內(nèi)蒙古主要農(nóng)作物秸稈燃燒釋放煙氣污染物研究

張恒，王柏杰，王飛

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要生物資源。近些年，由于生物質(zhì)燃燒向大氣中排放大量的氣態(tài)污染物和顆粒態(tài)污染物，已經(jīng)被視為大氣污染物的重要來源[1]。作為農(nóng)業(yè)大國，中國年均秸稈產(chǎn)量可達(dá)6×108t[2]，農(nóng)作物秸稈資源過剩問題日益顯著，焚燒秸稈帶來的資源浪費和環(huán)境污染問題引起了廣泛關(guān)注[3]。

秸稈燃燒過程會向大氣釋放大量的CO、NOx、PM2.5及其他污染物[4]。這些煙氣污染物聯(lián)合作用可導(dǎo)致霧霾的形成[5]。過量的CO2會導(dǎo)致全球氣候變暖。CO與血紅蛋白結(jié)合速度高于O2，從而導(dǎo)致人體血液O2供應(yīng)不足，對人體健康產(chǎn)生極大危害。NOx是光化學(xué)煙霧的引發(fā)劑，進(jìn)入大氣后經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)會形成酸雨，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，影響植物生長，也會引發(fā)人體肺部疾病[6]。

國內(nèi)外許多學(xué)者已對農(nóng)作物秸稈釋放煙氣污染物排放特性及化學(xué)成分進(jìn)行了研究，并取得一定成果。如鞠園華等[7]揭示了農(nóng)作物秸稈在陰燃和明燃狀態(tài)下PM2.5的排放特性差異。Viana等[8]對水稻在燃燒期與非燃燒期顆粒態(tài)污染物的化學(xué)組成進(jìn)行對比分析。Sahai等[9]對小麥燃燒釋放有機(jī)碳、元素碳等排放因子進(jìn)行了測定。唐喜斌等[10]對秸稈燃燒釋放氣態(tài)及顆粒態(tài)污染物進(jìn)行了排放特征研究。楊夏捷等[11]對亞熱帶地區(qū)和華南主產(chǎn)區(qū)主要農(nóng)作物秸稈燃燒釋放煙氣污染物（CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5）進(jìn)行分析。Cheng等[12]對水稻燃燒釋放顆粒態(tài)污染物進(jìn)行了分析。張鶴豐[13]通過室內(nèi)模擬燃燒試驗對主要農(nóng)作物秸稈燃燒煙氣污染物進(jìn)行了排放特征分析。王艷等[14]研究了秸稈燃燒在陰燃和明燃狀態(tài)下CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5的排放特性差異，揭示了含水率對污染物排放因子的影響。Zhang等[15]測定了稻草燃燒有機(jī)碳和元素碳等排放因子。也有學(xué)者研究分析了秸稈種類、燃燒狀態(tài)和含水率對PM2.5排放因子和氣態(tài)污染物排放特性的影響[16-17]。分析秸稈不同燃燒狀態(tài)下煙氣污染物排放因子對研究秸稈真實燃燒情況及污染物理化性質(zhì)有重要意義[18]。

目前，國內(nèi)關(guān)于秸稈燃燒排放污染物的研究主要集中在我國中東部及南方地區(qū)[4]，北方地區(qū)相對較少。根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)“十三五”秸稈綜合利用實施方案》，內(nèi)蒙古各類農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量達(dá)3.5×107t，其中玉米秸稈為2.9×107t，葵花秸稈為1.2×106t。鑒于此，筆者基于自主設(shè)計的燃燒裝置，對內(nèi)蒙古自治區(qū)由西至東13個地區(qū)2種主要農(nóng)作物秸稈進(jìn)行實驗室模擬燃燒試驗。同時，實時測定燃燒過程中CO、CO2、NOx、CxHy和 PM2.5排放因子并對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計算，定量對比2種秸稈在陰燃和明燃狀態(tài)下各污染物的排放因子，并分析其排放特征，以期為估算生物質(zhì)對PM2.5的貢獻(xiàn)以及內(nèi)蒙古空氣質(zhì)量分析提供更為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對秸稈燃燒導(dǎo)致的大氣環(huán)境污染研究有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)（97°12′E～126°04′E，37°24′N～53°23′N）。全區(qū)總面積 1.18×106km2，占中國土地面積的12.3%。內(nèi)蒙古自治區(qū)地勢較高，平均海拔高度1 000 m，屬于高原型地貌，所處緯度較高，高原面積大，距離海洋較遠(yuǎn)，邊沿有山脈阻隔，氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候為主，具有降水量少而不勻、風(fēng)大、寒暑變化劇烈的特點。內(nèi)蒙古自治區(qū)日照充足，光能資源非常豐富，大部分地區(qū)年日照時數(shù)大于2 700 h，為農(nóng)作物生長提供了充足的光照環(huán)境，農(nóng)牧業(yè)相對發(fā)達(dá)。

1.2 樣品采集

于2018年，以葵花秸稈、玉米秸稈為對象進(jìn)行樣品采集，采樣點分布如圖1所示。樣品采自內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟阿拉善左旗、烏海市、巴彥淖爾市五原縣、包頭市、鄂爾多斯市鄂托克前旗、呼和浩特市土默特左旗及托克托縣、烏蘭察布市察哈爾右翼中旗、錫林郭勒盟錫林浩特市、赤峰市林西縣及敖漢旗、通遼市科爾沁左翼后旗、烏蘭浩特市13地，葵花秸稈、玉米秸稈樣品收集總量分別為1 678.2和1552.4 g。將自然晾干的秸稈剪切處理成10 cm長度，然后依次在天平上稱重（精度0.1 g），并將每個地區(qū)樣本分為3組燃燒樣本。

圖1 采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 試驗流程及分析方法

將稱好的秸稈樣品放入100 ℃烘箱中烘干8 h，將烘干的秸稈樣品在干燥器中恢復(fù)至常溫，然后將稱量好的秸稈樣品放入自制的燃燒箱（圖2）中進(jìn)行燃燒試驗，同時運(yùn)用煙氣分析儀（Testo350，德倫儀器國際貿(mào)易有限公司，德國）和顆粒物分析儀（TSI8533，TSI Incorporated，Shoreview，美國）實時測定可燃物在不同燃燒狀態(tài)下樣本CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5的排放因子。

圖2 燃燒裝置示意Fig.2 Schematic of combustion device

1.3.1 氣體和顆粒物采樣

燃燒裝置由電熱板、煙氣流通管道、空氣壓縮機(jī)、煙氣分析儀、顆粒物分析儀和電動采樣泵、排氣閥等部分組成（圖2）。為了盡量模擬真實情況，開始燃燒試驗前，調(diào)節(jié)溫度控制器和變壓器控制燃燒箱溫度，從而滿足陰燃和明燃條件，將陰燃溫度控制在180 ℃左右，明燃溫度控制在270 ℃以上，并通過校正燃燒效率（modified combution efficiency，MCE）來表征燃燒狀態(tài)，計算公式如下：

1.3.2 氣體分析方法

每次試驗之前用標(biāo)準(zhǔn)氣體對煙氣分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，使用校準(zhǔn)過的儀器確定燃燒室內(nèi)污染物的背景濃度并記錄。采用煙氣分析儀對農(nóng)作物秸稈燃燒排放的CO、CO2、NOx和CxHy4種氣態(tài)污染物濃度進(jìn)行實時監(jiān)測，記錄間隔為 5 s，CO、CO2、NOx和CxHy的測量精度均為1 mg/m3。

1.3.3 顆粒物分析方法

每次試驗之前用標(biāo)準(zhǔn)氣體對顆粒物分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，使用校準(zhǔn)過的儀器對PM2.5濃度進(jìn)行實時監(jiān)測，記錄間隔為5 s，測量精度為0.001 mg/m3。為保證顆粒物濃度測量的準(zhǔn)確性，試驗過程中將儀器連接的煙氣導(dǎo)引通道的長度適當(dāng)增大，為使PM2.5采樣口的溫度接近于室溫，在實驗室內(nèi)采用溫度控制器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

1.4 排放因子計算

排放因子（EF）指單位質(zhì)量燃料在燃燒時所產(chǎn)生污染物的質(zhì)量。排放因子的測定方法有很多種，如地面檢測和空中采樣方法[22]、實驗室模擬燃燒[23]、氣溶膠煙霧箱測定法[13]等。本研究采用碳守恒的方法來計算排放因子[21]。其基本假設(shè)是燃料中的碳排放主要以氣態(tài)CO2、CO、總碳?xì)洌═HC）和顆粒物形態(tài)的碳存在，根據(jù)元素守恒原則，分別計算CO2、CO、NOx、CxHy和PM2.5的排放因子。設(shè)定一個不完全燃燒系數(shù)PIC：

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007軟件進(jìn)行排放因子的計算，利用SPSS 25.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行方差分析（ANOVA），以確定研究區(qū)內(nèi)物污染排放因子的顯著差異，利用Origin Pro 9.1軟件和Excel 2007軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 明燃狀態(tài)下秸稈燃燒釋放污染物

明燃狀態(tài)下各污染物平均排放因子如表1所示。從表1可以看出，明燃狀態(tài)下葵花秸稈燃燒CO、CO2、NOx、CxHy和 PM2.5的排放因子分別為（278.35±61.1）、（1 376.73±324.97）、（2.58±1.59）、（110.26±48.23）和（0.77±0.81）g/kg，玉米秸稈分別為（267.42±109.53）、（1 327.75±169.22）、（1.25±0.56）、（48.38±31.41） 和 （1.27±0.97） g/kg。 葵 花 的 CO2、CO、NOx和CxHy排放因子大于玉米，玉米的PM2.5排放因子大于葵花。

表1 明燃狀態(tài)下污染物排放因子Table 1 Emission factors of pollutants in flaming g/kg

不同地區(qū)明燃狀態(tài)下污染物排放因子比較如圖3所示。從圖3可以看出，鄂托克前旗和阿拉善左旗的CO排放因子顯著高于其他地區(qū)，察哈爾右翼中旗CO2排放因子顯著高于其他地區(qū)，其余各地區(qū)葵花和玉米的排放因子沒有顯著性差異。

圖3 不同地區(qū)明燃狀態(tài)下污染物排放因子比較Fig.3 Comparison of emission factors of carbonaceous substances in flaming in different areas

葵花的NOx排放因子普遍大于玉米，林西縣的排放因子最高，科爾沁左翼后旗排放因子最低。由于NOx會引發(fā)酸雨，對人體和農(nóng)作物造成嚴(yán)重危害，因此可以初步認(rèn)為林西縣秸稈燃燒對氣候環(huán)境污染貢獻(xiàn)率較高，包頭市的貢獻(xiàn)率較低。

葵花的CxHy排放因子普遍大于玉米，葵花排放因子中，錫林浩特市最高，包頭市最低，玉米的排放因子中，阿拉善左旗最高，是土默特左旗的11.9倍。CxHy在紫外線下會引發(fā)光污染[14]，因此可以初步認(rèn)為錫林浩特市和阿拉善左旗秸稈燃燒對光污染貢獻(xiàn)率較高，土默特左旗和烏蘭浩特市的貢獻(xiàn)率較低。

13個地區(qū)葵花的PM2.5排放因子有顯著性差異，其中敖漢旗葵花的排放因子顯著高于其他地區(qū)，五原縣最低，敖漢旗是五原縣的12.7倍。

2.2 陰燃狀態(tài)下秸稈燃燒釋放污染物

陰燃狀態(tài)下污染物排放因子如表2所示。從表2可以看出，在陰燃狀態(tài)下不同地區(qū)葵花秸稈燃燒 CO、CO2、NOx、CxHy和 PM2.5的排放因子分別為（411.06±91.49）、（918.72±208.26）、（3.81±2.30）、（166.69±71.88）和（1.16±1.22）g/kg，玉米秸稈分別為（371.95±154.38）、（1 029.75±212.85）、（1.33±0.84）、（67.28±41.81）和（1.61±1.05）g/kg。與明燃狀態(tài)不同，葵花CO、NOx和CxHy的排放因子大于玉米，玉米CO2和PM2.5的排放因子大于葵花。

表2 陰燃狀態(tài)下污染物排放因子Table 2 Emission factors of pollutants in smoldering g/kg

不同地區(qū)陰燃狀態(tài)下污染物排放因子比較如圖4所示。從圖4可以看出，各地區(qū)葵花和玉米排放因子具有顯著差異，與明燃狀態(tài)相似，阿拉善左旗玉米的CO排放因子均顯著高于其他地區(qū)，察哈爾右翼中旗葵花的CO2排放因子顯著高于其他地區(qū)。

圖4 不同地區(qū)陰燃狀態(tài)下污染物排放因子比較Fig.4 Emission factors of pollutants under different combustion conditions in different areas

葵花的NOx排放因子顯著高于玉米，這與明燃狀態(tài)相似，林西縣和烏蘭浩特市NOx排放因子均顯著高于其他地區(qū)，在陰燃狀態(tài)下秸稈燃燒對氣候環(huán)境污染貢獻(xiàn)率較高。

葵花的CxHy排放因子錫林浩特市最高，包頭市最低，錫林浩特市葵花的CxHy排放因子是包頭市的5.6倍，阿拉善左旗玉米的CxHy排放因子是察哈爾右翼中旗的20倍，與明燃狀態(tài)相似，錫林浩特市和阿拉善左旗在不同燃燒狀態(tài)秸稈燃燒對光污染貢獻(xiàn)率都較高。

13個地區(qū)葵花的PM2.5排放因子差異顯著，其中阿拉善左旗玉米和敖漢旗葵花排放因子顯著高于其他地區(qū)。

2.3 污染物排放因子比較

如表3所示，不同燃燒狀態(tài)下CO、CO2、NOx和CxHy排放因子有明顯差別。陰燃狀態(tài)下CO排放因子為（284.60±79.88）～（569.80±165.72）g/kg，明燃狀態(tài)下為（162.66±15.94）～（381.65±81.74）g/kg；陰燃狀態(tài)下 CO2排放因子為（725.10±107.71）～（1 409.43±82.32）g/kg，明燃狀態(tài)下為（1 094.96±182.04）～（1 866.22±377.83）g/kg。這是由于陰燃狀態(tài)下燃燒不充分所致。王俊芳[24]研究表明，生物質(zhì)秸稈陰燃時，CO排放因子大于CO2，而明燃狀態(tài)則相反。陰燃狀態(tài)下NOx排放因子為（0.86±0.57）～（5.20±2.59）g/kg，明燃狀態(tài)下為（0.67±0.40）～（3.51±1.75）g/kg；陰燃狀態(tài)下 CxHy排放因子為（49.20±5.53）～（195.97±123.83）g/kg，明燃狀態(tài)下為（35.44±26.02）～（131.97±83.56）g/kg。綜上，CO2排放因子明燃大于陰燃，CO、NOx和CxHy排放因子均表現(xiàn)為陰燃大于明燃，陰燃狀態(tài)更容易產(chǎn)生氣態(tài)污染物，這與鞠園華等[7]研究結(jié)果相近。

表3 不同燃燒狀態(tài)下各地區(qū)污染物排放因子Table 3 Average emission factors of carbonaceous substances under different combustion conditions in different areas g/kg

明燃和陰燃狀態(tài)下PM2.5排放因子分別為（0.23±0.11）～（3.26±0.16）和（0.53±0.35）～（2.91±1.69）g/kg。其中，玉米在明燃和陰燃狀態(tài)下的排放因子為（1.27±0.97）和（1.61±1.05）g/kg；葵花的排放因子為（0.77±0.81）和（1.16±1.22）g/kg，無論葵花還是玉米的燃燒均表現(xiàn)為陰燃大于明燃。朱恒等[25]認(rèn)為，由于陰燃燃燒不充分溫度較低，有利于有機(jī)物的揮發(fā)冷凝，從而使PM2.5的排放因子顯著增大，這與本研究結(jié)果相符。由于陰燃燃燒溫度低，不完全燃燒導(dǎo)致CO排放增多，從而導(dǎo)致PM2.5排放因子增多。

各地區(qū)樣品在不同燃燒狀態(tài)下污染物排放因子具有顯著規(guī)律，阿拉善左旗CO排放因子最高，察哈爾右翼中旗CO2排放因子最高，林西縣NOx排放因子最高，錫林浩特市CxHy排放因子最高，敖漢旗PM2.5排放因子最高，污染物排放因子在不同地區(qū)之間的差異主要與采樣點環(huán)境、土壤養(yǎng)分含量和樣品品種有關(guān)。

在實驗室模擬環(huán)境下，葵花秸稈和玉米秸稈在露天燃燒時，CO的平均排放因子分別為（344.71±66.36）和（319.69±52.27）g/kg；CO2的平均排放因子分別為（1 147.73±229.01）和（1 178.75±149.00）g/kg；NOx的平均排放因子分別為（3.20±0.62）和（1.29±0.04）g/kg。本研究結(jié)果與孫劍峰[26]研究結(jié)果相近，雖然地理位置、樣品品種、生長環(huán)境等因素會影響氣態(tài)污染物排放因子，但只要試驗方法基本相似，試驗結(jié)果都會控制在科學(xué)差值范圍內(nèi)。因此，在估算農(nóng)作物秸稈燃燒釋放煙氣污染物CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5的排放清單時，可以參考本研究所得的排放因子。

3 結(jié)論

（1）在不同燃燒狀態(tài)下，2種農(nóng)作物秸稈PM2.5排放因子有明顯差異，明燃和陰燃狀態(tài)下分別為（0.23±0.11）～（3.26±0.16）和（0.53±0.35）～（2.91±1.69）g/kg，表現(xiàn)為陰燃大于明燃，秸稈燃燒PM2.5排放因子受地理環(huán)境、生長環(huán)境和樣品品種影響較小，受燃燒狀態(tài)影響較大。

（2）在明燃和陰燃狀態(tài)下，2種農(nóng)作物秸稈CO2排放因子分別為（1 094.96±182.04）～（1 866.22±377.83）和（725.10±107.71）～（1 409.43±82.32）g/kg，表現(xiàn)為明燃大于陰燃，CO、NOx、CxHy和PM2.5排放因子均表現(xiàn)為陰燃大于明燃。

（3）在明燃狀態(tài)下，葵花秸稈 CO2、CO、NOx和CxHy的排放因子大于玉米，玉米秸稈PM2.5的排放因子大于葵花；與明燃狀態(tài)不同，陰燃狀態(tài)下葵花秸稈的CO、NOx和CxHy排放因子大于玉米，玉米秸稈的CO2和PM2.5排放因子大于葵花。