秸稈露天焚燒典型大氣污染物排放因子

王 艷,郝煒偉,程 軻*,支國瑞,易 鵬,樊 靜 (.河南師范大學環境學院,黃淮水環境與污染防治教育部重點實驗室,河南 新鄉 45007；2.新鄉醫學院公共衛生學院,河南 新鄉 4500；.中國環境科學研究院,北京 0002)

生物質燃燒會產生大量氣態污染物和顆粒物,是全球大氣污染物的重要來源,對全球性和區域性大氣環境、氣候變化以及人體健康造成重要的影響[1-7].作為農業大國,我國農作物秸稈產量豐富且居世界首位[8].在全球范圍內,農作物秸稈燃燒是生物質燃燒的重要組成部分[6].秸稈燃燒是造成近年來區域性霾污染的重要原因[9-12].

國內外研究學者對秸稈焚燒大氣污染物的排放因子已經開展了一系列研究.目前研究[13-15]大多通過燃燒室或燃燒塔模擬秸稈露天焚燒,測定了秸稈燃燒典型大氣污染物的排放因子.針對秸稈物理性質和燃燒條件對排放因子的影響,Hayashi等[15]的測定了干燥和潮濕的秸稈露天焚燒 PM2.5和氣態污染物的排放因子,探討排放因子和含水率之間關系.祝斌等[16]在測定污染物排放因子過程中,為了劃分明火燃燒和燜燒的燃燒狀態,將電熱塊加熱視為燜燒,得出燜燒的排放因子為明火燃燒的 2.4～11.5倍.張宜升等[17]對秸稈和落葉野外焚燒、秸稈爐灶燃燒排放的氣相及顆粒相 PAHs的排放因子進行了實測.唐喜斌等[18]分別針對露天焚燒和爐灶燃燒的燃燒方式,測定了氣態污染物和顆粒物排放因子以及顆粒物成分譜.上述研究為了解秸稈燃燒污染物排放特征,計算污染物排放量提供了重要基礎數據.但秸稈露天焚燒的實際過程主要包含明火燃燒和燜燒兩個狀態.一般情況下,特別是現場測試條件下,由于燃燒條件不易控制,實際燃燒面積大,明火和燜燒狀態常在一個區域內疊加,難以明確區分和測量燜燒階段的污染物排放.且現有研究大多數在實驗室內進行,而基于露天焚燒實際情況,對秸稈露天焚燒整個過程的燃燒狀態實時監測以及排放因子測定較少.鑒于此,本研究利用自行設計露天焚燒煙氣污染物稀釋采樣測試系統,在田間模擬露天焚燒環境,考慮秸稈露天焚燒過程中不同燃燒狀態和秸稈含水量對污染物排放的影響,對氣態污染物(SO2、NOx、CH4、CO 和 CO2)、PM2.5及其碳質組分(OC和EC)的排放因子進行實測,為我國大氣污染物來源分析提供有效判斷依據.

1 材料與方法

1.1 農作物秸稈的選擇

本研究測試所用秸稈選取我國農村普遍存在的 4種秸稈,分別為玉米、小麥、花生和棉花秸稈,自然晾曬,秸稈采集自河南省新鄉市農田間.取實驗所用適量秸稈進行工業分析與元素分析,表1為本研究中選取4種秸稈工業分析與元素分析結果.

表1 農作物秸稈工業分析和元素分析(%)Table 1 Proximate and ultimate analysis of crop straws (%)

1.2 露天焚燒煙氣污染物稀釋采樣系統

本研究所用露天焚燒煙氣污染物稀釋采樣測試系統如圖 1所示.實驗過程中秸稈樣品經過露天焚燒釋放出的煙氣在氣泵作用下先后進入集氣罩和稀釋通道,稀釋空氣與原煙氣在稀釋通道前段進行混合稀釋,之后混合氣體進入稀釋通道中段,完成冷卻、稀釋、生長等理化過程,進一步混合均勻,既保留了燃燒煙氣的原始特征,又保證了采樣煙氣的均勻性和同質性.稀釋通道中段靠后位置處的兩個采樣孔分別連接PM2.5切割器和自動煙氣分析儀.經過冷卻、稀釋后的煙氣通過裝有石英濾膜的 PM2.5切割器,對顆粒物進行采樣.自動煙氣分析儀可對經過稀釋通道的煙氣中CO2、CO、SO2、NOx、CH4等氣態污染物進行連續實時采樣及監測.溫度傳感器連接自動煙氣分析儀對火焰溫度和經過稀釋的煙氣溫度進行連續實時記錄.自動煙氣分析儀可通過輔助計算修正燃燒效率(MCE)區分明火和燜燒兩種不同的燃燒狀態.

圖1 采樣測試系統示意Fig.1 Flow chart of sampling system

1.3 采樣測試過程和分析方法

1.3.1 采樣測試過程 采樣前打開氣泵,調節轉子流量計對流量進行控制.采樣過程將秸稈樣品放置在托盤上,引燃秸稈樣品,使火焰自由擴散,保證模擬秸稈露天焚燒的準確性.煙氣在氣泵作用下進入采樣測試系統,在自動煙氣分析儀讀取的氣態污染物數據由背景值開始變化時,開始記錄實驗數據,燃燒結束自動煙氣分析儀數據趨于穩定后,結束對樣品的采集,整個實驗過程中溫度、時間等數據由自動煙氣分析儀進行記錄.為了探究含水率對實驗影響,對玉米秸稈和小麥秸稈均勻加入蒸餾水待放置 24h后重新測定含水率,設置不同含水率梯度,每組實驗設置3個平行實驗來保證數據準確性.實驗前將石英濾膜放在馬弗爐中500°C烘烤4h,去除有機碳成分,冷卻后放入干燥器中24h進行稱重待使用.

1.3.2 分析方法 在焚燒過程中,CO、CO2、SO2、NOx、CH4等氣態污染物體積濃度數據直接保存至自動煙氣分析儀中.在焚燒結束后,對底灰樣品和石英濾膜樣品進行收集,帶回實驗室放入冰箱進行冷凍保存.在實驗室對顆粒物進行OC、EC成分分析.OC、EC分析采用DRI 2001碳分析儀進行測量分析校對,測量采用IMPROVE A協議.秸稈原始樣品與底灰樣品采用varioEL Ⅲ元素分析儀進行元素分析.

1.4 計算方法

1.4.1 修正燃燒效率 修正燃燒效率(MCE)是劃分不同燃燒狀態的重要指標[19].一般情況下,在一個燃燒過程中,整個燃燒過程的 MCE值在0.9～1.0之間時,可將此燃燒過程視為由明火燃燒主導;MCE值小于0.9時,可將其視為由燜火燃燒主導.由于自動煙氣分析儀可以實時記錄煙氣污染物濃度,本研究系統分析整個燃燒過程的實時燃燒狀態,從而得出明火燃燒和燜燒的數據.MCE值可以由CO濃度和CO2濃度計算得出.計算公式如下:

式中:為去除背景值后 CO2濃度; ΔCCO為去除背景值后CO濃度.

1.4.2 排放因子 本研究采用碳平衡法[20]計算污染物的排放因子,即秸稈中的含碳組分在燃燒過程中一部分轉化為灰分中的含碳物質,另一部分以 CO、CO2、顆粒物中含碳組物質和總碳氫化合物的形式轉化.Zhang等[20]使用碳平衡法計算公式如下:

式中: Cf、Ca分別為秸稈樣品、底灰樣品中碳的質量,g;分別為CO2、CO、顆粒物、非甲烷總烴和CH4的質量,g.

在碳平衡法基礎上,根據碳燃燒前后的質量平衡計算單位重量秸稈燃燒產生的氣體量,進而計算出單位重量秸稈 CO2排放因子,并以此為標準計算其它各種氣體與顆粒物排放因子.

通過碳平衡法獲得單位質量秸稈釋放煙氣量,公式如下:

式中:Cf、Ca分別為單位質量秸稈樣品、底灰樣品中碳的質量,g?C/kg; Rfg為單位質量秸稈氣體排放量,m3/kg;分別代表CO、CO2、顆粒物、非甲烷總烴與CH4中碳的濃度,g?C/m3.

通過單位質量秸稈釋放煙氣量可計算出污染物排放因子,公式如下:

式中: c(CO2)為 CO2的物質的量濃度,mol/m3;為CO2的分子量, 44g/mol.

式中:ΔX與代表去除背景值后的X與CO2的物質的量濃度,mol/m3;MX為 X的摩爾質量,g/mol.

在排放因子計算過程中,通過元素分析可得出單位質量秸稈樣品和底灰樣品中含碳量,自動煙氣分析儀可直接得出燃燒過程轉化為氣態和顆粒態的碳的濃度.與實驗室模擬燃燒相比,實驗室模擬燃燒過程中大部分采用燃燒室測定煙氣量等數據,本研究整個過程不涉及底物質量和煙氣量等數據,普遍適合在野外進行測試.

2 結果與討論

2.1 PM2.5和含碳組分排放因子

表2為4種秸稈露天焚燒釋放煙氣中PM2.5和 OC、EC的排放因子以及平均修正燃燒效率(MCE).玉米秸稈和棉花秸稈MCE值大于0.9,可視為由明火燃燒支配,通過觀察燃燒底灰形貌發現,燃燒較為充分.小麥秸稈和花生秸稈 MCE值小于 0.9,可視為由燜燒支配,燃燒結束后秸稈仍有少部分殘留,燃燒不充分.在10%左右含水率梯度,即自然晾曬的情況下,4種秸稈露天焚燒的PM2.5排放因子在1.48～13.29g/kg之間,花生秸稈PM2.5排放因子略大于小麥秸稈,棉花秸稈 PM2.5排放因子最低.OC和EC是顆粒物的重要組成成分,本研究中OC和EC分別占PM2.5全部質量的27.7%～54.3%和4.4%～17.1%.OC和EC的排放因子分別在 0.47～6.11g/kg、0.25～1.56g/kg 之間,小麥秸稈的OC排放因子最高,花生秸稈的EC排放因子最高,不同種類秸稈燃燒 PM2.5排放量和PM2.5中OC、EC的比例不同.4種秸稈燃燒釋放顆粒物中OC/EC值在1.88～11.23之間,不同秸稈類型OC/EC差距較為明顯.小麥秸稈OC/EC為11.23,遠遠高于其他 3種秸稈.花生秸稈排放PM2.5中OC僅占24.4%,玉米秸稈和棉花秸稈排放 PM2.5中 EC所占比例較高,分別為 16.1%和16.9%.這些差異可能與不同秸稈本身物理性質(如密度、揮發分、灰分、熱值、等)和元素組成等因素有關.

對于不同含水率梯度的小麥秸稈和玉米秸稈,可以看出隨著秸稈含水率升高,MCE值降低,燜燒程度增加,PM2.5和 OC排放因子升高.高含水率梯度秸稈的 PM2.5排放因子是自然晾曬秸稈的3.4～7.8倍左右,高含水率梯度秸稈OC排放因子是自然晾曬秸稈的 3.7～6.2倍左右.而含水率梯度與小麥秸稈和玉米秸稈 EC排放因子的關系尚不明顯,Hayashi等[15]的研究也有類似結果.因此高含水率梯度會使秸稈釋放顆粒物中OC/EC升高1.9～9倍左右.造成這些情況發生可能是由于隨著濕度升高,需要更多的熱量使秸稈樣品中水分揮發,導致燃燒溫度降低,不完全燃燒使產生CO2減少,OC排放增多.隨著含水率增高EC排放因子沒有顯著變化.且不同濕度下PM2.5中 OC所占比例沒有明顯差別.與干燥秸稈相比,濕度升高后,OC排放因子增加占 PM2.5排放因子增加的 46%～54%,可見 PM2.5排放量升高主要是由OC排放量增高導致.

表3列出了本研究中所測得4種秸稈露天焚燒PM2.5和OC、EC排放因子與其他文獻的對比,玉米秸稈和棉花秸稈排放因子低于已有研究結果,小麥秸稈和花生秸稈排放因子高于已有研究結果,且不同研究秸稈燃燒釋放顆粒物中 OC/EC偏差較大.由于實驗室模擬和現場測試的方法不同,其他研究大多在實驗室內利用燃燒塔或燃燒室對秸稈進行模擬焚燒,燃燒室環境相對封閉.本研究完全模擬野外環境進行現場測試,結果易受外界條件尤其是風等因素影響.Cao等[14]對提前風干一個月秸稈進行測試,與自然晾曬秸稈相比含水率有所降低.此外不同產地秸稈的元素構成存在一定差異,會造成排放因子結果有所不同.但整體上本研究的結果與其他研究具有一定可比性.

表2 農作物秸稈露天焚燒PM2.5排放因子(g/kg)Table 2 Emission factors of PM2.5 from open burning of crop straws (g/kg)

通常用OC/EC比值來考察氣溶膠污染物來源[21].但是對于生物質燃燒源示蹤,由于含水率等各種因素影響,OC/EC變化較大,需結合秸稈含水率數據進行綜合分析.

表3 本研究秸稈露天焚燒排放因子和其他文獻的比較Table 3 Comparison of PM2.5 emission factors from open burning of crop straws with other literatures

2.2 氣態污染物排放因子

表 4為本研究所測得秸稈露天焚燒煙氣中氣體污染物排放因子,自然晾曬條件下(10%左右含水率梯度)的4種秸稈CO、SO2、NOx和CH4平均排放因子分別在 7.39～92.4g/kg、0.11～0.89g/kg、0.72～3.86g/kg 和 0.2～5.45g/kg 之間,不同秸稈種類氣態污染物排放因子差距較大.花生秸稈氣態污染物排放因子較高,棉花秸稈氣態污染物排放因子較低,與平均MCE值較為符合,可能受到燃燒狀態和秸稈本身物理性質等因素的影響.

表4 秸稈露天焚燒氣態污染物排放因子(g/kg)Table 4 Emission factors of gaseous pollutants from open burning of crop straws (g/kg)

圖2為本研究所測得4種秸稈整個燃燒過程煙氣中CO、SO2、NOx、CH4的質量濃度和MCE值隨時間變化趨勢.可以看出,在開始階段秸稈被引燃之后 MCE＞0.9,燃燒處于明火狀態,隨著MCE降低,燃燒狀態為混合狀態,趨于由燜燒所支配,污染物濃度急劇上升,濃度到峰值之后污染物伴隨 MCE值起伏,污染物濃度開始下降直至火焰熄滅,到達環境背景值.其中CO、SO2、NOx3種氣態污染物的釋放伴隨整個燃燒過程,而 CH4主要出現在明火引燃后混合狀態MCE值降低過程,在燃燒后期CH4排放濃度很低.

對于不同含水率梯度的玉米秸稈和小麥秸稈排放氣態污染物排放因子,從表 4中可以看出,與 10%左右含水率梯度即自然晾曬秸稈相比,高含水率梯度的玉米秸稈和小麥秸稈CO和CH4的排放因子較高,而SO2、NOx則未明顯變化.這可能是因為含水率升高,燃燒溫度降低,秸稈燃燒的時間則變長.整個過程MCE值降低,由燜燒過程所支配,長時間燜燒狀態的不完全燃燒消耗燃燒過程中氧氣,導致釋放 CO2濃度降低,不完全氧化和還原物質 CO和 CH4排放增加.

圖2 秸稈露天焚燒氣態污染物濃度變化趨勢Fig.2 Variations of gaseous pollutants concentrations from open burning of crop straws

3 結論

3.1 修正燃燒效率(MCE值)表明,本次測試過程中玉米秸稈和棉花秸稈可視為由明火燃燒支配,小麥秸稈和花生秸稈可視為由燜燒支配,濕度增加會造成 MCE值降低,燜燒程度增強,污染物排放主要在混合狀態,由燜燒狀態主導.

3.2 玉米、小麥、花生、棉花4種秸稈露天焚燒釋放煙氣中PM2.5平均排放因子分別為3.67、12.17、13.29和1.48g/kg, OC的平均排放因子分別為2.18、6.11、3.24和0.47g/kg,EC的平均排放因子分別為 0.59、0.54、1.56和 0.25g/kg.OC和EC是PM2.5中主要組成成分.

3.3 4種秸稈露天焚燒氣態污染物CO、SO2、NOx和 CH4平均排放因子分別在 7.39～92.4g/kg、0.11～0.89g/kg、0.72～3.86g/kg 和 0.2～5.45g/kg之間.

3.4 隨著含水量上升,氣態污染物方面,CO 和CH4的排放因子明顯升高,分別是自然晾曬狀態的 1.2～1.6 倍和 1.2～2.2 倍.而 SO2和 NOx則沒有明顯變化.顆粒物方面,PM2.5和OC的排放因子升高,分別是自然晾曬狀態的 3.4～7.8倍和 3.7～6.2倍.EC排放因子沒有顯著變化,導致OC/EC的升高.OC排放因子升高占 PM2.5排放因子升高的46%～54%,PM2.5排放量升高主要是由OC排放量增高導致.在計算污染物排放量過程中需根據不同區域生物質特性進行選取相應排放因子.

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