沈阳市烟尘粒度识别试验研究

周兴

(沈阳市环境监测中心站,辽宁沈阳110016)

1 引言

北方城市环境空气质量季节性污染都比较严重,主要是由于每年5～6个月的采暖期燃用大量煤炭,排放大量烟尘所致。研究表明,沈阳市采暖期降尘中燃煤烟尘的比例一般在55%～60%之间,其它由自然扬尘和施工扬尘等组成。烟尘对人体的危害已得到公认,由于烟尘中组分复杂,不同粒径烟尘对人体健康的影响迥然不同。烟尘对环境的危害早已引起世界各国的重视,近年来沈阳市烟尘的微小粒径尘的工作愈来愈受到重视。沈阳市多年来一直非常重视除尘工作,同时也积累了大量的工作经验。可以说,燃烧设备的除尘工作一直是环境保护工作中重要内容之一。但是随着认识的不断深入,人们已经开始注意起烟尘的组成和组分,研究不同粒径尘粒的危害作用。随之而来的有关烟尘中各种级别尘粒的组分,其分布特性等相关内容,愈来愈受到专业人士的关注。

2 材料与方法

2.1 烟尘粒经的组成

粒径不同的颗粒,在大气中滞留时间不同,其沉降速率也不同。有研究资料表明,空气动力学粒径大于10μm的颗粒,在自身的重力作用下能很快落到地面,这一部分尘被称为“降尘”。粒径小于10μm的颗粒在空气中可飘浮很长时间,有的甚至长达几年,这一部分尘被称为“漂尘”。粒径小于3μm的颗粒被称为“微粒”。

(1)粒径不同,对人体的危害亦不同,降尘在空气中停留的时间极短,不易被人体吸入,因而对人体的危害不大。而飘尘却能通过呼吸道侵入人体或沉积于肺泡或被吸收到血液及淋巴液内,对人体造成危害。由此可见,颗粒物的大小对人体健康的危害程度是有明显差异的,小颗粒的环境毒理学作用远远大于大颗粒。

(2)颗粒的粒径不同,其组分也有很大差异,由于小颗粒比表面积大,其活性和吸附力都比大颗粒强,所以一些有毒的无机物、有机物及“三致”物质和多环芳烃等大多容易富集在小于3μm的颗粒上。对人群健康可产生长期性、隐发性危害。

(3)颗粒的总体描述一般用质量中值(MMD或d50)表示,即大于50%的尘粒直径包括在此范围,单位用μm。

2.2 烟尘粒度识别测试

2.2.1 试验仪器

3011H(+)型皮托管平行自动烟尘采样仪,青岛崂山应用技术研究所生产;WY-1型冲击式尘粒分级仪,中国预防医学中心卫生研究所生产。

2.2.2 测定方法

采样完全按照GB/T16157-1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》和GB5468-91《锅炉烟尘测试方法》进行。

2.2.3 数据处理

根据分级仪工况下的抽气流量、烟气温度,可查得各级冲击孔板的d50(50%捕集效率点空气动力直径)值,然后除以尘粒的真比度平方根可得出各级冲击孔板的50%效率点的斯托托克直径d 50值。各级滤膜经称重计算得出各径级颗粒物的质量及总质量;各径级质量占总质量的百分数;计算出筛下积累百分数。在概率纸上,将所得数据绘入,判断颗粒物粒度分布的类型。本实验所获得各组原始数据均较好的遵从对数正态分布。对粒径取对数,所对应的筛下积累百分数做线性变换,两者做回归运算,记录相关系数。

2.3 试验炉型、除尘器类型和煤种选择

2.3.1 炉型选择

通过调查,选择沈阳市内工业企业中运行正常、工况稳定且管理状态良好的锅炉做为测试锅炉。选择在沈阳市普遍使用的链条炉排、往复炉排、反烧炉和双层炉排。

2.3.2 除尘器类型选择

静电、麻石水膜、水浴冲击式、陶瓷+喷淋和陶瓷多管除尘器。

2.3.3 煤种选择

沈阳市每年耗煤近千万吨,涉及煤炭种类20余种,经过调查,在满足研究需要并符合沈阳市基本燃煤结构的原则下,确定几种普遍使用的燃料煤,作为试验研究煤种[2]。

表1 试验煤种使用概况

2.4 烟尘粒度分布

2.4.1 除尘前烟尘粒度分布

沈阳市不同煤种除尘前烟尘粒度分布统计见图1。

图1 不同煤种除尘前烟尘粒度分布

目前沈阳市燃煤烟尘中在未除尘状态下,10μm以下的尘粒平均占29.3%,而 10μm～100μm 的尘粒占56.99%,大于100μm的尘粒仅占13.71%,国内平均状态的粒径分布如表11所示。通过比较可以看出沈阳市烟尘中小于10μm的尘粒略高于国内平均水平(20.0%),大于 10μm和大于100μm的尘粒与国内平均的状况基本一致。

2.4.2 除尘后烟尘粒度分布

沈阳市不同煤种除尘后烟尘粒度分布统计见图2。

图2 不同煤种除尘后烟尘粒度分布

根据研究确定在沈阳市燃料燃烧过程中产生的烟尘经过重力式除尘后,烟尘中PM 10的含量约占72%,即烟尘的组分大部分是由微小颗粒组成,10～100μm的尘粒仅占27%,而大于100μm的尘粒即烟尘中的大颗粒基本被除掉,由除尘前的13.7%降到0.55%。

2.5 粒度分布结果

2.5.1 质量中值的变化

质量中值(MMD)在除尘前的均值可达23.1μm,而除尘后的 MMD仅为5.50μm,说明除尘前烟尘中尘粒的质量中值较大,烟尘中大颗粒比重较大。经过除尘,较大颗粒的尘已被除去,烟尘中尘粒以小颗粒为主,质量中值的直径急剧下降到5.5μm[1]。

2.5.2 粒度分布

经除尘后排放的烟尘中,其粒度分布发生了很大变化。大颗粒尘被除掉的较多,小颗粒尘被除掉的较少。故小颗粒尘(10μm以下)的比例明显增大,由除尘前的29.3%提高到除尘后的72.2%。这种统计结果也符合重力除尘器的除尘特点。

2.5.3 粒度分布

本试验研究所获得烟尘中粒度分布数据,均遵从对数正态分布规律,几何标准差和相关系数均符合数理统计要求。烟尘中粒径小于10μm的尘粒统称为飘尘,亦称PM 10,这是近年来环境空气学科中比较敏感而重要的一项指标[3]。

3 结语

(1)沈阳地区燃煤烟尘中在未除尘状态下含10μm以下的尘粒(即PM 10)占29.3%(其中≤1μm占1.18%,1～ 3μm 占5.89%,3～5μm 占6.94%,5～10μm 占 15.29%)。10～100μm 的尘粒平均占56.99%,大于100μm的尘粒占13.71%。

(2)经除尘后排放的烟尘中,其尘粒组分发生了很大变化,10μm以下的粒径约占 72%(其中≤1μm占 6.04%,1～ 3μm 占 23.36%,3 ～ 5μm 占18.21%,5～10μm 占24.60%)。10～100μm 的尘粒占27.25%,而大于100μm的尘粒仅占0.55%。

(3)本研究所获得烟尘中粒度分布数据,均遵从对数正态分布规律,几何标准差和相关系数均符合数理统计要求。

通过典型煤烟的测试分析,深入研究了烟尘中不同粒径尘的比重和烟尘的粒度分布特性,从而对沈阳地区烟尘的组分和特点得出明确结论。这些工作为掌握和深入评价大气中颗粒物的污染和对人体的危害。为大气环境污染的指标化管理和综合防治及将来除尘器的更新与换代将提供有价值的科学依据。

[1]程胜高.固定污染源排气实用监测方法与技术[J].环境科学,1997(9)：72～ 78.

[2]刘英铎.沈阳市区大气颗粒物粒度分布规律的研究[J].沈阳市环境监测中心站站志[J].1989(6)：128～135.

[3]李烈勋.生产环境粉尘测定[M].北京：冶金工业出版社,1990.