其原因有以下几个方面：1 冬季气温降低，采暖燃烧大量化石燃料， 特别是燃煤排放大量颗粒物，同时由于燃煤也排放二次颗粒物的前驱物( n o 。、s 0 2 等) 。2 冬季太阳辐射较弱，易形成中性和稳定型大气状况，不利于颗粒物扩散。3 冬 季植物凋零，对颗粒物吸收能力减弱，并且地面裸露有利于扬尘的发生，冷空气控制 的相对干燥的大气也有利于发生扬尘。 图2 1p m - o 和p 池s 质量浓度及其比值采暖季节内变化 f i 9 2 1t h ep m ma n dp 地5 s sc o n c e n t r a t i o nv a r i a t i o na n dp 磁# p m i ov a r i a t i o nd u r i n gh e a t i n gp e r i o d 4 5 00 4 0 3 5 00 宅3 0 00 2 5 00 蜊 蔷2 0 00 世 1 5 00 1 0 00 5 0 0 d 0 砖帮溅拶妒鬻拶妒嬲 时问 2p m ，。和p m 。质量浓度同一季节内周期性变化及其原因分析 l 一一p m z , 5 i 。p m l o i 采样期间颗粒物质量浓度呈明显的周期性变化，表现为三峰四谷( 图2 1 ) ，这种 变化趋势认为是由于采样期间颗粒物浓度受气象因素影响，随其变化而变化，杨复沫 等( 2 0 0 2 ) 也得出冬季浓度变化幅度较大的结论1 钾 。例如：1 1 月1 8 日夜到1 9 日中午 有细雨，这有利于颗粒物湿沉降，特别是2 0 日上午开始刮大风，最大风速8 9 m ，s ， 郑州大学顽士毕业论文 持续到2 1 日下午，这使1 8 日到2 0f i 夜颗粒物浓度逐渐减少，图上表现为明显的下坡。 2 0 日夜p m 25 和p m i o 浓度分别仅为8 9 和1 9 6 ug m 3 ，达至采样期间的最低值。2 2 2 4 同的静风高湿天气并且间有多云的较稳定性大气状况使污染物逐渐积累，在图上逐渐 上升为波峰，2 3 日夜p m i o 和p m 2 j 浓度达到采样期间的最高值，分别为4 6 1 5 和2 7 6 2 1 1g r n 3 。2 5 同白天风速较大，夜间又有降雪，从而使2 5 和2 6 日浓度下降( 缺少2 5 日 数据) 。随后两天的高湿有雾天气，使颗粒物明显积累，在2 9 白天达到高峰值，夜间 有较大的南风( 3 m s ) ，并且3 01 3 下午和晚上的小雨雪也对颗粒物沉降有利，特别在 1 2 月1 臼白天天气晴朗，大气不稳定性明显，有利于颗粒物扩散，这使颗粒物浓度从 1 1 月2 9 日到1 2 月1 日白天呈明显下降趋势。1 2 月1 日夜的稳定大气( 较典型) 和2 日白天较稳定大气不利于颗粒物扩散，而2 日下午开始的晴朗天气，特别是3 日阳光 灿烂，风速不大( 1 , 5 r r e s ) ，形成极不稳定的大气状况，能见度很好，这使2 目夜和3 开白天的浓度很快跌入低谷，尔后在31 = 3 夜的逆温大气作用下又有所上升。 3p m ，。和p m 。白天和夜间质量浓度变化及其原因 图2 2p m ，o 和硎“白天和夜间质量浓度变化 f i 9 2 2t h ep m i oa n dp m 25m a s sc o n c e n t r a t i o nv a r i a t i o ni nd a ya n dn i g h t 一l b 1 1 1 91 卜2 0l l 一2 l1 1 2 2u 一2 3l 卜2 4l l 一2 5l l 一2 6l 【一2 7 1 1 - 2 8 l 卜2 9l l 一3 01 2 11 2 21 2 3 时间 | | 咖 瑚 啪 m 肿 o m暑tv避蠖唰峰n羞 郑卅大学硕士毕业论文 在1 5 对数据中，p m l o 的值有9 天白天大于夜间，占6 0 ；白天和晚上的平均值 分别是2 6 7 4 和2 4 8 6 1 tg m 3 ，相差1 8 8 ug m 3 。有8 天的p m 25 值，白天大于夜间， 一半多一点；白天和晚上超过1 0 0 l ag m 3 的个数都是1 1 ，平均值分别是1 5 1 6 和1 4 4 8 “g m 3 ，相差仅6 8l ag m 3 ，几乎持平，白天平均质量浓度是6 5pg m 的2 3 倍。 由以上分析可以看出，采样期间p m 。o 和p m 25 平均值都是白天比夜晚略大，几乎 相等，这与2 0 0 1 年同一采样点所得的晚上比白天浓度高的结果 4 8 j 有所不同，其中p m 2 5 与2 0 0 3 年4 月同一采样点所得结果1 4 9 j 一致。其原因有以下几个方面：1 白天的人为活 动比夜间频繁，土壤扬尘、交通道路扬尘和水泥建筑扬尘比夜间有所增加，通过分析 p m 2 5 与p m l o 的比值发现白天比夜晚略低，约为0 0 1 ，由于扬尘粒径较大1 4 8 l ，也可证 明白天扬尘较多。2 白天的太阳辐射强度比夜晚强，因此二次颗粒物的量可能比夜间 多。前人研究结果表明每天强污染期出现的时间段有所差别【4 引，有待调整采样时间段 后进一步研究。 4p m ，。和p m 。质量浓度变化与气象因子的关系 4 。1 与风速的关系 采样期间北京市大气反复受冷暖气流控制，风速变化频繁且幅度较大，变化范围在 o - 9 m s 之间，颗粒物质量浓度受风速的影响较大，随风速的增大而减小。在3 1 个p m i o 数据中，最大的1 1 个都出现在风速较小( 1 5 m s ) 的条件下，而最大风速的几个时 段都对应着较小值，如1 1 月2 0 日全天、2 1 日白天，特别在1 1 月2 0 日夜晚最大风速 达9 m s ，对应着采样期间的最低值。通过相关性分析得出风速与p m i o 和p m 25 浓度存 在明显的负相关系，相关系数分别是一o ，6 3 和一o 6 6 ，可以看出刮风对细颗粒物去除 效果比粗颗粒物强。颗粒物浓度与风速有显著负相关关系的结论与前人研究结果一致 1 4 8 ，4 9 1 4 2 与湿度的关系 p m l o 和p m 2 5 质量浓度与湿度的相关系数分别是o 2 5 和0 3 2 ，表明湿度越大对细 颗粒物形成越有利。王淑英等得到2 0 0 0 年“月p m l o 与湿度的相关系数是0 4 左右， 邵龙义等在同一采样点也得到二者之间呈正相关关系。湿度与p m 2 5 的相关性比p m i o 强表明空气中瀑度越大越有利于细颗粒物形成，并且高湿常与逆温相伴，稳定增强而 郑州大学硕士毕业论文 不利于颗粒物扩散。 4 3 与温度的关系 p m l o 和p m 25 质量浓度与温度呈较弱的负相关关系，与前人“44 9 1 所得结果一致。 实际上温度影响颗粒物浓度主要是通过问接途径，即冬季温度降低，为取暖燃烧化石 燃料就加大了颗粒物排放量。温度之所以某些时段与颗粒物浓度变化相符，是因为在 某些气象条件下，温度与大气稳定性同步变化，如在晴朗静风的夏季，白天太阳辐射 强，增加大气不稳定性，温度也随着升高，夜晚地面长波辐射降温，趋向稳定性大气。 对所得p m l o 数据与1 2 小时后浓度数据进行相关性分析后发现，相关系数达0 6 4 ， 可见颗粒物污染具有持续性，浓度呈周期性变化本身也说明了这个特点。某时段大气 中颗粒物浓度不仅与气象条件有关，也与前一时段污染状况密切有关，颗粒物本身也 会影响某些气象状况，如伴随稳定型大气出现的较高浓度颗粒物会减弱太阳辐射，进 一步维持大气稳定性。 颗粒物进入大气、转变、扩散到沉降或其他方式去除均与气象条件密切相关，某 时段的颗粒物浓度是受多种气象因素共同作用的结果，并且某些气象因素之间也有相 关性，但又没有必然联系，如相对湿度、太阳辐射、风速、云降水量和逆温层厚度之 间都会相互影响，但是晴天的相对湿度也会很大，太阳辐射既增强大气不稳定性又促 使二次颗粒物形成，这就减弱单一气象因素的影响力度。 5p m 2 。p m ，。的变化规律 p m 25 和p m l o 的比值变化范围在o 3 5 0 8 4 之间，变化幅度较大，平均值为o 5 8 ， 介于吴国平等得到的广州、武汉、重庆和兰州1 9 9 5 - 1 9 9 6 年变化范围0 5 2 一o 7 5 之问， 大于邵龙义等在同一监测点得到的2 0 0 1 年平均值o 4 6 ，表明冬季p m l 0 大部分由p m 25 组成，人为污染比其它季节严重，这与杨复沫等( 2 0 0 2 ) 所得结论一致。 1 5 组p m 25 p m l o 值中有8 组夜晚比白天大，最大值0 8 4 和最小值0 3 5 都出现在夜 间，说明p m 25 p m l o 夜间变化剧烈；p m 25 p m l o 白天和夜间的平均值分别为0 5 7 和o 5 8 ， 白天仅比夜问低0 o l ，其原因一是白天各种扬尘排放量比夜间多，这与前文得出的 p m 25 和p m l o 浓度白天比晚上略高的结论相符合；二是北京市夜晚对柴油机动车放行， 细颗粒排放量增加。 p m 25 p m l o 与风速的相关系数为一0 2 8 ，显然是大风吹起地面、土壤、道路、建 郑州大学硕士毕业论文 筑和房项的颗粒物，这些颗粒物的粒度较大使p m 2 5 p m l o 降低；p m 25 p m l o 与湿度的 相关系数为o 2 9 ，表明湿度越大，越有利于细颗粒物形成。 6 结论 ( 1 ) 采样期间p m l o 和p m 25 质量浓度呈明显的周期性变化，随着气象条件的变化而 变化。p m i o 样品中超过2 5 0 且g m 3 的占5 4 8 ，p m 25 的平均浓度为1 4 5 2 g m 3 ，是美 国e p a l 9 9 7 年颁布的日均标准6 5ug m 3 的2 倍多，可见采暖期颗粒物的污染很严重。 ( 2 ) p m i o 白天和晚上的平均值分别是2 6 7 4 和2 4 8 6ug m 3 ，p m 25 分别是1 5 1 6 和 1 4 4 8l ig m 3 ，白天略高，其原因如下：1 白天的人为活动频繁，各种扬尘排放量增加； 2 白天太阳辐射强度大，二次颗粒物产生量可能比夜间多。 ( 3 ) p m l o 和p m 25 浓度与风速的相关系数分别为一o 6 3 和o 6 6 ；湿度与p m 25 的 相关系数o 3 2 大于与p m l o 的相关系数o 2 5 ，表明湿度越大对颗粒物形成越有利；与 温度相关性不明显。 ( 4 ) 采暖期p m 2 5 p m l o 变化范围在0 3 5 0 8 4 之间，平均值为o 5 8 ，夜间比白天值 变化幅度大。白天平均值o 5 7 比夜晚平均值o 5 8 低o o l ，表明白天扬尘量较多。 p m 25 p m l o 与风速呈负相关关系，与湿度呈正相关关系，可见风起扬尘使颗粒物粒径 增大，湿度越大越有利于颗粒物形成。 二p 眺。和p m 。；微观特征与组分研究 1 微观特征 通过单个颗粒物的特征来研究大气污染的来源与特征，可以进一步理解颗粒物的 毒理学性质，为大气污染的源解析研究开辟新途径，从而制定更有效的控制措施，我 国在这方面的工作已取得一定的成果。l 4 8 - - 5 4 对颗粒物微观分析包括单个颗粒物的形 貌、粒度分布和化学成分分析。 对单个颗粒物进行化学成分分析