中國民用燃煤排放細(xì)顆粒物中水溶性離子清單及減排啟示

嚴(yán) 沁 ,孔少飛,劉海彪,王 偉,吳 劍,鄭明明,鄭淑睿,楊國威,吳方琪

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中國民用燃煤排放細(xì)顆粒物中水溶性離子清單及減排啟示

嚴(yán) 沁1 ,孔少飛1,2*,劉海彪1,王 偉1,吳 劍2,鄭明明2,鄭淑睿2,楊國威2,吳方琪2

(1.南京信息工程大學(xué),氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,江蘇南京 210044；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),環(huán)境學(xué)院大氣科學(xué)系,湖北武漢 430074)

基于稀釋通道采樣系統(tǒng)和室內(nèi)模擬燃燒實驗, 實測采集兩種民用燃煤(蜂窩煤和塊煤)燃燒排放的細(xì)顆粒物(PM2.5),利用離子色譜分析樣品中的Na+、NH4+、Mg2+、K+、Ca2+、F-、Cl-、NO3-和SO42-等9種水溶性離子,計算得到相關(guān)排放因子,并結(jié)合能源統(tǒng)計年鑒,基于“自上而下”方法獲得2013年全國(除港、澳、臺地區(qū))民用燃煤排放PM2.5中水溶性離子的排放總量,以人口密度數(shù)據(jù)作為空間分布權(quán)重因子,建立全國1km ×1km的網(wǎng)格化清單.結(jié)果表明,除Ca2+和Mg2+以外,蜂窩煤燃燒排放水溶性離子排放因子普遍高于塊煤燃燒排放,因而需對塊煤加工成蜂窩煤的多種有害組分的減排效果進行系統(tǒng)評估.9種水溶性離子中SO42-離子排放因子遠(yuǎn)高于其他水溶性離子的排放因子;對于蜂窩煤和塊煤,分別為494mg/kg和105mg/kg.從陰陽離子當(dāng)量濃度之比(2.0~2.5)來看,民用燃煤排放一次顆粒物呈酸性.民用燃煤水溶性離子人均排放量最多的省份是山東、河北和北京, 分別為520.2,401.1,362.7g/人;單位面積排放強度最高的是山東、北京和上海,分別為323.9, 287.3,197.9kg/km2.從民用燃煤離子單位面積排放強度和人均排放量來看,北京和山東均需要對該類源減排引起足夠重視.高分辨率空間分布顯示民用燃煤排放水溶性離子分布有以下幾個特點:(1)東部高于西部; (2)平原、盆地多;山地、高原少;(3)受到自然地理環(huán)境因素和經(jīng)濟發(fā)展水平制約,主要集中分布于平原、盆地及河谷地區(qū)人口密布,從應(yīng)對冬季大氣重污染過程的角度,需加大對民用燃煤排放水溶性離子及其氣態(tài)前體物的管控力度.

民用燃煤；細(xì)顆粒物；水溶性離子；排放清單；空間分布；減排

煤炭作為我國的主導(dǎo)能源,所占一次能源消費量的70%[1],燃煤排放污染物是大氣污染的重要來源之一.民用煤燃燒條件差,無有效的排放控制措施,單位質(zhì)量燃料在家庭爐灶中燃燒排放污染物的量遠(yuǎn)高于工業(yè)活動的排放[2-3].基于源解析模型對北京市PM2.5來源時空分布討論發(fā)現(xiàn),19%的PM2.5源自燃煤燃燒[4].中國冬季北方城市在采暖期間,民用燃煤的大量排放,即可直接以一次顆粒物形式排放出大量一次有機氣溶膠、重金屬、水溶性離子等,也可以排放出SO2、NO和NH3等氣態(tài)前體物,在不利氣象條件下,快速形成SO42-,進而對重污染的形成起到關(guān)鍵影響.如散煤燃燒對華北灰霾提供了約70%一次有機氣溶膠[5];排放的重金屬對人體健康、氣候、海洋生態(tài)產(chǎn)生影響[6-7];Wang等[8]的最新研究表明,NO2在NH3和相對濕度較高的情況下能促進SO2轉(zhuǎn)化形成HONO和SO42-,使得SO42-呈幾何式增長,加速灰霾的形成和發(fā)展.Liu等[9]基于清華MEIC清單和WRF-CHEM模式模擬研究民用燃煤對華北地區(qū)空氣質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)民用燃煤對北京地區(qū)PM2.5貢獻可以超過50%,但研究對民用燃煤污染排放嚴(yán)重低估,如SO42-濃度被低估39%~90%,原因在于排放清單的不確定性和大氣化學(xué)反應(yīng)機制的不完善.當(dāng)前對水溶性離子的研究主要針對中國北方城市冬季大氣環(huán)境中二次離子形成及演化機制,對于主要污染源民用燃煤一次排放水溶性離子的排放特征研究尚未見報道,制約著對冬季重污染過程形成機制及空氣質(zhì)量演化的模擬研究.

水溶性離子是大氣能見度惡化的關(guān)鍵因子[10-11],其具有吸濕性,易形成霧滴,影響大氣的光學(xué)性質(zhì),并通過對光的散射和吸收影響大氣能見度以及地球-大氣的能量平衡[12].水溶性離子也是影響氣溶膠酸度的關(guān)鍵因子,并危害人體健康.如強硫酸微粒會造成人體呼吸系統(tǒng)損害[13-14];我國民用燃煤中水溶性F-是導(dǎo)致地方性氟中毒的主要原因之一[15],典型燃煤污染型地氟病區(qū)調(diào)查資料[16-17]顯示當(dāng)?shù)鼐用穹前Y患病率與燃煤量和燃煤時間都呈顯著正相關(guān).因而亟需對民用燃煤排放顆粒物中水溶性離子進行系統(tǒng)深入研究,為大氣重污染過程形成機制解釋及室內(nèi)相關(guān)健康危害防護提供依據(jù).

當(dāng)前對于水溶性離子排放特征及清單的研究,已有國內(nèi)外學(xué)者對于工業(yè)燃煤、生物質(zhì)燃燒、室內(nèi)民用燃煤和機動車尾氣等開展了部分工作.如黃衛(wèi)等[18]實測了5種成熟度的蜂窩煤燃燒排放顆粒物(PM)中水溶性離子的排放因子;王書肖等[19]實測了工業(yè)鏈條爐燃煤排放細(xì)粒子中5種水溶性離子在顆粒物中的百分含量;Li等[20]研究了生物質(zhì)開放式燃燒和不同爐型模擬燃燒時5種水溶性離子的排放因子;Cao等[21]基于室內(nèi)模擬燃燒實驗,獲得了10種水溶性離子排放因子;He等[22]利用隧道法得到廣州地區(qū)機動車排放細(xì)顆粒物中4種水溶性離子排放因子.祝曉燕等[23]以不同行業(yè)煤灰組分為基礎(chǔ),結(jié)合工業(yè)煙塵排放量,建立了1°×1°的工業(yè)鹽基陽離子排放清單,這是我國第一個水溶性離子清單.然而上述研究缺少對細(xì)粒子中水溶性離子排放因子的測試,制約著水溶性離子排放清單的準(zhǔn)確性.

國內(nèi)外學(xué)者對民用燃煤污染物排放因子也開展了初步研究.Chen等[24-26]利用稀釋通道技術(shù),實測獲得民用燃煤在家用爐灶中PM2.5、BC、OC和多環(huán)芳烴(PAHS)等物質(zhì)的排放因子,并建立相關(guān)清單;田賀忠構(gòu)建中國燃煤大氣銻、硒排放清單[27-28];劉海彪等[29]利用稀釋通道技術(shù)建立全國塊煤和蜂窩煤排放PM2.5以及PM2.5中重金屬清單;此外對不同煤種燃燒排放碳組分[30-33]和多環(huán)芳烴[25,34-35]的清單也有報道.但對民用燃煤PM2.5水溶性離子排放清單的研究尚未見到報道.

為此,本研究通過室內(nèi)模擬燃燒和稀釋通道采樣系統(tǒng),初步獲得民用蜂窩煤和塊煤燃燒排放PM2.5中一次水溶性離子排放因子,以2013年為基準(zhǔn)年,計算得到其全國總排放量;并結(jié)合高分辨率人口分布數(shù)據(jù)[36]和GIS平臺,首次嘗試構(gòu)建高空間分辨率排放清單,對識別冬季中國北方重污染過程中大氣顆粒物中關(guān)鍵組分濃度時空變化、顆粒物酸堿性、大氣灰霾形成和演化機制以及室內(nèi)民用燃煤導(dǎo)致的健康危害等科學(xué)問題具有重要意義.

1 試驗方法與資料

1.1 排放因子實測

1.1.1 樣品來源及爐具 本次試驗用煤選取了家庭常用的蜂窩煤(無煙煤)和塊煤(煙煤),購于天津市場.燃煤爐具采用從市場中購買的民用節(jié)能爐具.

1.1.2 采樣系統(tǒng) 采用稀釋通道系統(tǒng)對煙氣進行采樣,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見孔少飛等[33]的研究.燃料燃燒后排放的煙氣通過煙囪排出,煙囪采樣口距火苗高約2.5m.采樣槍通過等速采樣將一定體積的煙氣抽進稀釋通道.在煙氣進入采樣艙前先經(jīng)過除濕裝置將水汽除去.煙氣進入采樣艙后,真空泵將一定體積的干潔空氣與煙氣一并送入稀釋艙進行稀釋,稀釋倍數(shù)約在10~25倍左右.煙氣稀釋冷卻后,采用PM2.5切割頭將煙氣中的顆粒物收集到石英纖維濾膜上,采樣流量為20L/min,測得平均煙氣流速約為283L/min,稀釋倍數(shù)控制在15~25倍之間.

1.1.3 試驗過程 塊煤實驗前先用少量薪材將塊煤引燃,然后一次性將0.3kg塊煤放進爐灶中,待塊煤燃燒后開始采樣,直至塊煤完全燃燒,停止采樣.蜂窩煤實驗采用3塊煤重疊燃燒的方式,先將最底部的一塊蜂窩煤引燃,然后再添加另兩塊蜂窩煤后開始采樣,待3塊蜂窩煤燃燒完全后,停止采樣,每種燃料進行3次平行試驗.

1.1.4 樣品保存與分析 采樣濾膜為直徑47mm的石英纖維濾膜.濾膜采樣前置于800℃的烘箱中烘烤0.5h.然后在25℃和40%相對濕度的超凈實驗室中平衡48h,使用精度為10-6g的分析天平稱重,恒重前后膜質(zhì)量差值在5×10-6g以內(nèi)認(rèn)為恒重合格并保存于清潔的膜盒中.采樣后的濾膜保存在膜盒中,膜盒用錫箔包裹放入冰箱(-20℃)保存.稱重前,將采樣膜置于相同外部環(huán)境中平衡48h后稱量質(zhì)量,兩次膜質(zhì)量差值為膜上顆粒物質(zhì)量.

水溶性離子分析使用瑞士萬通公司850professional IC型離子色譜分析儀,陽離子分離柱Metrosep C4-150,保護柱為Metrosep C4GUARD;陰離子色譜柱是Metrosep A- supp7-250,保護柱Metrosep A supp 4/5.洗液為3.6mmol/L HNO3以及0.7mmol/L吡啶二羧酸.前處理和淋洗液配制等實驗用水均使用Million Q儀器超濾至電阻率達18.2MΩ·cm的超純水.9種離子為:Na+、NH4+、Mg2+、K+、Ca2+、F-、Cl-、NO3-和SO42-.

1.1.5 排放因子計算 排放因子按公式(1) 進行計算[24]:

式中:EF為第種燃料燃燒后類污染物的排放因子,mg/kg;為煙氣流量,L/min;1為采樣流量,L/min;m為第種燃料燃燒后類污染物的質(zhì)量,g;為稀釋倍數(shù);M為第種燃料的燃燒量,kg.

1.2 排放清單構(gòu)建

1.2.1 排放總量計算 根據(jù)2014年中國能源統(tǒng)計年鑒[37],得到全國各地區(qū)2013年(除港、澳、臺地區(qū))生活消費塊煤(原煤)和蜂窩煤(型煤)的消耗量,結(jié)合實測排放因子根據(jù)公式(2)分省區(qū)計算各個區(qū)域PM2.5及其中水溶性離子的排放量.

Q=SM′EF′10-3(2)

式中:Q為類污染物排放量,t;M為第種燃料的消耗量,t; EF為第種燃料燃燒后類污染物的排放因子,mg/kg.

1.2.2 水溶性離子空間分布 水溶性離子的空間分布將中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心人口密度圖[31]作為空間分布權(quán)重因子,運用Arcgis軟件的空間分析模塊,建立1km×1km分辨率的網(wǎng)格化清單.

2 結(jié)果與討論

2.1.1 民用燃煤排放PM2.5中水溶性離子排放因子 由表1可見,本研究中PM2.5排放因子蜂窩煤和塊煤分別為3.3,1.3g/kg.劉源等[25]對4種不同成熟度散煤和2種蜂窩煤PM2.5排放因子進行研究得到散煤PM2.5排放因子0.78~ 11.06g/kg,蜂窩煤PM2.5排放因子為3.78~ 7.28g/kg;陳穎軍等[23]實測得到無煙煤和生煤的顆粒物排放因子平均值為3.17g/kg;Bond等[38]對揮發(fā)分為38.8%的煙煤進行測量得到PM2.5排放因子為12g/kg.本研究所得PM2.5排放因子與前人研究相比具有可比性.

對于水溶性離子排放因子,除Ca2+和Mg2+外,蜂窩煤燃燒水溶性離子排放因子普遍高于塊煤燃燒排放,高出2.1~8倍;且PM2.5排放因子是塊煤的2.6倍.Chen等[26]的研究表明,無煙煤以蜂窩煤和塊煤形式燃燒時黑碳排放因子,分別為0.004, 0.007g/kg;煙煤以蜂窩煤和塊煤形式燃燒時黑碳排放因子則分別為0.09,3.05g/kg.煙煤制作成蜂窩煤可有效降低黑碳的排放.但蜂窩煤在最初設(shè)計時,出發(fā)點是省料省時和節(jié)能節(jié)資,并未考慮其導(dǎo)致的細(xì)粒子及載帶水溶性離子排放增加.因而從污染物排放的角度,其排放水溶性離子需引起更多的實測研究和關(guān)注.

水溶性離子中,SO42-排放因子最高,蜂窩煤和塊煤分別為494和105mg/kg,分別占蜂窩煤和塊煤PM2.5排放的14.8%和8.1%;王書肖等[19]的研究表明,5種工業(yè)鍋爐水溶性離子占顆粒的含量為20%~50.1%.造成工業(yè)燃煤SO42-含量高于民用燃煤的原因可能是工業(yè)燃煤使用濕法脫硫后煙氣具有較高的濕度,使得氣態(tài)SO2向SO42-轉(zhuǎn)化增多.

蜂窩煤SO42-的排放因子是塊煤的4.7倍,K+的排放因子是塊煤的18倍;Cl-的排放因子是塊煤的7.3倍;NH4+的排放因子是塊煤的3.8倍.我國冬季北方城市大氣顆粒物中水溶性離子高于其他季節(jié),如邯鄲冬季SO42-、NH4+、K+和Cl-離子濃度高出春夏秋三季1.4~3.8倍[39];北京污染天氣期間Cl-、NO3-、SO42-和NH4+等水溶性離子是清潔天氣的1.9~6.0倍[40].蜂窩煤F-排放因子為6.82mg/kg,也遠(yuǎn)高于塊煤,因而蜂窩煤燃燒可能是導(dǎo)致區(qū)域性氟中毒的主要原因.雒昆利等[41]研究表明全國民用燃煤氟排放約為23289t左右,占國內(nèi)工業(yè)氟排放的54%.2013國務(wù)院發(fā)布的《大氣污染防治行動計劃》中鼓勵北方農(nóng)村地區(qū)推廣使用潔凈型煤,蜂窩煤作為型煤的一種,其大力推廣可能時導(dǎo)致冬季大氣中水溶性離子增加的主要污染源.現(xiàn)有民用型煤標(biāo)準(zhǔn)中考慮的主要指標(biāo)為全硫、揮發(fā)分、高位發(fā)熱量、汞、砷、磷、氯、氟、冷壓強度、落下強度、25mm孔徑限下率等指標(biāo)[42],對更多有毒有害組分的減排并未予以考慮;且部分型煤燃燒火焰溫度低,與塊煤相比,可能不利于一些污染物的減排.因而雖然本研究只考慮了一種市場常售的蜂窩煤和塊煤,但從污染物減排的角度,需要對塊煤加工成蜂窩煤的多種污染物組分的減排效果進行系統(tǒng)研究和評估.

表1 民用燃煤燃燒排放PM2.5中水溶性離子的排放因子(mg/kg燃料)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)

2.1.2 與水溶性離子含量的比較 關(guān)于民用燃煤排放PM2.5中水溶性離子的排放因子目前尚未報道.為驗證本研究所得排放因子的可信性,將所測水溶性離子與PM2.5排放因子之比與其他研究所得PM2.5中離子成分譜進行比較(表2).

將本研究排放Na+、K+、Ca2+、Cl-和F-與Ge等[43]研究所得顆粒物中水溶性離子百分含量對比發(fā)現(xiàn)5種離子百分含量相差1.4~5倍;與Watson等[45]塊煤成分譜中水溶性離子主要成分NO3-和SO42-的含量是本研究的40~48倍;Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-是本研究的6~29倍;K+和NH4+是本研究79倍和789倍;民用燃煤排放顆粒物受煤質(zhì)組成、爐型、燃燒條件、操作條件、燃燒的大氣環(huán)境條件、監(jiān)測方法等多種因素制約,各研究所得結(jié)果存在較大差異,需要更多的實測數(shù)據(jù)進行補充和驗證.

表2 與文獻中成分譜的比較(μg/g)

注: na表示未分析;“-”表示無此項.

2.2 民用燃煤排放PM2.5中水溶性離子清單

2.2.1 排放總量 根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒2013》[37]所繪制的2013年全國各省(不含港澳臺地區(qū),下同)民用煤消耗情況(圖1)和實測所得排放因子,計算得出2013年全國各地區(qū)民用煤燃燒排放PM2.5中9種水溶性離子的排放總量(表3).

圖1 2013年全國各省區(qū)民用燃煤消耗量

蜂窩煤消費比例較高的幾個省份為山東、廣東、江西、浙江和江蘇等地,占比在60%以上;塊煤在大部分省份仍然是最主要的民用煤消費類型,其消費比例在70%以上的有河北、貴州、湖北、山西和陜西,亟需在這些省份開展?jié)崈粜兔荷a(chǎn)、減排效果評估和推廣應(yīng)用.

2013年我國民用燃煤排放PM2.5中水溶性離子Na+、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+、F-、Cl-、NO3-和SO42-分別為3.5, 111.8, 50.0, 544.9, 25.3, 111.0, 23.6, 435.8, 107.0和2585.6t.其中全國范圍內(nèi)一次SO42-排放量最多,占9種水溶性離子的64%.山東、河北、湖南是水溶性離子總排放量最多的三個省份,占全國排放總量的28.2%、11.4%和9.9%.山東、廣東、江西、浙江和江蘇等地燃煤消費結(jié)構(gòu)與其他地區(qū)不同,以蜂窩煤消費為主,由于PM2.5中蜂窩煤水溶性離子排放因子普遍高于塊煤排放因子,因此這些地區(qū)民用燃煤排放水溶性離子應(yīng)引起更多后續(xù)關(guān)注.

表3 2013年全國各省區(qū)民用燃煤PM2.5及其載帶水溶性離子排放量(t)

注:-表示無數(shù)據(jù); 香港、澳門、臺灣資料暫缺, 下同.

2.2.2 水溶性離子蜂窩煤和塊煤排放貢獻率 結(jié)合2013年民用煤排放水溶性離子排放量,得到塊煤和蜂窩煤對全國9種水溶性離子的貢獻率(圖2).蜂窩煤對Cl-、F-、K+、NH4+和SO42-的水溶性離子貢獻率高于塊煤,分別占75.1%、100%、88.2%、61.6%和66.1%.蜂窩煤、塊煤貢獻差異可能與制作過程有關(guān).型煤在制作過程中,加入木炭粉、硝酸鹽等作為助燃劑; 加入拌煤粘土等作為粘合劑; 加入固硫劑,如常見的三類固硫添加劑:氧化添加劑(Fe2O3、SiO2、V2O5、Al2O3、TiO2、ZnO等);碳酸鹽固硫添加劑(K2CO3、Na2CO3、SrCO3);氯化物固硫添加劑(NaCl、KCl、CaCl2、FeCl3)[46].黃仁建等[47]在研究新化縣燃煤氟中毒時,發(fā)現(xiàn)新化縣蜂窩煤67.5%的氟元素來自拌煤粘土.因此添加劑可能是蜂窩煤多種水溶性離子貢獻率高于塊煤的原因.黃山秀等[48]指出我國型煤技術(shù)重點發(fā)展方向應(yīng)從型煤固硫機理、型煤固硫影響因素、型煤粘結(jié)劑和固硫劑的復(fù)合作用、固硫型煤的燃燒特性等幾方面著手進行型煤燃燒脫硫凈化一體化研究.因此我國蜂窩煤制作目的是減少SO2等污染物排放.但從本研究看蜂窩煤添加劑可能是導(dǎo)致水溶性離子排放因子過高的原因,還需要后續(xù)深入研究.

圖2 蜂窩煤與塊煤燃燒對9種水溶性離子排放的貢獻率

2.2.3 排放強度 圖3給出了2013年各地區(qū)民用燃煤排放PM2.5及9種水溶性離子的排放強度.民用燃煤PM2.5排放強度最高的是山東、北京和上海,分別為323.9、287.3、197.9kg/km2;浙江、貴州、湖北、山西以及湖南等地,PM2.5排放強度均在5g/km2以上;廣西、新疆、青海的排放強度最小,分別為1.3、1.9和2.1g/km2.山東省SO42-離子的排放強度最高,為46.6g/km2;北京和上海次之,分別為26.4和24.7g/km2;湖北、湖南、吉林、廣東、浙江、山西等地SO42-的排放強度在7.85~15.97g/km2之間.

2.2.4 人均排放量 圖4給出了各種水溶性離子的人均排放量.人均排放量最高的地區(qū)主要集中在華北平原一帶.PM2.5人均排放量較大的省份為山東、河北、北京、山西、湖南、青海和貴州等地,分別為520.16mg/人、401.02mg/人、362.73mg/人、325.48mg/人、274.42mg/人、243.56mg/人和235.03mg/人.山東省SO42-人均排放量最多為,74.94mg/人,這與山東省民用燃煤消耗最多的蜂窩煤有關(guān),蜂窩煤中SO42-排放因子遠(yuǎn)大于塊煤的排放因子.

從排放強度和人均排放量來看,華北平原地區(qū)是民用燃煤排放水溶性離子最大的地區(qū),該地區(qū)也是我國冬季供暖時段重污染頻發(fā)的區(qū)域.民用燃煤排放污染物對該區(qū)域的影響不容忽視,亟需更多深入的排放實測和清單更新工作,以有效支撐重污染過程模擬及民用燃煤分時段分區(qū)域減排政策制定.

2.2.5 空間分布特征 圖5給出了民用燃煤排放PM2.5中9種水溶性離子1km×1km空間分布.從圖中可以看出山東省民用燃煤水溶性離子排放量最多(大部分地區(qū)單位面積排放量高于629kg).水溶性離子空間分布較大的區(qū)域主要集中在華北平原、山西汾河谷地、關(guān)中盆地、河西走廊、四川盆地、兩湖平原、長江三角洲、珠江三角洲、三江平原等地區(qū).Zheng等[49]模擬我國2013年1月PM2.5濃度高值區(qū)主要分布于華北平原、東北平原、四川盆地以及兩湖平原;同2013年中國環(huán)境狀況公報[50]對比發(fā)現(xiàn),民用燃煤水溶性離子空間分布同霧霾爆發(fā)地區(qū)也高度吻合.由于民用燃煤清單構(gòu)建過程中,空間插值分配時依據(jù)的是高分辨率人口分布圖,因而污染物的分布與人口的空間分布一致,即東部高于西部;平原和盆地多,山地和高原少;集中分布在我國主要水系、湖泊和河谷地帶.從人口地理學(xué)的角度,影響中國人口分布的自然環(huán)境因素和經(jīng)濟發(fā)展水平因素對人口分布的貢獻度大致為80對20[51].因而對于民用燃煤這一由人口分布決定的污染源,對其排放污染物制定減排政策時,既要充分考慮到區(qū)域資源地理環(huán)境所能承受的人口數(shù)量,也不能忽視經(jīng)濟發(fā)展水平導(dǎo)致的節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展、改進和大范圍推廣應(yīng)用.

2.3 清單不確定性分析

采用蒙塔卡洛法分析排放清單的不確定性,首先確定活動水平數(shù)據(jù)以及排放因子符合的概率分布.本文假設(shè)概率分布為正態(tài)分布.因此要確定該部分的均值和方差.構(gòu)建分布函數(shù)后,運用Crystal-ball軟件進行多次隨機數(shù)的抽取,抽取100000次,計算出在95%置信區(qū)間之下的不確定性范圍.將求出的活動水平數(shù)據(jù)和排放因子的不確定性在排放量估算公式中進行傳遞,最終得出排放清單的不確定性分析,見表4.

表4 95%置信度下各水溶性離子排放量的不確定度(%)

2.4 民用燃煤排放一次顆粒物酸度分析

大量在北京[52]、西安[53]和珠江三角洲[54]等地的大氣顆粒物中水溶性離子特性研究發(fā)現(xiàn),燃煤排放是影響冬季各地區(qū)大氣PM2.5酸性的主要因素之一.根據(jù)本研究構(gòu)建的民用燃煤一次水溶性離子排放清單,結(jié)合陰陽離子當(dāng)量濃度,得到全國各省民用燃煤排放一次顆粒物中陰陽離子當(dāng)量濃度之比在2.0~2.5之間,表明民用燃煤排放顆粒物呈酸性.可能存在SO2等氣態(tài)前體物轉(zhuǎn)化生成水溶性離子造成陰離子當(dāng)量濃度高于陽離子當(dāng)量濃度.一些研究表明顆粒粒徑越小,酸性越高,酸化緩沖能力越差[55-56].因而在冬季采暖時期民用燃煤大量使用排放的酸性細(xì)顆粒物是我國北方城市冬季大氣細(xì)顆粒物酸度的一個主要貢獻者[8].

3 結(jié)論

3.1 本研究首次指出與塊煤燃燒相比,蜂窩煤燃燒水溶性離子排放因子高出塊煤燃燒排放的2.1~18倍,其PM2.5排放因子是塊塊煤的2.6倍.從民用型煤標(biāo)準(zhǔn)來看,并未考慮其燃燒導(dǎo)致的細(xì)粒子及載帶水溶性離子排放增加; 從污染物排放的角度,其排放水溶性離子及其氣態(tài)前體物需引起更多的關(guān)注和系統(tǒng)評估.

3.2 民用燃煤排放污染物的空間分布與我國冬季大氣重污染過程頻發(fā)的地區(qū)空間分布高度吻合.民用燃煤排放水溶性離子空間分布較大的區(qū)域主要集中在華北平原、山西汾河谷地、關(guān)中盆地、河西走廊、四川盆地、兩湖平原、長江三角洲、珠江三角洲和三江平原等地區(qū),受到自然地理環(huán)境因素和經(jīng)濟發(fā)展水平制約.

3.3 我國民用燃煤排放一次細(xì)顆粒物中陰陽離子當(dāng)量濃度之比在2.0~2.5之間,顆粒物呈酸性,是影響我國北方冬季供暖時段大氣細(xì)顆粒物酸性的一個主要源.

3.4 本研究初步對我國民用燃煤PM2.5水溶性離子排放因子進行探討,第一次構(gòu)建了高分辨率排放清單.但還存在不足,后續(xù)需對我國各地區(qū)典型民用燃煤/爐型進行收集,對該類源排放多種有害組分進行全面深入的排放特征研究、排放因子實測、完善清單,以有效支撐重污染過程模擬及民用燃煤分時段分區(qū)域減排政策制定.

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Emission inventory of water soluble ions in fine particles from residential coal burning in China and implication for emission reduction.

YAN Qin1, KONG Shao-fei1,2*, LIU Hai-biao1, WANG Wei1, WU Jian2, ZHENG Ming-ming2, ZHENG Shu-rui2, YANG Guo-wei2, WU Fang-qi2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Department of Atmospheric Sciences, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China)., 2017,37(10)：3708~3721

Emission factors (EFs) for 9water-soluble ions of Na+, NH4+, Mg2+, K+, Ca2+, F-, Cl-, NO3-and SO42-in PM2.5from raw coal and honeycomb coal burning were obtained by dilution sampling system and domestic burning test. The total emission amounts of water-soluble ions from residential coal burning in 2013 of China were calculated. An 1km×1km grid cell-based emission inventory was established. Results showed that the EFs of water soluble ions from honeycomb coal burning were higher than those emitted from the raw coal burning except for Ca2+and Mg2+. It is urgently to assess the emission reduction effect of hazardous chemical components of changing the raw coal into honey coal. The EFs of SO42-were highest than other ions, which were 494mg/kgand 105mg/kg for honey coal and raw coal, respectively. The particles emitted from domestic coal burning were acidity, with ∑anion/∑cation ratios ranging in 2.0~2.5. For per capita emission, Shandong, Hebei and Beijing were the top three provinces with higher emission amounts, which were 520.16, 401.1 and 362.7gram per capita, respectively. For emission intensity, Shandong, Beijing and Shanghai hold the highest values, as 323.9, 287.3 and 197.9kg/km2, respectively. The emission of ions from domestic coal burning in Beijing and Shandong should be paid more attention. For the high spatial resolution emission inventories of ions from domestic coal burning, they exhibited the following features: (1) eastern China exhibited higher values than those for western China; (2) they were higher in plains and basins than those in plateau and mountainous region; (3) they mainly constraint by the geographical environment factors and economic development level , which maybe related with the historical trend of population evolution. Human beings are mainly concentrated in the main plains, basins and river valleys, therefore from the view of alleviating heavy air pollution processes in winter, the water-soluble ions and their gaseous precusors should be strictly reduced.

residential coal burning；fine particle；water soluble ions；emission inventory；spatial distribution；emission reduction

X513

A

1000-6923(2017)10-3708-14

嚴(yán) 沁(1991-),男,江蘇南京人,南京信息工程大學(xué)碩士研究生,主要從事源排放清單研究.

2017-03-14

教育部博士點基金(20133228120001);國家重點研發(fā)計劃(2016YFA0602002);國家自然科學(xué)基金(41305119)

* 責(zé)任作者, 教授, kongshaofei@126.com