不同燃烧过程颗粒物粒径排放特征

张 丹，赵 丽，陈刚才，周志恩，殷宝辉，任丽红，袁 睿（.重庆市环境科学研究院，重庆 4047；.中国环境科学研究院，北京 000）

不同燃烧过程颗粒物粒径排放特征

张 丹1*，赵 丽1，陈刚才1，周志恩1，殷宝辉2，任丽红2，袁 睿1（1.重庆市环境科学研究院，重庆 401147；2.中国环境科学研究院，北京 100012）

采用荷电低压颗粒物撞击器（ELPI）和稀释采样系统研究重庆市工业源、交通源、生物质燃烧以及餐饮业油烟等各类燃烧过程的颗粒物排放特征.结果表明：燃煤锅炉以及各类柴油交通源颗粒物数浓度峰值都表现出单峰型的变化特征，峰值主要出现在0.20～0.48μm之间；生物质燃烧和餐饮业油烟颗粒物的数浓度都呈现出双峰型的变化趋势，分别出现在核模态（0.02～0.07μm）和积聚态（0.2μm）；水泥窑炉的数浓度也出现双峰型变化特征，分别出现在积聚态（0.12μm）以及接近粗颗粒物态的1.23～1.96μm粒径范围处.各污染源颗粒物质量浓度峰值主要出现在粗粒径态，交通源排放的颗粒物质量浓度相对较高.各类污染源数浓度分布主要集中在积聚模态，粗颗粒态的数浓度累计贡献都不到1%；质量浓度主要分布在粗颗粒态，核模态的质量浓度贡献都小于0.1%.

燃烧源；PM10；PM2.5；粒径分布

大气颗粒物是影响我国大气环境质量，引发区域雾霾天气，降低城市能见度水平的主要原因［1-3］.颗粒物的来源和组成极其复杂，产生的危害也十分巨大，被吸入人体的 PM10中，有接近50%的颗粒沉积在肺部，而粒径更小的细颗粒物会携带大量的微量金属、有机物、微生物等有害物质，引发呼吸系统、心血管系统、生殖系统等方面的疾病［4-7］.

国内外各地颗粒物的来源解析结果表明，燃烧过程（工业燃煤及工业过程、机动车尾气、生物质燃烧、餐饮油烟等）不仅直接向大气排放一次颗粒物，同时排放的气态前体物会通过气粒转化形成二次颗粒物，是城市区域颗粒物的主要来源［8-12］.燃烧形成的气溶胶是由不同大小、不同成分以及不同特性的颗粒组成的混合物，其形成特征不仅与燃烧过程有关，所使用的燃料也是影响颗粒物数量和化学成分的主要因素［12］.国内外对燃烧过程颗粒物的研究主要侧重对工业锅炉、柴油发动机等单一来源的研究，缺少各类污染源之间的差异分析，因此开展燃烧源颗粒物排放特征的研究，了解颗粒物粒径排放特性，对于识别各类污染源以及各种燃料的排放规律，丰富颗粒物来源解析的手段，有着十分积极的意义.

1　样品采集

利用稀释通道（FPS-4000，Dekati）采样方法对工业固定源（燃煤锅炉、水泥窑炉）、交通移动源（机动车、船舶、施工机械）、餐饮油烟（川菜、火锅）以及生物质燃烧（木材、玉米秸秆）等四大类颗粒物污染源进行采样分析.稀释系统分为两级，一级系统利用一个扩散型穿孔管进行稀释，稀释倍数在3～20倍之间，二级系统为一个注射型稀释器，稀释倍数在 5～10倍之间.二级稀释系统后有混合室，在进气流量 100L/min条件下，可保证约2s的停留时间.

利用静电低压撞击器（ELPI，Dekati）对稀释后的烟气进行 12级分级采样，粒径范围在 0.02～10μm之间（0.02、0.07、0.12、0.20、0.32、0.48、0.76、1.23、1.96、3.09、5.17、8.15、10.0），分析颗粒物粒径谱特征.工业源的采样点设置在脱硫、除尘后的排气烟道内；移动源采样点设置在尾气排放口；餐饮业采样点设置在集中排放的烟道中；生物质燃烧源的采样点设置在污染源的下风向口；每类污染源平行采集3组样品.稀释系统的采样示意见图1，各类污染源的基本采样信息见表1～表3.

图1　稀释系统采样示意Fig.1 Experimental system of FPS

表1　各类污染源的采样位置和工况Table 1 The information of sampling location and working condition

表2　工业源基本信息Table 2 The information of industry source

2　结果与讨论

通常认为环境大气中的可吸入颗粒包括了 3种模态的分布，包括 0.1µm的核模态，0.1～2µm之间的积聚模态，以及大于 2µm的粗粒子模态.核模态一般是由于高温过程或化学反应产生的蒸汽凝结而成；积聚模态主要是来源于核模态的凝聚，燃烧过程所产生的蒸汽冷凝，以及各种气体分子通过大气化学反应转化生成的二次气溶胶；粗粒子模态来源与机械过程有关，也包含扬尘、海水飞沫、植物粒子等［10-12］.由于燃料类型、燃烧方式的不同，各类源燃烧过程会造成颗粒物在个体形态、化学组成上以及气化凝结过程中的差异从而对排放特征产生影响［13-14］.

2.1 工业污染源

所选工业污染源包括燃煤电厂锅炉和水泥厂窑炉，均为重庆市主城区重点污染源.研究期间工业污染源的颗粒物数浓度和质量浓度特征见图2.3个水泥厂颗粒物数浓度变化趋势较为接近，表现出双峰型的对数分布特征.峰值主要出现在0.20µm以及1.23～1.96µm两个粒径区间，最大峰值分别为 3.68×104个/cm3、8.58×104个/cm3和7.47×104个/cm3.积聚态数浓度峰值分布与韦琳等［15］研究结果相似，而接近粗粒子态的峰值可能与水泥孰料煅烧过程中的燃料以及原料的破碎、表面灰的聚合以及矿物转化有关［12］.水泥厂2采用的是电除尘，其数浓度要高于其他两个采用布袋除尘水泥厂，可能与布袋除尘的效率要优于电除尘有关.2个燃煤电厂的数浓度主要呈单峰型对数变化趋势，出现在 0.12～0.2µm的粒径区域，与文献报道的结果类似［16-21］.大型燃煤电厂1的数浓度水平要明显高于其他工业污染源，其峰值为 2.2×106个/cm3，由于其采用石灰石-石膏湿法的脱硫工艺，采样位置在240m烟囱的底部，烟气中湿度较大（现场实测时含湿度达到15%），可能造成部分水汽被当作颗粒物检出，提升了数浓度整体水平.

各工业源质量浓度都表现出双峰型对数变化特征，主要出现在积聚态的 0.20µm处，以及大于1.96µm的粗粒子区域.燃煤电厂1在积聚态的峰值出现在 0.48µm处，其最大峰值浓度为174.2mg/m3，明显高于其他工业污染源.燃煤锅炉的质量浓度分布特征与其他研究成果相比较为相似［16-18］，但是在积聚态颗粒物质量浓度水平相对较低.

图2　各类工业源颗粒物数浓度和质量浓度粒径分布特征Fig.2 The size distribution of industry source particle number and mass concentration

2.2交通污染源

从图3可以看出，轻型货车、中型货车、重型货车颗粒物数浓度都表现出对数单峰型的变化特征，峰值出现在 0.20～0.32µm 粒径范围，0.76µm以后各类车型颗粒物的数浓度开始显著下降，中型柴油车数浓度峰值最高（7.54×106个/cm3），重型柴油车与轻型柴油车相当.柴油燃烧产生的微粒主要是由高度凝聚的固体碳化物灰挥发性有机物以及含硫混合物等组分构成.其颗粒物排放与发动机的负荷以及转速有关，低负荷状态下，缸内温度低，燃烧效率低，未燃的或未完全燃烧的燃料会以未燃烃的形式排放产生细小的液态颗粒，易表现出核模态的单峰型数浓度变化趋势；在高负荷时燃烧充分，缸内温度高，颗粒碳烟在稀释和热排气通道中进一步凝结，挥发性物质完成表面增长过程，易表现出积聚态的单峰型的数浓度变化趋势［23-27］.本次测试结果数浓度峰值主要集中在积聚模态，测试结果为正常行驶工况下平均水平，重庆是典型的山城，路况条件复杂，道路起伏较大，发动机可能会经常在较大负荷情况下运行，从而提高了积聚模态颗粒物的排放水平.

各类车型的质量浓度变化趋势基本相同，0.48µm前质量浓度上升趋势较快，此后变化趋势较为缓慢.重型柴油车的质量浓度峰值出现在 1.96µm处，中型和轻型柴油车的质量浓度峰值出现在 8.15µm处，中型柴油车的颗粒物质量浓度峰值排放水平最高，其峰值达到了1533mg/m3，本次测试的中型货车行驶里程要高于其他车辆，且执行的是国Ⅲ排放标准，因此排放水平相对较高.

各类施工机械和船舶排放的颗粒物数浓度呈对数单峰型变化（图4），施工机械的数浓度峰值都出现在 0.20µm处，挖掘机的排放水平要高于水泥罐车，其数浓度峰值分别为 3.61×106个/cm3和 1.29×106个/cm3；柴油货船的颗粒物数浓度峰值分别出现在0.20µm和0.48µm处，数浓度分别为7.55×105个/cm3和3.61×106个/cm3.货船数浓度排放特征与尹航等［28］关于行驶时过程中船舶颗粒物排放特征研究结果类似.柴油货船的质量浓度峰值出现在 5.17µm处，峰值排放浓度分别为 1236mg/m3，挖掘机的质量浓度峰值为1202mg/m3，出现在8.15µm处，水泥罐车的质量浓度相对较低.柴油货船的数浓度水平要低于其他交通源，但是其质量浓度排放与其他污染源相当，可能与船舶所用的油品质量较差，增加了其粗粒径段颗粒物的排放［29］.

图3　各类柴油机动车颗粒物数浓度和质量浓度粒径分布特征Fig.3 The size distribution of diesel vehicle particle number and mass concentration

图4　各类非道路柴油机械颗粒物数浓度和质量浓度粒径分布特征Fig.4 The size distribution of non-road diesel engine particle number and mass concentration

2.3生物质燃烧源

生物质燃烧产生的颗粒物数浓度呈对数双峰型的变化趋势（图5），分别出现在核模态的0.02µm处，和积聚模态的0.20µm处，积聚模态的数浓度峰值要大于核模态，采样期间树枝与玉米秸秆的峰值分别为 6.07×105个/cm3和3.26×105个/cm3，树枝燃烧时产生的颗粒物要大于玉米秸秆，此测试结果与张永亮等［30-32］对生物质燃料颗粒物排放特征的结果较为一致.木质燃料挥发分和含碳量比要高与玉米秸秆，因此燃烧时挥发分和碳粒碰撞的几率较高，积聚态和粗颗粒态的排放水平也相对较高［31］.生物质燃烧质量浓度呈单峰型的变化趋势，积聚态的质量浓度明显高于核膜态，1.96µm处出现了下行的趋势，此后粗颗态颗粒物质量浓度上升明显.

图5　生物质燃烧产生颗粒物数浓度和质量浓度粒径分布特征Fig.5 The size distribution of biomass combustion particle number and mass concentration

图6　餐饮油烟产生颗粒物数浓度和质量浓度粒径分布特征Fig.6 The size distribution of cooking fume particle number and mass concentration

2.4餐饮油烟源

各餐饮业污染源的数浓度表现出双峰型的变化趋势（图 6），峰值分别出现在核模态的0.07µm处以及积聚模态的 0.20µm处，此后数浓度逐渐下降.2个川菜馆的最大数浓度峰值分别为2.30×105个/cm3和1.13×105个/cm3，火锅店的数浓度峰值为 1.63×104个/cm3.川菜馆规模要大于火锅店，且川菜的烹饪主要以大火煎炒为主，火锅主要是以食物的涮煮为主，只有部分食材需要预先进行烹制，因此其排放水平要低于川菜馆.Yeung等［33］的研究发现在肉类煎扒的过程中颗粒物也会出现双峰型的分布特征.餐饮业油烟颗粒物质量浓度的排放也表现出对数双峰型的变化趋势，在0.07µm处出现第1个峰值，此后质量浓度迅速增加，在 0.20µm处趋于缓和，在3.09µm处开始又表现出明显的增加趋势.与其他研究［33-35］相比本次采样的餐饮油烟的质量浓度相对偏低，可能与采样烟道高度较高，采样过程中由于管道输送排放造成了部分油烟的损失，对浓度产生了一定的影响.

2.5各类源排放比较

将各类源的排放特征按照模态进行分类，其中核模态为 0.02～0.12µm之间的颗粒，积聚模态为 0.12～1.96µm之间的颗粒，粗颗粒态为 1.96～8.15µm之间的颗粒.采样期间各类污染源数浓度分布主要集中在积聚模态，生物质燃烧以及机动车等交通源的累计百分比都超过 90%；工业源和餐饮油烟在核模态的累积贡献要高于其他污染源；而粗颗粒态的数浓度累计贡献都不到 1%.各类污染源质量浓度主要分布在粗颗粒态，生物质燃烧和水泥窑炉在粗颗粒态的质量浓度累计都超过了 70%；机动车尾气等交通源在积聚模态的相对较高；各类源核模态的质量浓度贡献都小于0.1%.

表4　各类源数浓度和质量浓度的累计百分比（%）Table 4 The comparison of particle number and mass concentration accumulated for different source（%）

3　结论

3.1水泥窑炉颗粒物数浓度表现出双峰型的对数分布特征，而燃煤电厂的数浓度主要呈积聚态单峰型变化趋势，各工业源质量浓度都表现出双峰型的变化特征，主要出现在积聚态的 0.20µm处，以及大于1.96µm的粗粒子区域.

3.2交通源的颗粒物数浓度排放都表现出单峰型的变化趋势，峰值出现在0.20～0.48 µm粒径范围.其质量浓度也呈单峰型变化趋势，峰值主要出现在粗颗粒态，且排放水平高于其他污染源.

3.3生物质燃烧和餐饮业油烟颗粒物的数浓度都表现出双峰型的变化趋势，峰值分别出现在核模态和积聚态，生物质燃烧的质量浓度峰值出现在粗颗粒态，而餐饮油烟质量浓度则在核模态也出现了峰值.

3.4各类污染源数浓度分布主要集中在积聚模态，粗颗粒态的数浓度累计贡献都不到 1%.质量浓度主要分布在粗颗粒态，核模态的质量浓度贡献都小于0.1%.

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The particle size distribution characteristics of different combustion sources.

ZHANG Dan1*， ZHAO Li1， CHEN Gang-cai1， ZHOU Zhi-en1， YIN Bao-hui2， REN Li-hong2， YUAN Rui1（1.Chongqing Research Academy of Environmental Science， Chongqing 401147， China；2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）.

China Environmental Science， 2015，35（11）：3239～3246

An electrical low-pressure impactor （ELPI） with an air dilution system was employed to investigate the PM emission characteristics of industry source， traffic source， biomass combustion and cooking fume. The result showed that，the particle number concentration of coal boilers and diesel traffic source presented one single peak with the range of 0.20 to 0.48μm， the biomass combustion and cooking fume presented double peak style， the peak appeared in the nuclei-mode （0.02～0.07μm） and accumulation mode （0.2μm） respectively， the cement kiln existed double peak too， at the round of 0.12μm and 1.23～1.96μm. The peak of mass concentration appeared in the coarse particle mode mostly in all source， and the diesel traffic source had higher level. The particle number concentration main accumulated in the accumulation mode，the fraction of coarse particle mode less than 1%， and the mass concentration major accumulated in the coarse particle mode， and the fraction of nuclei-mode less than 0.1%.

combustion sources；PM10；PM2.5；particle size distribution

X513

A

1000-6293（2015）11-3239-08

2015-04-01

重庆市环保局”蓝天行动”（2013-2017）支撑研究课题

* 责任作者， 高级工程师， zhang_dan_8888@126.com

张 丹（1983-），男，江苏淮安人，高工，硕士，主要从事大气污染方面的研究工作.