民用燃料燃燒排放PM2.5和PM10中碳組分排放因子對(duì)比

孔少飛,白志鵬,陸 炳(1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 10044；.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,大氣化學(xué)和氣溶膠科技創(chuàng)新基地,北京 10001；.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 00071)

民用燃料燃燒排放PM2.5和PM10中碳組分排放因子對(duì)比

孔少飛1*,白志鵬2,陸 炳3(1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,大氣化學(xué)和氣溶膠科技創(chuàng)新基地,北京 100012；3.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300071)

在實(shí)驗(yàn)室中模擬民用燃料在家庭爐灶中的燃燒,應(yīng)用稀釋通道系統(tǒng)采集顆粒物,獲得玉米秸稈、薪柴、蜂窩煤和塊煤四種常用民用燃料燃燒排放PM10,PM2.5及載帶碳組分的排放因子.結(jié)果表明,民用燃料燃燒排放的顆粒物以細(xì)顆粒為主, PM2.5占PM10的70%～90%.顆粒物排放因子最大的為塊煤,其PM2.5和PM10的排放因子分別為9.837和11.929g/kg,分別是蜂窩煤的12.6和13.7倍;玉米秸稈和薪柴PM2.5和PM10的排放因子稍低于塊煤,為7.359～10.444g/kg.4種燃料燃燒OC排放因子塊煤最高,其在PM2.5和PM10中分別為5.29和5.19g/kg.薪柴燃燒EC的排放因子最高,其在PM2.5和PM10中的排放因子分別為1.065和1.126g/kg.塊煤兩種粒徑上EC的排放因子略低于薪柴.蜂窩煤EC的排放因子最低,比薪柴低300倍左右,玉米秸稈EC的排放因子也要比薪柴低10倍左右.碳組分是塊煤,秸稈,薪柴排放顆粒物的主要成分,其含量在40%～60%之間,該值比蜂窩煤高3倍.四種燃料對(duì)應(yīng)的OC/EC比值差異很大,薪柴和塊煤燃燒排放顆粒該值為3～6,秸稈和蜂窩煤燃燒排放顆粒其值高達(dá)30～50.

民用燃料；顆粒物；稀釋采樣；碳組分；排放因子

含碳顆粒物中的碳組分按其性質(zhì)可通常分為元素碳(EC或BC)和有機(jī)碳(OC),其主要來(lái)源之一為民用燃料(生物質(zhì)和煤)燃燒排放.2007年我國(guó)家庭爐灶消耗的秸稈和薪柴分別為3.40和1.82億t,塊煤和蜂窩煤的消耗量為0.81億t,占到全部生活用能的55.5%[1].這些燃料的不完全燃燒對(duì)大氣碳質(zhì)顆粒物的貢獻(xiàn)十分顯著. Bond等[2]估計(jì)用于做飯和供暖的木柴、農(nóng)業(yè)廢棄物、牲畜糞便及煤排放的BC占其總排放量的25%. Streets等[3]的研究結(jié)果顯示,2000年我國(guó)民用燃料燃燒排放的BC為781Gg,占其排放總量的74%.

在清單建立過(guò)程中,源活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和排放因子是影響其可靠性的關(guān)鍵因素.劉源等[4]通過(guò)對(duì)多個(gè)研究者建立的北京黑炭排放清單的比較,發(fā)現(xiàn)不同排放清單的估計(jì)值相差可達(dá)8倍.一個(gè)重要原因在于不同學(xué)者在建立碳組分清單時(shí)所采用的排放因子存在較大差異,且大多采用國(guó)外研究結(jié)果[3-6].如劉源等[4]在建立北京市碳黑氣溶膠排放清單時(shí)所用鄉(xiāng)村生活消費(fèi)秸稈和木柴的BC排放因子分別為1和0.75g/kg;而曹國(guó)良等[5]在建立中國(guó)大陸生物質(zhì)燃燒污染物排放清單時(shí)所用家庭用秸稈和薪柴EC排放因子分別為0.47～0.59和0.285～0.41g/kg,兩者相差2～3倍.陳穎軍等[7]指出我國(guó)民用燃煤黑碳排放因子的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常匱乏,導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)我國(guó)民用燃煤黑碳排放量的估算相差甚遠(yuǎn).因而國(guó)內(nèi)民用燃料燃燒排放碳質(zhì)組分排放因子的更新成為關(guān)鍵.

近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)民用燃料碳質(zhì)顆粒物排放因子進(jìn)行了一些初步研究.在生物質(zhì)燃燒方面,Cao等[8]對(duì)我國(guó)不同地區(qū)水稻、小麥、谷物和棉花桿燃燒排放PM中OC和EC的排放因子進(jìn)行了研究,得到其排放因子變化范圍分別為1.83～3.46g/kg和0.49～0.95g/kg. Li等[9]對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的水稻、玉米、大豆、棉花、高粱及木柴等燃燒排放PM2.5中OC和EC排放因子進(jìn)行了研究,得到其排放因子分別為0.85～3.97和0.09～3.26g/kg.

在民用燃煤燃燒方面,劉源等[10]采用煙塵罩稀釋通道系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室模擬民用燃煤燃燒的方法,獲取了北京和山西四種散煤和兩種蜂窩煤的PM2.5,EC和OC的排放因子,認(rèn)為民用燃煤的排放與煤炭成熟度有很大相關(guān)性,不同煤種排放因子差距很大;Chen等[11]采用一套全流稀釋煙氣采樣裝置對(duì)9個(gè)不同成熟度的煤種OC和BC排放因子進(jìn)行了研究,得到煙煤OC和BC排放因子分別為8.29和3.32g/kg,無(wú)煙煤分別為0.04和0.004g/kg; Chen等[12]也研究了5種煙煤制成的蜂窩煤燃燒排放OC和BC排放因子,分別為3.58～13.82和0.064～0.675g/kg;以無(wú)煙煤制成的蜂窩煤燃燒OC和BC排放因子分別為0.017和0.004g/kg.前人研究表明燃料類型、燃燒方式、采樣方法等都會(huì)對(duì)碳質(zhì)組分排放因子產(chǎn)生影響.

截止目前,僅有Li等[9]和劉源等[10]關(guān)注了PM2.5中的碳質(zhì)組分排放因子,并且文獻(xiàn)中鮮有對(duì)PM2.5和PM10兩種粒徑中碳顆粒物的同時(shí)研究,而對(duì)于民用燃煤和生物質(zhì)燃料燃燒排放碳質(zhì)組分的對(duì)比研究未見(jiàn)報(bào)道.因此,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬家庭民用燃料燃燒過(guò)程,采用自主研發(fā)的稀釋通道采樣器采集燃燒排放的顆粒物,比較不同民用燃料燃燒排放兩種粒徑顆粒中碳質(zhì)組分的差異,獲得PM2.5和PM10中碳質(zhì)組分排放因子,可為更新源排放清單提供精確可靠的數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品來(lái)源及爐具

本次試驗(yàn)共選取了生物質(zhì)和煤等農(nóng)村家庭常見(jiàn)的兩種燃料進(jìn)行試驗(yàn).其中生物質(zhì)燃料選取了玉米秸稈(JG)和薪柴(XC)兩種燃料,產(chǎn)地為沈陽(yáng).秸稈和薪柴在使用前于陰涼通風(fēng)處晾干.煤選取了家庭常用的蜂窩煤(FW,無(wú)煙煤)和塊煤(KM,煙煤),購(gòu)于天津市場(chǎng).燃煤爐具和生物質(zhì)爐具都采用從市場(chǎng)中購(gòu)買的節(jié)能爐具.玉米秸稈和薪材在自然條件下晾干后進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

1.2 采樣系統(tǒng)

煙氣采集系統(tǒng)如圖1所示.稀釋通道的結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)相關(guān)專利[13].燃料燃燒后排放的煙氣通過(guò)煙囪排出,在煙囪距火苗高約2.5m處用采樣槍通過(guò)等速采樣將一定體積的煙塵抽進(jìn)稀釋通道.在煙氣進(jìn)入采樣艙前先經(jīng)過(guò)除濕設(shè)備將水汽除去.煙氣進(jìn)入采樣艙后,真空泵將一定體積的干潔空氣與煙氣一并送入稀釋艙進(jìn)行稀釋,模擬煙氣進(jìn)入環(huán)境中的稀釋冷卻過(guò)程.當(dāng)稀釋后的煙氣溫度稍高于環(huán)境溫度3～5℃時(shí)進(jìn)行采樣,稀釋倍數(shù)約在10～25倍左右.煙氣稀釋冷卻后,顆粒物收集裝置將煙氣中的顆粒物收集到濾膜上.

本研究所用稀釋通道采樣器共有4個(gè)采樣通道,分別可以采集PM10和PM2.5.每次采樣兩個(gè)通道用于采集PM10聚丙烯纖維濾膜樣品和石英濾膜樣品,另一組相應(yīng)地采集PM2.5樣品.每個(gè)通道的采樣流量為20L/min.

圖1 采集系統(tǒng)示意Fig.1 Sketch map of sampling system

1.3 采樣過(guò)程

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,先將薪材和秸稈兩種燃料切割成約10cm左右長(zhǎng)的小塊,稱重,作為實(shí)驗(yàn)用燃料.在燃燒過(guò)程中,分三次向爐灶中添加燃料,每次0.5kg左右,保證燃燒過(guò)程中煙氣產(chǎn)生量比較均勻平穩(wěn).采樣一段時(shí)間后,停止添加燃料,稱量剩余燃料,計(jì)算得出消耗的燃料質(zhì)量.塊煤實(shí)驗(yàn)前先用少量薪材將塊煤引燃,然后一次性將0.3kg塊煤放進(jìn)爐灶中,待塊煤燃燒后開(kāi)始采樣,直至塊煤完全燃燒,停止采樣.蜂窩煤實(shí)驗(yàn)采用3塊煤重疊燃燒的方式,先將最底部的一塊蜂窩煤引燃,然后再將另兩塊蜂窩煤放上去,等3塊蜂窩煤燃燒完全后,停止采樣.每種燃料進(jìn)行3次平行試驗(yàn).

1.4 樣品保存與分析

采樣濾膜包括直徑47mm聚丙烯纖維濾膜和石英濾膜.聚丙烯濾膜主要用于質(zhì)量分析,石英濾膜主要用于EC和OC的分析.

聚丙烯纖維濾膜采樣前置于60℃的烘箱中烘烤兩小時(shí),然后在25℃,40%相對(duì)濕度的超凈實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行48h平衡,使用精度為10-6g的天平稱重,恒重前后膜質(zhì)量差值在5×10-6g以內(nèi)認(rèn)為恒重合格;采樣后濾膜置于相同的環(huán)境中平衡48h,稱量質(zhì)量,兩次膜質(zhì)量差值為膜上顆粒物質(zhì)量.石英膜采樣前在馬弗爐中經(jīng)過(guò)800℃,2h的高溫?zé)?除去含碳化合物.然后存儲(chǔ)于膜盒中.樣品采集結(jié)束后,采樣膜被放入干凈的膜盒中,并用盒蓋密封.在膜盒外用鋁箔進(jìn)行包裹,然后將其放入冰箱中,防止樣品損失.

EC和OC的分析使用美國(guó)IMPROVE_A熱光碳分析方法完成.分析方法為鉆取0.521cm2的小塊濾膜,在純氦氣條件下140℃(OC1),280℃(OC2),480℃(OC3),580℃(OC4)逐步加熱分析, OC組分脫離濾膜,此步驟檢測(cè)出來(lái)的碳組分即為OC含量;然后將樣品爐冷卻,在2%O2/98% He條件下,580℃(EC1), 740℃(EC2)和840℃(EC3)逐步加熱分析,EC組分脫離濾膜,同時(shí)激光檢測(cè)膜黑度變化,修正由于OC高溫裂解成EC而造成的EC、OC分析誤差,此步驟分析結(jié)果即為EC含量.

1.5 質(zhì)量控制和質(zhì)量保證

采樣后濾膜立即放入-20℃的冰箱中冷凍保存,防止樣品損失.碳分析儀OC的檢出限為0.45μg/cm2,EC為0.06μg/cm2,TC為0.45μg/cm2.

2 結(jié)果與討論

2.1 民用燃料燃燒PM10和PM2.5排放因子

通過(guò)計(jì)算濾膜上收集到的顆粒物質(zhì)量,結(jié)合消耗掉的燃料質(zhì)量,4種民用燃料燃燒后顆粒物的排放因子見(jiàn)圖1.從圖1中可知,塊煤燃燒顆粒物的排放因子最高,其PM2.5和PM10的排放因子分別為9.873和11.929g/kg;蜂窩煤燃燒顆粒物的排放因子最低,其PM2.5和PM10的排放因子分別為0.780g/kg和0.866g/kg,比塊煤低10～13倍.秸稈和薪柴兩種生物質(zhì)燃料燃燒顆粒物的排放因子也比較高,在7.359～10.444g/kg之間,僅比塊煤低0.3左右.秸稈和薪柴顆粒物的排放因子十分接近,薪柴燃燒PM2.5的排放因子高于秸稈,而秸稈PM10的排放因子高于薪柴.不同粒徑顆粒物的構(gòu)成比反應(yīng)了燃料燃燒排放顆粒物的粒徑分布情況.本研究中PM2.5占到PM10全部質(zhì)量的70%～90%左右,其中比例最高的為蜂窩煤,比例最低的為秸稈.

Fine等[14]對(duì)薪柴在壁爐燃燒排放顆粒物的研究顯示,PM2.5的排放因子平均值為5.3g/kg,軟木材PM2.5的排放因子相對(duì)要比硬木高一些.Mcdonald等[15]測(cè)得薪柴在壁爐和木柴爐中燃燒PM2.5的排放因子分別為2.9～9.0和2.3～ 7.2g/kg,與本研究的結(jié)果比較接近.此外,Histian等[16]和Roden等[17]分別研究了墨西哥和洪都拉斯地區(qū)居民爐灶木材燃燒顆粒物的排放因子,兩者的實(shí)測(cè)值分別為4.94～8.28g/kg(PM)和4.9～16.1g/kg (PM2.5).國(guó)內(nèi),Cao等[8]在實(shí)驗(yàn)室模擬秸稈燃燒獲得PM的排放因子在4.53～8.75g/kg之間.Li等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到我國(guó)薪柴和秸稈PM2.5的排放因子分別為1.66～8.39g/kg和2.21～4.51g/kg.與國(guó)內(nèi)研究結(jié)果相比,本研究獲得的排放因子要高一些,這可能與選擇的樹(shù)種等有關(guān).Oanh[18]認(rèn)為選擇易燃樹(shù)種、對(duì)燃燒過(guò)程的人為控制以及煙氣采集的高度過(guò)高可能造成采集到的顆粒物減少.對(duì)于顆粒物中不同粒徑的組成比,Reddy等[19]通過(guò)總結(jié)幾個(gè)研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為PM2.5/PM在0.8左右,與本研究結(jié)果也具有較好的一致性.

圖2 民用燃料燃燒顆粒物排放因子Fig.2 Emission factors for particulate matter from domestic fuel burning

在已有的研究中,民用燃煤顆粒物排放因子的變化非常大,不同種類煤燃燒顆粒物的排放因子差異達(dá)到100倍以上.Bond等[20]對(duì)揮發(fā)分為38.8%的煙煤進(jìn)行測(cè)量,獲得PM2.5排放因子為12g/kg.劉源等[10]測(cè)試了散煤和蜂窩煤燃燒PM2.5的排放因子,得出散煤PM2.5的排放因子在0.78～11.06g/kg之間,蜂窩煤為3.78～7.28g/kg. Chen等[11-12]測(cè)量各種成熟度煤炭制成蜂窩煤燃燒的顆粒物排放因子,煙煤為7.788～19.550g/kg(平均為12. 911g/kg),次煙煤為8.001g/kg,無(wú)煙煤為1.329g/kg;而對(duì)應(yīng)的原煤中煙煤的顆粒物排放因子為4.05～37.81g/kg,平均為16.77g/kg,無(wú)煙煤為0.78g/kg.Zhi等[21]也進(jìn)行了與Chen相似的研究,結(jié)果也比較接近.Zhang等[22]測(cè)試了我國(guó)多種民用燃煤顆粒物的排放因子,獲得煙煤,無(wú)煙煤和煤球等顆粒物排放因子的均值,分別為7.373,1.054和5.242g/kg.彭瑞玲等[23]測(cè)試北京燃用的蜂窩煤PM2.5和PM10的排放因子分別僅為6.98和7.46mg/kg,遠(yuǎn)低于其他研究者的結(jié)果.本研究與上述研究結(jié)果具有可比性,只是蜂窩煤的排放因子稍低與其他研究者.在粒徑組成上,Ge等[24]測(cè)得蜂窩煤和煤餅中PM2.5/PM10分別為0.79和0.31,兩種煤中差異顯著.彭瑞玲等[23]測(cè)得蜂窩煤排放PM2.5/PM10值為0.94,與本研究中的比值一致.

上述研究表明,影響燃料燃燒顆粒物的排放影響因素很多,如燃料類型,爐灶結(jié)構(gòu),燃燒效率,采樣方式,稀釋通道構(gòu)造以及選擇的濾膜性質(zhì)等因素的影響[25-26],這些均會(huì)導(dǎo)致民用燃料燃燒顆粒物的排放因子存在較大差異.

2.2 民用燃料燃燒排放PM2.5和PM10上碳質(zhì)組分排放因子

通過(guò)熱光法分析石英濾膜上EC和OC的含量,結(jié)合顆粒物的排放量,得到PM2.5和PM10中EC和OC的排放因子,見(jiàn)表1.

由表1可以看出,塊煤OC的排放因子最高,在PM2.5和PM10兩種粒徑中分別為5.286和5.194g/kg;蜂窩煤最低,在兩種粒徑中分別為0.143和0.146g/kg.秸稈和薪柴居中,薪柴燃燒OC的排放因子略低于秸稈.EC排放因子最高的是薪柴,在PM2.5和PM10中分別為1.065和1.126g/kg,塊煤次之;蜂窩煤EC的排放因子相對(duì)較低,低于塊煤和薪柴300倍左右,秸稈也要比薪柴低10倍左右.本文的研究結(jié)果與表2給出的其他研究者的結(jié)果具有一定的可比性.表1中塊煤OC排放因子的PM2.5/PM10比值高于1.0,可能與分析誤差有關(guān).

在民用生物質(zhì)燃料燃燒EC和OC的排放因子中,本文的研究結(jié)果與Roden等[17]和Venkataraman等[27]的研究結(jié)果比較接近;OC的排放因子與Cao等[8]的差異不大;但EC的排放因子則相對(duì)較低.民用燃煤方面,本研究中塊煤的OC,EC排放因子小于Chen等[11-12]和Zhi[21]等,而蜂窩煤與前人研究相比比較接近.Zhang等[22]測(cè)得的民用煙煤OC排放因子低于本研究,EC則相反.劉源[10]等所得散煤EC和OC與本文較接近,而蜂窩煤差異較大.這可能與所選擇的煤的種類有關(guān).此外對(duì)于不同研究中EC,OC的排放因子之間差異,除了受到與顆粒物排放因子同樣因素的影響之外,分析方法也會(huì)影響最終的結(jié)果.Chow等[28]曾詳細(xì)比較過(guò)兩種目前應(yīng)用最多的熱光法之間的差別(IMPROVE 和MISOSH),認(rèn)為兩種方法所測(cè)的EC結(jié)果有可能相差兩倍以上[29].因此,在建立碳質(zhì)組分源清單時(shí)需要對(duì)于民用燃燒源進(jìn)行詳細(xì)的分類,同時(shí)盡可能采用相同分析方法所得的排放因子,才能更加準(zhǔn)確的估計(jì)顆粒物,EC和OC這的貢獻(xiàn)率.

表1 民用燃料燃燒顆粒中EC和OC排放因子(g/kg)Table 1 Emission factors of EC and OC for domestic fuel burning (g/kg)

表2 文獻(xiàn)中報(bào)道的民用燃料EC、OC排放因子(g/kg)Table 2 Emission factors of EC and OC in literatures (g/kg)

大氣顆粒物中OC/EC比值常被用于源解析研究,目前運(yùn)用最多的是根據(jù)該比值討論城市大氣中二次氣溶膠的存在問(wèn)題:如果氣溶膠中OC/EC比值大于2.0,其中可能有二次有機(jī)碳存在[30].陳穎軍等[31]認(rèn)為不同排放源的OC/EC比值變化非常大,以此判斷二次氣溶膠可能過(guò)于簡(jiǎn)單.此外,不同的EC,OC分析方法可能會(huì)對(duì)結(jié)果帶來(lái)較大的影響. Novakov等[32]認(rèn)為生物質(zhì)燃燒OC/EC比值為9; Mcdonald等[15]報(bào)道的家用木材燃燒的OC/EC比值為4～9,本研究中薪柴的OC/EC為3,結(jié)果很相近.Histian等[16]和Roden等[17]對(duì)薪柴的研究得出其OC/EC分別為0.55～11.11和1.76～10.62,變化范圍很大.Li[9]對(duì)薪材的報(bào)道為0.40～1.05,比本研究低3～7倍.對(duì)于秸稈,Li等[9]的結(jié)果為0.92～12.5,而本研究中高達(dá)30.在燃煤排放的顆粒物中,煙煤原煤的OC/EC比值為0.32～21.37,無(wú)煙煤原煤為3.71～84,煙煤蜂窩煤為13.19～1149.02,無(wú)煙煤蜂窩煤為13.19～42.28,變化范圍非常大.本研究中塊煤和蜂窩煤分別為6和51,基本在已有的研究結(jié)果范圍內(nèi)[11-12,21-22].從中可以看出,在應(yīng)用OC/EC比值判斷大氣中二次有機(jī)氣溶膠存在時(shí),如果點(diǎn)位周邊有明顯的民用燃燒源,該種方法應(yīng)該慎重使用.

2.3 顆粒物中碳組分的含量組成及差異

含碳物質(zhì)在顆粒物中所占的比重是不同燃料燃燒排放顆粒物特征的一個(gè)重要參數(shù).

圖3 EC和OC在PM2.5和PM10中的百分含量比較Fig.3 Comparison for EC and OC mass percentages in PM2.5and PM10

由圖3可見(jiàn),從總碳(OC+EC)來(lái)看,除蜂窩煤之外,碳組分是其他3種燃料燃燒排放顆粒物中的主要成分,其在PM2.5和PM10中所占的比重分別在50.30%～63.04%和38.86%～51.60%之間,其中塊煤最高;蜂窩煤排放PM2.5和PM10中總碳的比例僅為18.55%和17.11%,低于其他3種燃料3～4倍左右.對(duì)于OC,其在塊煤燃燒排放的顆粒物中所占比重最大,在PM2.5和PM10中都達(dá)到43%以上,秸稈和薪柴含量中等,在兩種粒徑顆粒物中比重為38.86～57.05%,蜂窩煤最低,其在兩個(gè)粒徑中所占的比例僅為17%～18%左右;對(duì)于EC,占顆粒物比重最大的為薪柴,在PM2.5和PM10中分別為13.43%和13.91%,塊煤EC的含量與薪柴很接近,在兩種粒徑中分別為9.31%和8.06%;秸稈和蜂窩煤非常低,在兩種粒徑顆粒物中的比重都在1.5%以下.尤其是蜂窩煤,在PM2.5和PM10中的比重僅為0.30%和0.28%,顯著低于薪柴.因而將塊煤加工成蜂窩煤,可顯著降低燃燒后顆粒中EC的排放.OC和EC在PM2.5和PM10中所占比重?zé)o明顯差異,在PM2.5中的比例稍高于PM10, (EC/PM2.5)/(EC/PM10)和(OC/PM2.5)/(OC/PM10)分別在1.09～1.30和1.04～1.16之間.由此可以看出,含碳顆粒物在民用燃料燃燒排放的顆粒物中占有很大的比重,而在PM2.5和PM10中所占的比重并無(wú)明顯差異.從源排放碳?xì)馊苣z控制的角度來(lái)看,對(duì)于塊煤需優(yōu)先控制OC的排放,對(duì)于薪柴也需重點(diǎn)控制EC的排放.

2.4 不同民用燃料燃燒顆粒物排放因子差異的影響因素分析

生物質(zhì)燃料和煤不僅在組成上存在較大差異,在燃燒工況方面也明顯不同.生物質(zhì)燃料的含碳量少于煤,因而不耐燃燒、熱值較低.同時(shí)生物質(zhì)燃料的揮發(fā)分較高,在較低溫度下就能迅速析出,再加上其密度較低,使其在燃燒過(guò)程中迅速燃盡.分析顯示,生物質(zhì)燃料揮發(fā)分含量高達(dá)65%～75%,固定碳占16%～19%;而煙煤中揮發(fā)分含量平均約為38%,固定碳含量在31%;無(wú)煙煤揮發(fā)分含量為7.9%,固定碳含量為65%[33].此外,生物質(zhì)燃燒的溫度要比煤的燃燒溫度低,燃燒效率以及通氣量都與煤存在顯著差距,這都導(dǎo)致碳質(zhì)顆粒物的排放差異.

對(duì)于薪柴和秸稈兩種生物質(zhì)燃料,由于兩者在組成、密度等方面的差異,造成排放特征的不同.秸稈OC/EC比薪柴大10倍以上,薪柴排放顆粒物中EC的含量比秸稈大10倍左右.這與秸稈和薪材中纖維素和木質(zhì)素的含量不同有關(guān).一些研究者認(rèn)為薪柴中木質(zhì)素含量比較高,利于碳煙的形成[34],生成的細(xì)顆粒物也比較多;同時(shí)薪柴的密度和燃燒的溫度都高于秸稈,高溫都有利于EC的生成.而秸稈中的高纖維素含量使其有較高的揮發(fā)分,在燃燒過(guò)程中中極易形成大量的可燃性小分子氣體,使燃燒加劇,因而燃燒更充分,EC排放量減少[35].

對(duì)于塊煤和蜂窩煤,其顆粒物,EC和OC排放因子和碳組分百分含量等都存在明顯差異.這些差異首先來(lái)自于原煤的組成.不同成熟度的煤種在揮發(fā)分、固定碳等含量上差異十分明顯,而揮發(fā)分的含量通常決定了顆粒物排放量的大小[36].本研究中使用的塊煤為煙煤,而蜂窩煤為無(wú)煙煤,導(dǎo)致排放差別顯著.此外蜂窩煤在制作過(guò)程中添加了其他的有機(jī)、無(wú)機(jī)的粘合劑,以及固硫劑等物質(zhì),改變了煤固有的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),也改變了煤燃燒過(guò)程中二次裂解反應(yīng)所需的溫度和時(shí)間,使其二次裂解反應(yīng)沒(méi)有散煤進(jìn)行程度深, 二次裂解產(chǎn)物較少, EC排放減少[10].其次蜂窩煤燃燒過(guò)程是重疊式,規(guī)則的小孔使其具有較好的通風(fēng)效果,燃燒比較完全,而塊煤比較嚴(yán)實(shí),通風(fēng)效果不如蜂窩煤,因而燃燒效率不高,碳質(zhì)顆粒物的排放因子比較大,顆粒物中碳組分的比例也相對(duì)較大.

3 結(jié)論

3.1 秸稈,薪柴,塊煤和蜂窩煤四種民用燃料燃燒排放的顆粒物以細(xì)顆粒為主,PM2.5在PM10中的比重在70%～90%之間,其中細(xì)顆粒物比重最大的是蜂窩煤,秸稈最小.塊煤燃燒排放PM2.5和PM10的排放因子最高,分別為9.837±1.665和11.929±2.634g/kg,秸稈和薪柴PM2.5和PM10的排放因子稍低于塊煤,相差不大.蜂窩煤兩種粒徑的排放因子都最低,其PM2.5和PM10的排放因子分別為0.780±0.204和0.866±0.192g/kg.

3.2 OC排放因子最高的為塊煤,在PM2.5和PM10中的排放因子分別為5.286±1.044和5.194± 0.435g/kg,其次為秸稈和薪柴,蜂窩煤最低.EC排放因子最高的為薪柴,在PM2.5和PM10中分別為1.065±0.314和1.126±0.619g/kg,分別是秸稈和蜂窩煤相同粒徑中EC排放因子的10倍和300倍左右.塊煤EC的排放因子與薪柴差異不大.

3.3 碳組分在秸稈,薪柴和塊煤排放的顆粒物中所占的比重較高,其含量在40%～60%之間,比蜂窩煤高3倍左右.OC/EC比值在四種燃料間的變化很大,該值對(duì)于薪柴和塊煤為3～6左右,而對(duì)于秸稈和塊煤則高達(dá)30～50.

[1] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒 [M]. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2008.

[2] Bond T C, Doherty S J, Fahey D W, et al. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment [J]. Journal of Geophysical Research-Atmosphere, 2013,118:5380-5552.

[3] Streets D G, Bond T C, Carmichael G R, et al. An inventory of gaseous and primary aerosol emissions in Asia in the year 2000 [J]. Journal of Geophysical Research-Atmosphere, 2003,108 (D21):8809.

[4] 劉 源,邵 敏.北京市碳黑氣溶膠排放清單估算及預(yù)測(cè) [J].科學(xué)通報(bào), 2007,52(4):470-476.

[5] 曹國(guó)良,張小曳,王 丹,等.中國(guó)大陸生物質(zhì)燃燒排放的污染物清單 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2005,25(4):389-393.

[6] 陸 炳,孔少飛,韓 斌,等.2007年中國(guó)大陸地區(qū)生物質(zhì)燃燒排放污染物清單 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(2):186-194.

[7] 陳穎軍,姜曉華,支國(guó)瑞,等.我國(guó)民用燃煤的黑碳排放及控制減排 [J]. 中國(guó)科學(xué)D輯:地球科學(xué), 2009,39(11):1554-1559.

[8] Cao G L, Zhang X Y, Gong S L, et al. Investigation on emission factors of particulate matter and gaseous pollutants from crop residue burning [J]. Journal of Environmental Sciences, 2008,20: 50-55.

[9] Li X H, Wang S X, Duan L, et al. Carbonaceous Aerosol Emissions from Household Biofuel Combustion in China [J]. Environmental Science and Technology, 2009,43:6076-6081.

[10] 劉 源,張?jiān)獎(jiǎng)?魏永杰,等.民用燃煤含碳顆粒物的排放因子測(cè)量 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007,27(9):1409-1416.

[11] Chen Y J, Zhi G R, Feng Y L, et al. Measurements of emission factors for primary carbonaceous particles from residential raw-coal combustion in China [J]. Geophysical Research Letters, 2006,33(20):L20815.

[12] Chen Y J, Sheng G Y, Bi X H, et al. Emission Factors for Carbonaceous Particles and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons from Residential Coal Combustion in China [J]. Environmental Science and Technology, 2005,(39):1861-1867.

[13] 白志鵬,朱 坦,葛 蘇,等.煙道氣稀釋混合多通道分級(jí)采樣器:中國(guó), 2004.ZL 03258297.8 [P]. 2004-08-04.

[14] Fine P M, Cass G R, Simoneit B R T. Chemical characterization of fine particle emissions from fireplace combustion of wood grown in the northeastern United States [J]. Environmental Science and Technology, 2001,35:2665-2675.

[15] Mcdonald J D, Zielinska B, Fujita E M, et al. Fine particle and gaseous emission rates from residential wood combustion [J]. Environmental Science and Technology, 2000,34:2080-2091.

[16] Histian T J, Yokelson R J, Ardenas B C, et al. Trace gas and particle emissions from domestic and industrial biofuel use and garbage burning in central Mexico [J]. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 2009,10101-10152.

[17] Roden C A, Bond T C, Conway S. Emission factors and real-time optical properties of particles emitted from traditional wood burning cookstoves [J]. Environmental Science and Technology, 2006,40:6750-6757.

[18] Oanh N T, Reutergardh L B, Dung N T. Emission of polycyclic aromatic hydrocarbons and particulate matter from domestic combustion of selected fuels [J]. Environmental Science and Technology, 1999,33:2703-2709.

[19] Reddy M S, Chandra V. Inventory of aerosol and sulphur dioxide emissions from India. Part II: biomass combustion [J]. Atmospheric Environment, 2002,36:699-712.

[20] Bond T C, Covert D S, Kramlich J C, et al. Primary particle emissions from residential coal burning: Optical properties and size distributions [J]. Journal of Geophysical Research-Atmosphere, 2002,107(D21):8347.

[21] Zhi G R, Chen Y J, Feng Y L, et al. Emission characteristics of carbonaceous particles from various residential coal-stoves in China [J]. Environmental Science and Technology, 2008,42: 3310-3315.

[22] Zhang Y X, Schauer J J, Zhang Y H. Characteristics of particulate carbon emissions from real-world Chinese coal combustion [J]. Environmental Science and Technology, 2008,42:5068-573.

[23] 彭瑞玲,劉君卓,潘小川,等.3種民用燃料的燃燒顆粒物的含量及其粒徑組成 [J]. 環(huán)境與健康雜志, 2005,22(1):13-15.

[24] Ge S, Xu X, Judith C C, et al. Emissions of air pollutants from household stoves: Honeycomb coal versus coal cake [J]. Environmental Science and Technology, 2004,38:4612-4618.

[25] Smith K R. Biofuels, Air Pollution, and Health-A Global Review [M]. Plenum Press, 1987, New York and London.

[26] Kinsey J S, Kariher P H, Dong Y J. Evaluation of methods for the physical characterization of the fine particle emissions from two residential wood combustion appliances [J]. Atmospheric Environment, 2009,43:4959-4967.

[27] Venkataraman C, Habib G, Eiguren F A, et al. Residential biofuels in South Asia: carbonaceous aerosol emissions and climate impacts [J]. Science, 2005,37:1454-1456.

[28] Chow J C,Watson J G,Crow D, et al. Comparison of IMPROVE and NIOSH carbon measurements [J]. Aerosol Science and Technology, 2001,34:23-34.

[29] Chow J C, Watson J G. Review of PM2.5and PM10apportionment for fossil fuel Combustion and other sources by chemical mass balance receptor model [J]. Energy and Fuels, 2002,16:222-260.

[30] Chow J C. Watson J G, Lu Z Q, et al. Descriptive analysis of PM2.5and PM10at Regionally representative locations during SJVAQAS/AUSPEX [J]. Atmospheric Environment, 1996,30: 2079-2122.

[31] 陳穎軍.家用蜂窩煤燃燒煙氣中碳顆粒物和多環(huán)芳烴的排放特征 [D]. 廣州,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所, 2004.

[32] Novakov T, Andreae M O, Gabriel R, et al. Origin of carbonaceous aerosols over the tropical Indian Ocean: Biomass burning or fossil fuels? [J]. Geophysical Research Letters, 2000, 27:4061-4064.

[33] 劉圣勇.生物質(zhì)(秸稈)成型燃料燃燒設(shè)備研制及試驗(yàn)研究 [D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2003.

[34] 劉和成.生物質(zhì)成型燃料在民用生物質(zhì)爐中燃燒的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬 [D]. 天津:天津大學(xué), 2009.

[35] Wiinikka H, Gebart R. The influence of fuel type on particle emissions in combustion of biomass pellets [J]. Combustion Science and Technology, 2005,177:741-763.

[36] Bond T C. Light absorption by primary particles from fossil-fuel combustion: implications for radiative forcing [D]. PhD. Dissertation, University of Washington, 2000:383.

Comparative analysis on emission factors of carbonaceous components in PM2.5and PM10from domestic fuels combustion.

KONG Shao-fei1*, BAI Zhi-peng2, LU Bing3(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, School of of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Department of Atmospheric Chemistry and Aerosol Science, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2749～2756

PM10and PM2.5emitted from crop waste (JG), wood (XC), honeycomb coal (FW) and raw coal (KM) burning were collected through a dilution sampling system. Carbonaceous components in what are they were analyzed. Results showed that the emission factors (EFs) of particles and carbon components were influenced by fuel types. Fine particles were the most common particles, with PM2.5/PM10ratios varying between 0.7～0.9. KM held the highest EFs of particles. They were 9.837g/kg and 11.929g/kg for PM2.5and PM10which were 12.6 and 13.7 times higher than FW, respectively. The EFs of particles for JG and XC were in the range of 7.359g/kg～10.444g/kg, slightly lower than those of KM. The EFs of OC were highest for KM (5.29 and 5.19g/kg for PM2.5and PM10). The highest EFs of EC were in XC (1.065 and 1.126g/kg of PM2.5and PM10) which were 300 and 10 times of those in FW and JG. The carbonaceous components accounted for 40%～60% of particles emitted from KM, XC and JG burning which were three times higher than FW. The OC/EC ratios for XC and KM varied from 3 to 6 and the ratios were up to 30～50 for JG and FW.

residential fuel；particulate matter；dilution sampling；carbonaceous components;emission factor

X513

A

1000-6923(2014)11-2749-08

孔少飛(1986-),男,河南濟(jì)源人,講師,博士,主要從事大氣顆粒物理化特性與來(lái)源解析,源排放粒子老化機(jī)制、排放因子與清單構(gòu)建研究.發(fā)表論文47篇.

2014-02-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41305119);教育部博士點(diǎn)基金(20133228120001)

* 責(zé)任作者, 講師, kongshaofei@126.com