内蒙古主要农作物秸秆燃烧释放烟气污染物研究

张恒，王柏杰，王飞

内蒙古农业大学林学院

农作物秸秆是农作物生产系统中的重要生物资源。近些年，由于生物质燃烧向大气中排放大量的气态污染物和颗粒态污染物，已经被视为大气污染物的重要来源[1]。作为农业大国，中国年均秸秆产量可达6×108t[2]，农作物秸秆资源过剩问题日益显著，焚烧秸秆带来的资源浪费和环境污染问题引起了广泛关注[3]。

秸秆燃烧过程会向大气释放大量的CO、NOx、PM2.5及其他污染物[4]。这些烟气污染物联合作用可导致雾霾的形成[5]。过量的CO2会导致全球气候变暖。CO与血红蛋白结合速度高于O2，从而导致人体血液O2供应不足，对人体健康产生极大危害。NOx是光化学烟雾的引发剂，进入大气后经过一系列化学反应会形成酸雨，严重破坏生态环境，影响植物生长，也会引发人体肺部疾病[6]。

国内外许多学者已对农作物秸秆释放烟气污染物排放特性及化学成分进行了研究，并取得一定成果。如鞠园华等[7]揭示了农作物秸秆在阴燃和明燃状态下PM2.5的排放特性差异。Viana等[8]对水稻在燃烧期与非燃烧期颗粒态污染物的化学组成进行对比分析。Sahai等[9]对小麦燃烧释放有机碳、元素碳等排放因子进行了测定。唐喜斌等[10]对秸秆燃烧释放气态及颗粒态污染物进行了排放特征研究。杨夏捷等[11]对亚热带地区和华南主产区主要农作物秸秆燃烧释放烟气污染物（CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5）进行分析。Cheng等[12]对水稻燃烧释放颗粒态污染物进行了分析。张鹤丰[13]通过室内模拟燃烧试验对主要农作物秸秆燃烧烟气污染物进行了排放特征分析。王艳等[14]研究了秸秆燃烧在阴燃和明燃状态下CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5的排放特性差异，揭示了含水率对污染物排放因子的影响。Zhang等[15]测定了稻草燃烧有机碳和元素碳等排放因子。也有学者研究分析了秸秆种类、燃烧状态和含水率对PM2.5排放因子和气态污染物排放特性的影响[16-17]。分析秸秆不同燃烧状态下烟气污染物排放因子对研究秸秆真实燃烧情况及污染物理化性质有重要意义[18]。

目前，国内关于秸秆燃烧排放污染物的研究主要集中在我国中东部及南方地区[4]，北方地区相对较少。根据《内蒙古自治区“十三五”秸秆综合利用实施方案》，内蒙古各类农作物秸秆年产量达3.5×107t，其中玉米秸秆为2.9×107t，葵花秸秆为1.2×106t。鉴于此，笔者基于自主设计的燃烧装置，对内蒙古自治区由西至东13个地区2种主要农作物秸秆进行实验室模拟燃烧试验。同时，实时测定燃烧过程中CO、CO2、NOx、CxHy和 PM2.5排放因子并对其进行标准化计算，定量对比2种秸秆在阴燃和明燃状态下各污染物的排放因子，并分析其排放特征，以期为估算生物质对PM2.5的贡献以及内蒙古空气质量分析提供更为准确的基础数据，对秸秆燃烧导致的大气环境污染研究有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于内蒙古自治区（97°12′E～126°04′E，37°24′N～53°23′N）。全区总面积 1.18×106km2，占中国土地面积的12.3%。内蒙古自治区地势较高，平均海拔高度1 000 m，属于高原型地貌，所处纬度较高，高原面积大，距离海洋较远，边沿有山脉阻隔，气候以温带大陆性季风气候为主，具有降水量少而不匀、风大、寒暑变化剧烈的特点。内蒙古自治区日照充足，光能资源非常丰富，大部分地区年日照时数大于2 700 h，为农作物生长提供了充足的光照环境，农牧业相对发达。

1.2 样品采集

于2018年，以葵花秸秆、玉米秸秆为对象进行样品采集，采样点分布如图1所示。样品采自内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗、乌海市、巴彦淖尔市五原县、包头市、鄂尔多斯市鄂托克前旗、呼和浩特市土默特左旗及托克托县、乌兰察布市察哈尔右翼中旗、锡林郭勒盟锡林浩特市、赤峰市林西县及敖汉旗、通辽市科尔沁左翼后旗、乌兰浩特市13地，葵花秸秆、玉米秸秆样品收集总量分别为1 678.2和1552.4 g。将自然晾干的秸秆剪切处理成10 cm长度，然后依次在天平上称重（精度0.1 g），并将每个地区样本分为3组燃烧样本。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3 试验流程及分析方法

将称好的秸秆样品放入100 ℃烘箱中烘干8 h，将烘干的秸秆样品在干燥器中恢复至常温，然后将称量好的秸秆样品放入自制的燃烧箱（图2）中进行燃烧试验，同时运用烟气分析仪（Testo350，德伦仪器国际贸易有限公司，德国）和颗粒物分析仪（TSI8533，TSI Incorporated，Shoreview，美国）实时测定可燃物在不同燃烧状态下样本CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5的排放因子。

图2 燃烧装置示意Fig.2 Schematic of combustion device

1.3.1 气体和颗粒物采样

燃烧装置由电热板、烟气流通管道、空气压缩机、烟气分析仪、颗粒物分析仪和电动采样泵、排气阀等部分组成（图2）。为了尽量模拟真实情况，开始燃烧试验前，调节温度控制器和变压器控制燃烧箱温度，从而满足阴燃和明燃条件，将阴燃温度控制在180 ℃左右，明燃温度控制在270 ℃以上，并通过校正燃烧效率（modified combution efficiency，MCE）来表征燃烧状态，计算公式如下：

1.3.2 气体分析方法

每次试验之前用标准气体对烟气分析仪进行校准，使用校准过的仪器确定燃烧室内污染物的背景浓度并记录。采用烟气分析仪对农作物秸秆燃烧排放的CO、CO2、NOx和CxHy4种气态污染物浓度进行实时监测，记录间隔为 5 s，CO、CO2、NOx和CxHy的测量精度均为1 mg/m3。

1.3.3 颗粒物分析方法

每次试验之前用标准气体对颗粒物分析仪进行校准，使用校准过的仪器对PM2.5浓度进行实时监测，记录间隔为5 s，测量精度为0.001 mg/m3。为保证颗粒物浓度测量的准确性，试验过程中将仪器连接的烟气导引通道的长度适当增大，为使PM2.5采样口的温度接近于室温，在实验室内采用温度控制器进行温度调节。

1.4 排放因子计算

排放因子（EF）指单位质量燃料在燃烧时所产生污染物的质量。排放因子的测定方法有很多种，如地面检测和空中采样方法[22]、实验室模拟燃烧[23]、气溶胶烟雾箱测定法[13]等。本研究采用碳守恒的方法来计算排放因子[21]。其基本假设是燃料中的碳排放主要以气态CO2、CO、总碳氢（THC）和颗粒物形态的碳存在，根据元素守恒原则，分别计算CO2、CO、NOx、CxHy和PM2.5的排放因子。设定一个不完全燃烧系数PIC：

1.5 数据处理

利用Excel 2007软件进行排放因子的计算，利用SPSS 25.0数据分析软件进行方差分析（ANOVA），以确定研究区内物污染排放因子的显著差异，利用Origin Pro 9.1软件和Excel 2007软件作图。

2 结果与讨论

2.1 明燃状态下秸秆燃烧释放污染物

明燃状态下各污染物平均排放因子如表1所示。从表1可以看出，明燃状态下葵花秸秆燃烧CO、CO2、NOx、CxHy和 PM2.5的排放因子分别为（278.35±61.1）、（1 376.73±324.97）、（2.58±1.59）、（110.26±48.23）和（0.77±0.81）g/kg，玉米秸秆分别为（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 明燃状态下污染物排放因子Table 1 Emission factors of pollutants in flaming g/kg

不同地区明燃状态下污染物排放因子比较如图3所示。从图3可以看出，鄂托克前旗和阿拉善左旗的CO排放因子显著高于其他地区，察哈尔右翼中旗CO2排放因子显著高于其他地区，其余各地区葵花和玉米的排放因子没有显著性差异。

图3 不同地区明燃状态下污染物排放因子比较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，林西县的排放因子最高，科尔沁左翼后旗排放因子最低。由于NOx会引发酸雨，对人体和农作物造成严重危害，因此可以初步认为林西县秸秆燃烧对气候环境污染贡献率较高，包头市的贡献率较低。

葵花的CxHy排放因子普遍大于玉米，葵花排放因子中，锡林浩特市最高，包头市最低，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在紫外线下会引发光污染[14]，因此可以初步认为锡林浩特市和阿拉善左旗秸秆燃烧对光污染贡献率较高，土默特左旗和乌兰浩特市的贡献率较低。

13个地区葵花的PM2.5排放因子有显著性差异，其中敖汉旗葵花的排放因子显著高于其他地区，五原县最低，敖汉旗是五原县的12.7倍。

2.2 阴燃状态下秸秆燃烧释放污染物

阴燃状态下污染物排放因子如表2所示。从表2可以看出，在阴燃状态下不同地区葵花秸秆燃烧 CO、CO2、NOx、CxHy和 PM2.5的排放因子分别为（411.06±91.49）、（918.72±208.26）、（3.81±2.30）、（166.69±71.88）和（1.16±1.22）g/kg，玉米秸秆分别为（371.95±154.38）、（1 029.75±212.85）、（1.33±0.84）、（67.28±41.81）和（1.61±1.05）g/kg。与明燃状态不同，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 阴燃状态下污染物排放因子Table 2 Emission factors of pollutants in smoldering g/kg

不同地区阴燃状态下污染物排放因子比较如图4所示。从图4可以看出，各地区葵花和玉米排放因子具有显著差异，与明燃状态相似，阿拉善左旗玉米的CO排放因子均显著高于其他地区，察哈尔右翼中旗葵花的CO2排放因子显著高于其他地区。

图4 不同地区阴燃状态下污染物排放因子比较Fig.4 Emission factors of pollutants under different combustion conditions in different areas

葵花的NOx排放因子显著高于玉米，这与明燃状态相似，林西县和乌兰浩特市NOx排放因子均显著高于其他地区，在阴燃状态下秸秆燃烧对气候环境污染贡献率较高。

葵花的CxHy排放因子锡林浩特市最高，包头市最低，锡林浩特市葵花的CxHy排放因子是包头市的5.6倍，阿拉善左旗玉米的CxHy排放因子是察哈尔右翼中旗的20倍，与明燃状态相似，锡林浩特市和阿拉善左旗在不同燃烧状态秸秆燃烧对光污染贡献率都较高。

13个地区葵花的PM2.5排放因子差异显著，其中阿拉善左旗玉米和敖汉旗葵花排放因子显著高于其他地区。

2.3 污染物排放因子比较

如表3所示，不同燃烧状态下CO、CO2、NOx和CxHy排放因子有明显差别。阴燃状态下CO排放因子为（284.60±79.88）～（569.80±165.72）g/kg，明燃状态下为（162.66±15.94）～（381.65±81.74）g/kg；阴燃状态下 CO2排放因子为（725.10±107.71）～（1 409.43±82.32）g/kg，明燃状态下为（1 094.96±182.04）～（1 866.22±377.83）g/kg。这是由于阴燃状态下燃烧不充分所致。王俊芳[24]研究表明，生物质秸秆阴燃时，CO排放因子大于CO2，而明燃状态则相反。阴燃状态下NOx排放因子为（0.86±0.57）～（5.20±2.59）g/kg，明燃状态下为（0.67±0.40）～（3.51±1.75）g/kg；阴燃状态下 CxHy排放因子为（49.20±5.53）～（195.97±123.83）g/kg，明燃状态下为（35.44±26.02）～（131.97±83.56）g/kg。综上，CO2排放因子明燃大于阴燃，CO、NOx和CxHy排放因子均表现为阴燃大于明燃，阴燃状态更容易产生气态污染物，这与鞠园华等[7]研究结果相近。

表3 不同燃烧状态下各地区污染物排放因子Table 3 Average emission factors of carbonaceous substances under different combustion conditions in different areas g/kg

明燃和阴燃状态下PM2.5排放因子分别为（0.23±0.11）～（3.26±0.16）和（0.53±0.35）～（2.91±1.69）g/kg。其中，玉米在明燃和阴燃状态下的排放因子为（1.27±0.97）和（1.61±1.05）g/kg；葵花的排放因子为（0.77±0.81）和（1.16±1.22）g/kg，无论葵花还是玉米的燃烧均表现为阴燃大于明燃。朱恒等[25]认为，由于阴燃燃烧不充分温度较低，有利于有机物的挥发冷凝，从而使PM2.5的排放因子显著增大，这与本研究结果相符。由于阴燃燃烧温度低，不完全燃烧导致CO排放增多，从而导致PM2.5排放因子增多。

各地区样品在不同燃烧状态下污染物排放因子具有显著规律，阿拉善左旗CO排放因子最高，察哈尔右翼中旗CO2排放因子最高，林西县NOx排放因子最高，锡林浩特市CxHy排放因子最高，敖汉旗PM2.5排放因子最高，污染物排放因子在不同地区之间的差异主要与采样点环境、土壤养分含量和样品品种有关。

在实验室模拟环境下，葵花秸秆和玉米秸秆在露天燃烧时，CO的平均排放因子分别为（344.71±66.36）和（319.69±52.27）g/kg；CO2的平均排放因子分别为（1 147.73±229.01）和（1 178.75±149.00）g/kg；NOx的平均排放因子分别为（3.20±0.62）和（1.29±0.04）g/kg。本研究结果与孙剑峰[26]研究结果相近，虽然地理位置、样品品种、生长环境等因素会影响气态污染物排放因子，但只要试验方法基本相似，试验结果都会控制在科学差值范围内。因此，在估算农作物秸秆燃烧释放烟气污染物CO、CO2、NOx、CxHy和PM2.5的排放清单时，可以参考本研究所得的排放因子。

3 结论

（1）在不同燃烧状态下，2种农作物秸秆PM2.5排放因子有明显差异，明燃和阴燃状态下分别为（0.23±0.11）～（3.26±0.16）和（0.53±0.35）～（2.91±1.69）g/kg，表现为阴燃大于明燃，秸秆燃烧PM2.5排放因子受地理环境、生长环境和样品品种影响较小，受燃烧状态影响较大。

（2）在明燃和阴燃状态下，2种农作物秸秆CO2排放因子分别为（1 094.96±182.04）～（1 866.22±377.83）和（725.10±107.71）～（1 409.43±82.32）g/kg，表现为明燃大于阴燃，CO、NOx、CxHy和PM2.5排放因子均表现为阴燃大于明燃。

（3）在明燃状态下，葵花秸秆 CO2、CO、NOx和CxHy的排放因子大于玉米，玉米秸秆PM2.5的排放因子大于葵花；与明燃状态不同，阴燃状态下葵花秸秆的CO、NOx和CxHy排放因子大于玉米，玉米秸秆的CO2和PM2.5排放因子大于葵花。