西安市燃煤锅炉排放颗粒物中PM2.5和PM10的组分研究

2017-11-02夏永军黄学敏宋文斌杨乃旺杨玉林

环境污染与防治 2017年2期

关键词：烟道滤膜西安市

夏永军黄学敏宋文斌杨乃旺杨玉林

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安 710055；2.西安市环境监测站，陕西西安 710054)

西安市燃煤锅炉排放颗粒物中PM2.5和PM10的组分研究

夏永军1黄学敏1宋文斌2杨乃旺2杨玉林1

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安 710055；2.西安市环境监测站，陕西西安 710054)

燃煤锅炉颗粒物组分稀释通道采样西安市

近几年，西安市冬季雾霾频发，人们的身心健康受到严重影响。根据北京市[1]、上海市[2]1355、天津市[3]等地的源解析成果发现，燃煤锅炉排放颗粒物是雾霾的主要贡献者。

对于西安市燃煤锅炉排放的颗粒物，常用的除尘工艺包括电除尘、布袋除尘、电袋复合除尘、多管陶瓷除尘及麻石水膜除尘等；常用的脱硫工艺包括石灰石/石膏法、双碱法、氧化镁法及炉内喷钙法等；常用的脱硝工艺包括选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、SCR/SNCR、低氮燃烧及氧化法等。对于燃煤锅炉排放颗粒物的组分研究方法很多，国内一些研究者常通过采集除尘器飞灰或直接在烟道内采样的方式探究燃煤锅炉排放颗粒物中污染物的组分。但是由于烟道烟气处于高温的环境中，一部分气态物质排放到大气中经稀释、冷却后会凝结成二次颗粒物[4]9-10，因此烟道内采样结果并不能充分反映燃煤锅炉排放颗粒物情况。依据环境保护部《大气颗粒物源解析技术指南》要求，本研究使用稀释通道采样进行烟气颗粒物样品的采集，并对烟气颗粒物样品的组分进行分析，为西安市燃煤锅炉源成分谱的建立奠定基础。

1 材料与方法

1.1 燃煤锅炉简介

燃煤锅炉排放颗粒物组分与锅炉吨位、燃煤产地及后续的除尘、脱硫、脱硝工艺密切相关。为了对比分析，选取3台链条炉，其除尘、脱硫、脱硝工艺及煤质情况如表1所示。

表1 燃煤锅炉的具体情况1)

注：1)灰分和全硫均以质量分数计。

1.2 采样方法

固定燃烧源排放颗粒物的直接采样方法主要包括:烟道下风向滤膜采样、烟道中直接滤膜采样、烟气引入冷阱采样、烟道中直接采集一次过滤颗粒物再通过冷凝装置后采集一次凝结颗粒物采样、稀释通道采样[5-7]。这些采样方法的依据标准主要包括：《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T 16157—1996)[8]、《固定源排放颗粒物质量浓度的人工测定》(ISO 9096—2003)[9]、《固定污染源排放颗粒物的测定》(EPA Method 5)[10]、《固定污染源排放颗粒物的测定》(EPA Method 17)[11]、《可吸入颗粒物排放量的测定(废气再循环程序)》(EPA Method 201)[12]、《可吸入颗粒物排放量的测定》(EPA Method 201A)[13]、《撞击法测定固定污染源排放可凝结颗粒物》(EPA Method 202)[14]。这些采样方法和原理不同，所以得出的结果也存在偏差。

我国已有的燃煤锅炉烟气颗粒物采样标准除GB/T 16157—1996外，还有《锅炉烟尘测试方法》(GB 5468—1991)，但这些标准并不适用于PM2.5采样。针对PM2.5，南开大学将稀释通道和采样仓合并采样[15]，北京大学、清华大学使用稀释通道采样[16]。

由于烟道中的烟气处于高温环境，其组分主要包括可过滤颗粒物(FPM)和可凝结颗粒物(CPM)[4]10。其中，CPM在烟道温度状况下为气态，离开烟道后降温数秒后成为液态或固态。因此，烟道中直接滤膜采样只能采集到FPM，缺失了CPM，不能真实反映烟气颗粒物的实际情况。稀释通道采样更接近烟气颗粒物排放到环境空气的真实情况[17-18]，因此本研究PM2.5和PM10均采用稀释通道采样，其流程如图1所示。

1.3 滤膜选择及处理

滤膜选择是组分分析的基础环节，为满足有机碳(OC)、元素碳(EC)、水溶性离子和痕量金属等化学组成分析的要求[19]，经对比分析，本研究选择美国Whatman公司生产的47 mm的Teflon滤膜和石英滤膜。采样前，将Teflon滤膜置于60 ℃烘箱内2 h，将石英滤膜置于550 ℃马弗炉中6 h，以去除滤膜上可能吸附的有机质。在温度为(25±2) ℃、湿度为50%±5%的恒温恒湿室内平衡24 h后将滤膜装入膜盒，用十万分之一电子天平(精确至0.01 mg，Sartorius BP211D)称量，再平衡24 h进行第二次称量，两次称量的差值不大于3×10-5g，结果取两次称量的平均值。

1—烟道；2—采样嘴；3—稀释仓；4—烟气进气口；5—零气进气口； 6—混合气出口；7—压力、温度传感器接口；8—气泵；9—电子控制阀； 10—高效过滤器；11—硅胶罐；12—控制系统；13—切割头； 14—分流器；15—膜托图1 稀释通道采样流程图Fig.1 Flow chart of dilution tunnel sampling

进行稀释通道采样后的滤膜也在上述条件下进行平衡、称量。采样前后滤膜质量的差值即为膜上颗粒物质量。称量后，将Teflon滤膜放在干燥器中常温保存，石英滤膜放在冰箱中-20 ℃保存。

2 结果与讨论

2.1 实验结果及分析

图2 燃煤锅炉中PM2.5成分谱Fig.2 Component spectrum of PM2.5 from coal fired boilers

图3 燃煤锅炉中PM10成分谱Fig.3 Component spectrum of PM10 in coal fired boilers

2.2 与其他城市对比分析

表3对比了本研究与其他研究关于燃煤锅炉排放PM10中主要组分的含量。本研究3台燃煤锅炉排放PM10中Mg、Ca、Fe含量与其他研究差异不大。Al、OC、TC含量大体上偏低，这可能是由于本研究使用稀释通道采样，而其他研究采用下载灰或者烟道飞灰采样。

3 结论

表2 燃煤锅炉排放PM2.5部分组分的质量分数比较

表3 燃煤锅炉排放PM10部分组分的质量分数比较

注：1)烟道飞灰采样；2)下载灰采样；3)TC为OC、EC之和。

(4) Cr、Ca、OC等组分大多集中于小颗粒物中；Si、K、Zn、Pb、Cu等组分大多集中于大颗粒物中。

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ComponentsofPM2.5andPM10incoalfiredboilerparticulatematterofXi’anCity

XIAYongjun1,HUANGXuemin1,SONGWenbin2,YANGNaiwang2,YANGYulin1.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’anShaanxi710055;2.Xi’anEnvironmentalMonitoringStation,Xi’anShaanxi710054)