李 朋,周衛(wèi)青,徐其春,寧 亮,吳華成,周子龍,丁立萍

民用煤排放PM2.5中碳組分與水溶性離子特征

李 朋1*,周衛(wèi)青1,徐其春2,寧 亮2,吳華成1,周子龍1,丁立萍1

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司),北京 100045；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司,河北 唐山 063000)

研究4種典型民用煤燃燒排放PM2.5中的碳組分以及水溶性離子含量特點(diǎn),并通過PAM-OFR(潛在氣溶膠質(zhì)量-氧化流動反應(yīng)器)模擬了大氣老化過程(2d)對煤球與煙煤燃燒PM2.5中碳組分與水溶性離子含量的變化影響.結(jié)果表明,煙煤燃放PM2.5中碳組分含量最高,達(dá)到57.96%,其EC含量是其他煤種的4.3～9.6倍.民用煤燃燒產(chǎn)生PM2.5中水溶性離子以Na+與SO42-為主,其在總水溶性離子中占比合計(jì)約47%～76%.經(jīng)歷了大氣老化試驗(yàn)后,煤球與煙煤燃燒排放PM2.5中NH4+和NO3-離子含量大幅增加,與之相比,TC占PM2.5比例分別下降了12.03%與19.99%.

民用煤；碳組分；水溶性離子；大氣老化；PAM-OFR

燃燒民用煤是我國北方地區(qū)冬季取暖的常見方式.由于燃燒條件差以及缺乏污染物治理措施,民用煤燃燒產(chǎn)生大量的空氣污染物,不僅是北方地區(qū)秋冬季重污染天氣的重要成因[1],也嚴(yán)重危害了室內(nèi)居民的身體健康[2].研究表明,2017年民用煤占我國固體燃料消費(fèi)量僅為4%,在PM2.5年排放量中占比卻高達(dá)20.1%,對人群暴露健康風(fēng)險(xiǎn)相對貢獻(xiàn)的占比達(dá)到20.4%[3].含碳物質(zhì)和水溶性離子是PM2.5顆粒物的重要組成部分[4-7],含碳物質(zhì)主要分為元素碳(EC)和有機(jī)碳(OC),OC由成百上千種有機(jī)化學(xué)物質(zhì)組成,包括多環(huán)芳烴、正構(gòu)烷烴、有機(jī)酸、雜化化合物等,EC主要包含純碳、石墨碳、焦油與焦炭等[8],OC/EC比值被廣泛應(yīng)用于PM2.5源解析[9].在我國OC、EC排放清單中,民用煤排放貢獻(xiàn)占比高達(dá)40%,是最大的貢獻(xiàn)源[6,10].水溶性離子影響大氣化學(xué)反應(yīng),PM2.5顆粒物中的SO42-、NO3-和NH4+(SNA)是重污染天氣條件下能見度下降的主要原因[11-12].

化學(xué)質(zhì)量平衡(CMB)模型廣泛應(yīng)用于大氣源解析工作中,在大氣污染防控決策中發(fā)揮了重要作用[13-14].在源解析工作中,一方面對主要排放源的成分譜進(jìn)行研究,另一方面,也需要掌握在大氣光化學(xué)反應(yīng)條件下,不同化學(xué)組分在氣-固兩相之間的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致含量的變化[15].現(xiàn)有研究中,與民用煤燃燒排放顆粒物成份譜相關(guān)工作還很少[4-7,12,16-17].孔少飛等[4]通過稀釋通道法測試得到了生物質(zhì)、蜂窩煤和塊煤PM2.5、PM10中OC與EC的排放因子;劉源等[6]通過實(shí)驗(yàn)室模擬燃燒,測試得到了煙煤與蜂窩煤PM2.5、OC與EC的排放因子,發(fā)現(xiàn)民用燃煤的排放與煤炭成熟度有很大相關(guān)性;田杰等[17]研究發(fā)現(xiàn)煙煤排放碳組分主要為EC1-OP(低溫元素碳),而型煤主要為OC2與OC3.有研究者[7,12]利用離子色譜分析了民用燃煤燃燒排放PM2.5中9種水溶性離子,基于自上而下方法估算了全國(除港、澳、臺地區(qū))民用燃煤排放PM2.5中水溶性離子的排放總量,并以人口密度數(shù)據(jù)為空間分布權(quán)重因子,建立了全國1km′1km網(wǎng)格化清單.劉亞男等[5]研究了民用煤燃燒煙氣中不同粒徑段顆粒物的水溶性離子含量.研究大氣老化過程對其顆粒物組分變化影響的工作更少,Chow等[15]通過PAM-OFR(潛在氣溶膠質(zhì)量-氧化流動反應(yīng)器)模擬了不同國家泥煤燃燒產(chǎn)生PM2.5的大氣老化過程,研究了老化前后PM2.5中OC、EC以及水溶性離子含量的變化.

民用煤是近幾年北方秋冬季大氣污染防治工作的重點(diǎn),國家制定了“煤改電”、“煤改氣”、“潔凈型煤與節(jié)能環(huán)保爐具”等民用散煤治理政策與措施.科學(xué)評價(jià)這些措施對區(qū)域大氣污染的貢獻(xiàn)程度,依賴于民用煤排放大氣污染物的源解析工作.較現(xiàn)有與民用煤排放顆粒物成份譜相關(guān)的研究少,報(bào)道的OC/EC以及水溶性離子含量變化范圍較大,影響了源解析工作的準(zhǔn)確性.本文前期研究對民用煤不同燃燒階段顆粒物排放特點(diǎn)、以電代煤措施的大氣環(huán)境影響等問題進(jìn)行了研究[18-21].本文選取了我國北方地區(qū)的幾種典型民用煤,通過實(shí)驗(yàn)室模擬燃燒,分析不同煤種燃燒排放PM2.5中碳組分與水溶性離子的分布特點(diǎn),并通過PAM-OFR模擬大氣老化過程對民用煤排放PM2.5中碳組分與水溶性離子的變化影響,旨在提供準(zhǔn)確的民用煤排放顆粒物成份譜,為科學(xué)制定與評價(jià)民用煤治理措施提供數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 測試煤樣與爐具

測試用民用散煤參考《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》中相關(guān)分類方法[22],選用了我國北方4個(gè)地區(qū)的4種類型散煤,其中蜂窩煤2種,產(chǎn)地分別為寧夏(蜂窩煤-NX)與榆林(蜂窩煤-YL)地區(qū);煤球與煙煤原煤均來自于京津冀地區(qū);無煙煤來自山西地區(qū).5種煤樣的工業(yè)與元素分析報(bào)告如表1所示.使用爐具均為市面上常見的蜂窩煤爐具[12].

表1 民用煤的工業(yè)分析與元素分析

注:ad代表空氣干燥基,daf代表干燥無灰基.

1.2 采樣系統(tǒng)

本研究在大型燃燒腔中模擬民用煤的燃燒過程,該采樣平臺被多次應(yīng)用于研究民用煤與生物質(zhì)燃燒排放細(xì)顆粒物組分特征[23-25],采樣系統(tǒng)示意見圖1.將裝好民用煤的爐具放入約8m3(1.8m′1.8m′2.2m)的燃燒室中進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)[26],模擬民用煤完整的燃燒過程,包括點(diǎn)火、加煤、旺火與封火階段,燃燒室內(nèi)空氣為經(jīng)過高效空氣過濾材料過濾后的潔凈空氣.在測試中各煤種保持相同的操作步驟,具體過程如下:取3kg待測民用煤在燃燒倉外引燃,引燃后立即放入爐具中,之后加入1.5kg同類型煤種進(jìn)行點(diǎn)火,點(diǎn)火階段持續(xù)15min;稱取2kg煤一次性加入爐具,為加煤階段,持續(xù)10min;旺火階段打開封火蓋和出灰口,持續(xù)10min;封火階段關(guān)閉封火蓋和出灰口,持續(xù)20min.在燃燒過程中,煙氣溫度隨著煤種和燃燒階段不同,在50～600℃之間變化.

燃燒產(chǎn)生的煙氣通過帶伴熱的采樣槍抽取,防止煙氣冷凝,隨后用潔凈干燥的空氣稀釋至4.6倍體積.一部分的稀釋煙氣通過PM2.5切割器(URG- 2000-30EGN-A,美國)進(jìn)行收集,采樣流量為5L/min,采樣膜為直徑47mm的石英濾膜(Whatman,美國).

另一部分稀釋后的煙氣經(jīng)過Potential Aerosol Mass-OFR(PAM-OFR)(Aerodyne Research, LLC, Billerica, MA, 美國)裝置模擬大氣老化過程[23].在PAM-OFR中,紫外光激發(fā)H2O與O2產(chǎn)生OH自由基.稀釋后進(jìn)入PAM-OFR的煙氣流量為9L/min,煙氣在PAM-OFR中的停留時(shí)間約為(90±1) s.本研究中紫外等電壓設(shè)置為2V,產(chǎn)生的OH自由基濃度約為(2.6±0.29)′1011分子數(shù)-s/cm3,通常假定大氣中OH自由基濃度為1.5′106分子數(shù)-s/cm3,可以估算出本研究實(shí)驗(yàn)條件下燃煤煙氣相當(dāng)于在大氣環(huán)境下老化2d[23-24,27].老化后的煙氣同樣通過PM2.5切割器(URG-2000-30EGN-A,美國)進(jìn)行收集,采樣流量為5L/min.本研究選擇京津冀地區(qū)的煤球與煙煤進(jìn)行了老化試驗(yàn).

圖1 采樣系統(tǒng)示意

1.3 有機(jī)碳與元素碳的分析

在石英濾膜上取0.526cm2的濾膜樣品,采用光熱分析儀(Thermal/Optical Carbon Analyzer, DRI model 2001A, 美國)對總碳(TC)、有機(jī)碳(EC)與元素碳(OC)進(jìn)行測試分析,該儀器采用IMPROVE_A協(xié)議中所規(guī)定的熱光反射法(TOR)[28].其過程為:在無氧的純氦環(huán)境下,分別在140℃(OC1)、280℃(OC2)、480℃(OC3)和580℃(OC4)溫度下,對濾膜進(jìn)行加熱,將濾膜上的顆粒態(tài)碳轉(zhuǎn)化為CO2;然后再將樣品在含2%氧氣的氦氣環(huán)境下,分別于580℃(EC1)、740℃(EC2)和840℃(EC3)逐步加熱,此時(shí)樣品中的元素碳釋放出來.各個(gè)溫度梯度下產(chǎn)生的CO2,經(jīng)MnO2催化,在還原環(huán)境下轉(zhuǎn)化為可通過火焰離子檢測器(FID)檢測的CH4.樣品在加熱過程中,部分有機(jī)碳可發(fā)生裂解現(xiàn)象而形成裂解碳(有機(jī)碳裂解過程中形成的碳,用OP表示),使濾膜變黑,有機(jī)碳和元素碳不易區(qū)分.因此,在測量過程中采用633nm的氦-氖激光監(jiān)測濾膜的反光光強(qiáng),利用光強(qiáng)的變化明確指示出元素碳氧化的起始點(diǎn).當(dāng)一個(gè)樣品測試完畢,有機(jī)碳和元素碳的8個(gè)組分(OC1、OC2、OC3、OC4、EC1、EC2、EC3、OP)同時(shí)給出.根據(jù)IMPROVE_A協(xié)議規(guī)定:OC=OC1+ OC2 + OC3 + OC4 + OP; EC = EC1 + EC2 + EC3- OP.

在分析樣品的OC/EC時(shí),檢測前后均用CH4/ CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn).此外,每10個(gè)樣品中任選1個(gè)樣品進(jìn)行重復(fù)檢測,要求檢測出的總碳?xì)馊苣z(TC)偏差<5%,OC和EC的偏差<10%.

1.4 水溶性離子分析

原煤通過離子色譜儀(Dionex-600,美國)對水溶性離子進(jìn)行測定.剪取四分之一濾膜放入15mL溶樣瓶中,加入10mL去離子水(25℃下電導(dǎo)率> 18.2MΩ. cm),超聲萃取1h,脫色搖床振蕩1h,再用0.45μm的過濾器過濾到進(jìn)樣瓶中待測.陽離子用CS12A柱分析,所用淋洗液為20mmol/L的MSA,流速為1mL/min;陰離子用AS11-HC和AG11-HC保護(hù)柱及ASRS抑制器進(jìn)行分析,淋洗液為20mmol/L的KOH,流速為1mL/min.測試項(xiàng)目包括4種陰離子(F-、Cl-、NO3-、SO42-)和5種陽離子(Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+).

在離子色譜儀分析時(shí),使用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制標(biāo)準(zhǔn)溶液,標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)性達(dá)到99.9%以上.樣品測定結(jié)果均進(jìn)行空白校正.每測定10個(gè)樣品復(fù)檢1個(gè),樣品濃度0.030～0.100μg/mL時(shí),允許的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±30%;濃度在0.100～0.150μg/mL時(shí),要求標(biāo)準(zhǔn)偏差為<20%;樣品濃度大于0.150μg/ mL時(shí),允許的標(biāo)準(zhǔn)偏差為10%.

1.5 采樣膜稱重與計(jì)算

濾膜在采樣前后均在超凈實(shí)驗(yàn)室中恒溫(21～23℃)與恒濕(55%～60%RH)條件下恒重48h,使用精度為±1μg的電子天平(ME 5-F,Sartorius,德國)進(jìn)行稱重.濾膜進(jìn)行至少3次稱重,3次稱重結(jié)果在20μg以內(nèi)認(rèn)為結(jié)果有效,采樣膜上的PM2.5質(zhì)量為前后3次稱重平均值之差,其值約在200μg左右.

PM2.5中碳組分與水溶性離子分別按照公式(1)與(2)進(jìn)行計(jì)算:

式中:1與2分別代表碳組分與水溶性離子占PM2.5的百分比,%;1為碳組分的質(zhì)量,μg;為水溶性離子的濃度,μg/mL;為水溶性離子提取液體積,mL;1與2分別為采樣膜樣品覆蓋面積以及取樣檢測面積,cm2;為采樣膜上PM2.5的質(zhì)量,μg.

2 結(jié)果與討論

2.1 排放因子選擇與排放量計(jì)算

圖2及表2中,從總碳(TC)來看,煙煤燃放PM2.5中碳組分含量最高,達(dá)到57.96%;其次為蜂窩煤,碳組分在PM2.5中的占比39.19%～44.11%;無煙煤的碳組分占比為34.07%;煤球的碳組分占比最低,為14.27%.在OC方面,蜂窩煤的OC占PM2.5比例最高,約為34.37%～37.42%,煤球、無煙煤與煙煤的OC占比23.28%～29.11%.在EC方面,煙煤排放PM2.5中EC占比為29.11%,蜂窩煤、煤球與無煙煤的EC占比3.03%～6.69%,煙煤排放PM2.5的EC占比是其他煤種的4.3～9.6倍.煙煤排放PM2.5的高EC含量特點(diǎn),在其他文獻(xiàn)中[6,16,29-31]也得到報(bào)道.劉源等[6]在實(shí)驗(yàn)中測得煙煤排放EC在PM2.5中占30%左右,而無煙煤與蜂窩煤排放的EC在PM2.5中占比在5%以內(nèi),蜂窩煤并不能明顯降低碳排放因子,但由于EC排放減少,能明顯降低排放顆粒物的黑度,與本研究結(jié)果一致.

圖2 碳組分占PM2.5的質(zhì)量百分比

目前,煙煤排放PM2.5中EC含量高的原因還不確定,研究者結(jié)合生物質(zhì)燃燒特點(diǎn),從燃燒狀態(tài)[32]、溫度[33]、供氧量[34]、爐具與煤的幾何結(jié)構(gòu)[4]等方面做出了解釋.從煤炭燃燒的物理化學(xué)過程來看,EC主要與二次裂解產(chǎn)物相關(guān)[35],二次裂解反應(yīng)需要溫度較高[36],煙煤相比其他煤種的燃燒過程更為劇烈,升溫快且排煙溫度更高[18],更有利于二次裂解產(chǎn)物生成,因此PM2.5中EC含量明顯更高.蜂窩煤、煤球與無煙煤的OC/TC非常接近, 0.85～0.89.煙煤的OC/TC為0.49,較其他煤種明顯偏低.Tian等[17]測得無煙煤的OC/TC為0.84～0.88,煙煤OC/TC的平均值為0.51,與本研究結(jié)果非常接近.

表2 碳組分占PM2.5的質(zhì)量百分比以及OC/EC與OC/TC

Chen等[30]的研究表明,煤的PM2.5以及碳組分排放與揮發(fā)份存在良好的相關(guān)性,揮發(fā)份越高,PM2.5以及碳組分的排放因子越大.從圖3可以看出,當(dāng)揮發(fā)份大于10%時(shí),TC與EC占PM2.5的百分比均與揮發(fā)份含量存在良好的正相關(guān)性;而OC占PM2.5百分比與揮發(fā)份之間并不是簡單的線性關(guān)系,最大值出現(xiàn)在20%～30%之間,劉源等[6]在其研究中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象,在該揮發(fā)份范圍內(nèi)煙煤能產(chǎn)生大量的煤焦油,而煤焦油的主要成份是OC[30,33].

不同排放源排放PM2.5的OC/EC通常存在一定的差異性,因此OC/EC常被用于源解析研究[37-38],目前應(yīng)用較多的是通過OC/EC判斷二次氣溶膠的濃度[4,39].本研究中,型煤中蜂窩煤OC/EC在5.63～7.14,煤球的OC/EC為8.87;原煤中無煙煤的OC/EC為6.76,而煙煤的OC/EC為1.19,煙煤的OC/EC比值遠(yuǎn)低于其他煤種.OC/EC的變化一方面與煤炭類型及燃燒狀態(tài)密切相關(guān)[6,33];另一方面,不同分析方法也能對OC/EC值產(chǎn)生2～3倍的差異[28,40].孫少飛等[4]發(fā)現(xiàn)民用煤OC/EC的變化范圍非常大,如煙煤OC/EC為0.32～21.37,無煙煤為3.71～84;Tian等[17]引用文獻(xiàn)中煙煤OC/EC為0.32～ 13.6,型煤為1.49～14.08,其測試得到原煤與型煤OC/EC分別為1.4與6.3.本研究結(jié)果在文獻(xiàn)報(bào)道區(qū)間內(nèi),由于采用了相同的分析方法,本研究結(jié)果與Tian等[17]的結(jié)果接近.

圖3 煤揮發(fā)份與碳組分占PM2.5百分比之間的關(guān)系

由圖4可見,2種蜂窩煤的主要碳組分比較接近,OC3組分占比最高,為27%～38%,其次為OC2和OC4,平均占比分別為21%和23%.榆林產(chǎn)蜂窩煤中OC1與EC1的占比比寧夏產(chǎn)蜂窩煤高.蜂窩煤在制作過程中會加入一定量的添加劑,不同地區(qū)添加劑種類和含量有所區(qū)別,可能會導(dǎo)致排放PM2.5中OC1與EC1含量的變化[41].與蜂窩煤相似,煤球與無煙煤中主要的碳組分也是OC3、OC2與OC4.煤球中三者的含量分別為52%、18%與16%,而無煙煤中三者的含量分別為33%、29%與19%.除了榆林蜂窩煤之外,3種煤的OP含量都很低.Zhang等[41]報(bào)道無煙煤、煤球排放OC以O(shè)C3為主,幾乎沒有檢測到OP,這與本研究結(jié)果一致.煙煤的主要成份為EC1,其占TC比例約為64%,OP含量明顯高于蜂窩煤,煤球與無煙煤,達(dá)到了11%.Tian等[17]測試得到煙煤排放TC中EC1-OP含量很高,達(dá)到24%～69%,與本研究結(jié)果相符.不同煤種的碳排放特征與其燃燒狀態(tài)關(guān)系密切,煙煤燃燒劇烈,部分顆粒物來不及充分燃燒,且煙溫相對較高[18],這都有利于EC1與OP的生成[41],而無煙煤、煤球與蜂窩煤,燃燒過程相對溫和,加上與氧氣接觸充分,燃燒較為徹底,同時(shí)煙溫也偏低,對OC3的生成有利.

圖4 不同碳組分占TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)

OP組分為柱狀圖中虛線以下的灰色部分

由圖5可見,蜂窩煤排放PM2.5中水溶性離子主要為SO42-、Na+,而蜂窩煤-YL還含有34%的Ca2+,蜂窩煤在加工過程中會加入添加劑,添加劑對水溶性離子的排放具有較大影響[7],本研究中不同地區(qū)蜂窩煤水溶性離子組成的差異可能來源于添加劑的不同.煤球排放PM2.5中主要的水溶性離子依次為Na+、SO42-、Cl-、Ca2+;無煙煤排放PM2.5中依次為Na+、SO42-、Ca2+、Cl-;煙煤排放PM2.5中水溶性離子依次為SO42-、Na+、Cl-、NH4+、NO3-.綜合來看,民用煤燃燒產(chǎn)生PM2.5中水溶性離子以Na+與SO42-為主,其在總水溶性離子中占比合計(jì)約47%～76%.目前與民用煤排放PM2.5中水溶性離子相關(guān)的報(bào)道很少,劉亞男等[5]測試得到民用煤中,煙煤排放的PM2.5中水溶性離子以SO42-與NO3-為主,而蜂窩煤以Cl-和NH4+為主,且占比高達(dá)61%.嚴(yán)沁等[7]的研究結(jié)果顯示蜂窩煤與塊煤燃燒排放PM2.5的水溶性離子中,SO42-離子的占比遠(yuǎn)高于其他離子.不同文獻(xiàn)報(bào)道民用煤中水溶性離子的百分含量與比例呈現(xiàn)一定差異性,這一方面與煤質(zhì)、爐型以及采樣分析方法關(guān)系密切[7],另一方面也需要更多的研究進(jìn)行驗(yàn)證與補(bǔ)充.由表3可見,蜂窩煤、煤球與無煙煤中水溶性離子占PM2.5比例約為24.16%～ 43.02%,其中Na+、SO42-占PM2.5的比例合計(jì)約為11.38%～32.73%.與之相比,煙煤燃燒排放PM2.5中水溶性離子含量較低,約為4.09%,其Na+、SO42-占PM2.5的比例合計(jì)約為2.17%,這反映了煙煤燃燒排放PM2.5中高碳組分含量與低水溶性離子含量的顯著特點(diǎn).

圖5 民用煤排放PM2.5中各種水溶性離子的百分比例

圖6 煤球與煙煤燃燒排放PM2.5老化前后碳組分占總碳含量變化

OP組分為柱狀圖中虛線以下的灰色部分

由圖6及表2可見,煤球與煙煤燃燒產(chǎn)生PM2.5老化后,TC占PM2.5比例分別下降了12.03%與19.99%,其主要降低來自于OC組分,分別10.45%與12.94%.煤球在老化前后OC/EC與OC/TC值均無變化,而煙煤在老化前后OC/EC值下降了34.45%, OC/TC變化不大(表2).從碳組分含量的變化看,煤球在老化后OC3組分占比下降了12%,OC2組分占比上升了10%.相比而言,煙煤老化后各碳組分含量變化很小,在5%以內(nèi).Judith等[15]利用PAM-OFR研究了泥煤燃燒排放PM2.5在大氣老化過程中的成份譜變化,研究表明OC組分在PM2.5中的質(zhì)量占比隨著老化時(shí)間的延長而降低,在2,7d的模擬老化時(shí)間里,OC組分分別下降了4%～12%和20%～33%,這與本研究模擬2d老化時(shí)間OC的下降比例接近.OC在PM2.5中占比下降被歸因于老化之后PM2.5非碳組分的增加,尤其是含氮組分的上升,此外,也有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的因素[15].從本研究結(jié)果來看,老化之后PM2.5中OC組分下降,主要原因在于PM2.5中NH4+、NO3-離子含量的明顯上升.

由圖7可見,煤球燃燒排放PM2.5在老化試驗(yàn)后,最明顯的變化在于NH4+和NO3-離子含量大幅增加,NH4+離子占總水溶性離子比例由3%上升至16%,其在PM2.5中的含量由0.68%上升至7.02%;NO3-離子由13%上升至59%,在PM2.5中的含量由3.05%上升至25.09%(表3),而Na+、SO42-以及Cl-離子在水溶性離子的百分比相應(yīng)地大幅減少.老化試驗(yàn)后,總的水溶性離子在PM2.5中的含量由24.16%上升至42.79%.煙煤的測試結(jié)果與煤球相似,老化試驗(yàn)后NH4+離子占總水溶性離子比例由10%上升至20%,其在PM2.5中的含量由0.4%上升至2.79%;NO3-離子占總水溶性離子比例由10%上升至45%,在PM2.5中的含量由0.39%上升至6.28%;總水溶性離子在PM2.5中的含量由4.09%上升至13.93%.民用煤燃燒產(chǎn)生含氮?dú)怏w,如NH3、NO、NO2等,在大氣老化過程中,NO與NO2經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)形成HNO3,進(jìn)一步與NH3發(fā)生中和反應(yīng),由氣態(tài)轉(zhuǎn)為顆粒態(tài),導(dǎo)致PM2.5中的NH4+和NO3-離子含量顯著提高,也使得PM2.5中水溶性離子的含量明顯上升[15].

圖7 煤球與煙煤燃燒排放PM2.5老化前后水溶性離子百分含量變化

表3 民用煤排放PM2.5中水溶性離子的含量(%)

注:“-”代表低于檢出限.

3 結(jié)論

3.1 煙煤燃放PM2.5中碳組分含量最高,達(dá)到57.96%,且其排放具有高EC含量特點(diǎn),EC在PM2.5中占比為29.11%,是其他煤種的4.3～9.6倍.

3.2 型煤中蜂窩煤OC/EC為5.63～7.14,煤球的OC/EC比值為8.87;原煤中無煙煤的OC/EC比值為6.76,而煙煤的OC/EC比值為1.19,煙煤的OC/EC比值遠(yuǎn)低于其他煤種.

3.3 煙煤的主要成份為EC1,其占TC比例約為64%,OP含量為11%,明顯高于蜂窩煤,煤球與無煙煤;與之相比,蜂窩煤、煤球與無煙煤中主要的碳組分是OC3、OC2與OC4.

3.4 民用煤燃燒產(chǎn)生PM2.5中水溶性離子以Na+與SO42-為主;蜂窩煤、煤球與無煙煤中水溶性離子占PM2.5比例約為24.16%～43.02%.與之相比,煙煤燃燒排放PM2.5中水溶性離子含量較低,約為4.09%,這反映了煙煤燃燒排放PM2.5中高碳組分含量與低水溶性離子含量的顯著特點(diǎn).

3.5 大氣老化試驗(yàn)后,煤球與煙煤燃燒排放PM2.5中NH4+和NO3-含量大幅增加,與之相比,TC占PM2.5比例分別下降了12.03%與19.99%,主要來自于OC組分,分別為10.45%與12.94%.

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Emission characteristics of carbonaceous components and water-soluble ions in PM2.5from residential coal combustion.

LI Peng1*, ZHOU Wei-qing1, XU Qi-chun2, NING Liang2, WU Hua-cheng1, ZHOU Zi-long1, DING Li-ping1

(1.Jibei Electric Power Research Institute, State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., (North China Electric Power Research Institute Company Limited), Beijing 100045, China；2.Tangshan Electric Power Company, State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Tangshan 063000, China)., 2022,42(11)：5047～5054

In this study, the characteristics of carbonaceous components and water-soluble ions in PM2.5emitted from the combustion of 4typical residential coals were studied, and the effects of atmospheric aging (2d) on the content of carbonaceous components and water-soluble ions in PM2.5emitted from briquettes and bituminous coal were simulated by PAM-OFR (potential-aerosol-mass oxidation flow reactor). The results showed that bituminous coal had the highest content of carbonaceous components in PM2.5, reaching 57.96%, and its EC content was 4.3～9.6 times that of other residential coals. The water-soluble ions in PM2.5emitted by residential coal combustion were mainly Na+and SO42-, which accounted for 47%～76% of the total water-soluble ions. After the atmospheric aging, the content of NH4+and NO3-ions in PM2.5emitted from the combustion of briquettes and bituminous coal increased significantly, while the proportion of TC in PM2.5decreased by 12.03% and 19.99%, respectively.

residential coal；carbonaceous components；water-soluble ions；atmospheric aging；PAM-OFR

X513

A

1000-6923(2022)11-5047-08

李 朋(1986-),男,湖北仙桃人,高級工程師,博士,主要從事能源與環(huán)保領(lǐng)域相關(guān)研究.發(fā)表論文10余篇.

2022-04-03

國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目(5200-202114093A-0-0-00)

* 責(zé)任作者, 高級工程師, lipengzt@139.com