沈陽(yáng)市煙塵粒度識(shí)別試驗(yàn)研究

周興

(沈陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,遼寧沈陽(yáng)110016)

1 引言

北方城市環(huán)境空氣質(zhì)量季節(jié)性污染都比較嚴(yán)重,主要是由于每年5～6個(gè)月的采暖期燃用大量煤炭,排放大量煙塵所致。研究表明,沈陽(yáng)市采暖期降塵中燃煤煙塵的比例一般在55%～60%之間,其它由自然揚(yáng)塵和施工揚(yáng)塵等組成。煙塵對(duì)人體的危害已得到公認(rèn),由于煙塵中組分復(fù)雜,不同粒徑煙塵對(duì)人體健康的影響迥然不同。煙塵對(duì)環(huán)境的危害早已引起世界各國(guó)的重視,近年來(lái)沈陽(yáng)市煙塵的微小粒徑塵的工作愈來(lái)愈受到重視。沈陽(yáng)市多年來(lái)一直非常重視除塵工作,同時(shí)也積累了大量的工作經(jīng)驗(yàn)。可以說,燃燒設(shè)備的除塵工作一直是環(huán)境保護(hù)工作中重要內(nèi)容之一。但是隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入,人們已經(jīng)開始注意起煙塵的組成和組分,研究不同粒徑塵粒的危害作用。隨之而來(lái)的有關(guān)煙塵中各種級(jí)別塵粒的組分,其分布特性等相關(guān)內(nèi)容,愈來(lái)愈受到專業(yè)人士的關(guān)注。

2 材料與方法

2.1 煙塵粒經(jīng)的組成

粒徑不同的顆粒,在大氣中滯留時(shí)間不同,其沉降速率也不同。有研究資料表明,空氣動(dòng)力學(xué)粒徑大于10μm的顆粒,在自身的重力作用下能很快落到地面,這一部分塵被稱為“降塵”。粒徑小于10μm的顆粒在空氣中可飄浮很長(zhǎng)時(shí)間,有的甚至長(zhǎng)達(dá)幾年,這一部分塵被稱為“漂塵”。粒徑小于3μm的顆粒被稱為“微粒”。

(1)粒徑不同,對(duì)人體的危害亦不同,降塵在空氣中停留的時(shí)間極短,不易被人體吸入,因而對(duì)人體的危害不大。而飄塵卻能通過呼吸道侵入人體或沉積于肺泡或被吸收到血液及淋巴液內(nèi),對(duì)人體造成危害。由此可見,顆粒物的大小對(duì)人體健康的危害程度是有明顯差異的,小顆粒的環(huán)境毒理學(xué)作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大顆粒。

(2)顆粒的粒徑不同,其組分也有很大差異,由于小顆粒比表面積大,其活性和吸附力都比大顆粒強(qiáng),所以一些有毒的無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及“三致”物質(zhì)和多環(huán)芳烴等大多容易富集在小于3μm的顆粒上。對(duì)人群健康可產(chǎn)生長(zhǎng)期性、隱發(fā)性危害。

(3)顆粒的總體描述一般用質(zhì)量中值(MMD或d50)表示,即大于50%的塵粒直徑包括在此范圍,單位用μm。

2.2 煙塵粒度識(shí)別測(cè)試

2.2.1 試驗(yàn)儀器

3011H(+)型皮托管平行自動(dòng)煙塵采樣儀,青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所生產(chǎn);WY-1型沖擊式塵粒分級(jí)儀,中國(guó)預(yù)防醫(yī)學(xué)中心衛(wèi)生研究所生產(chǎn)。

2.2.2 測(cè)定方法

采樣完全按照GB/T16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》和GB5468-91《鍋爐煙塵測(cè)試方法》進(jìn)行。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)分級(jí)儀工況下的抽氣流量、煙氣溫度,可查得各級(jí)沖擊孔板的d50(50%捕集效率點(diǎn)空氣動(dòng)力直徑)值,然后除以塵粒的真比度平方根可得出各級(jí)沖擊孔板的50%效率點(diǎn)的斯托托克直徑d 50值。各級(jí)濾膜經(jīng)稱重計(jì)算得出各徑級(jí)顆粒物的質(zhì)量及總質(zhì)量;各徑級(jí)質(zhì)量占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù);計(jì)算出篩下積累百分?jǐn)?shù)。在概率紙上,將所得數(shù)據(jù)繪入,判斷顆粒物粒度分布的類型。本實(shí)驗(yàn)所獲得各組原始數(shù)據(jù)均較好的遵從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。對(duì)粒徑取對(duì)數(shù),所對(duì)應(yīng)的篩下積累百分?jǐn)?shù)做線性變換,兩者做回歸運(yùn)算,記錄相關(guān)系數(shù)。

2.3 試驗(yàn)爐型、除塵器類型和煤種選擇

2.3.1 爐型選擇

通過調(diào)查,選擇沈陽(yáng)市內(nèi)工業(yè)企業(yè)中運(yùn)行正常、工況穩(wěn)定且管理狀態(tài)良好的鍋爐做為測(cè)試鍋爐。選擇在沈陽(yáng)市普遍使用的鏈條爐排、往復(fù)爐排、反燒爐和雙層爐排。

2.3.2 除塵器類型選擇

靜電、麻石水膜、水浴沖擊式、陶瓷+噴淋和陶瓷多管除塵器。

2.3.3 煤種選擇

沈陽(yáng)市每年耗煤近千萬(wàn)噸,涉及煤炭種類20余種,經(jīng)過調(diào)查,在滿足研究需要并符合沈陽(yáng)市基本燃煤結(jié)構(gòu)的原則下,確定幾種普遍使用的燃料煤,作為試驗(yàn)研究煤種[2]。

表1 試驗(yàn)煤種使用概況

2.4 煙塵粒度分布

2.4.1 除塵前煙塵粒度分布

沈陽(yáng)市不同煤種除塵前煙塵粒度分布統(tǒng)計(jì)見圖1。

圖1 不同煤種除塵前煙塵粒度分布

目前沈陽(yáng)市燃煤煙塵中在未除塵狀態(tài)下,10μm以下的塵粒平均占29.3%,而 10μm～100μm 的塵粒占56.99%,大于100μm的塵粒僅占13.71%,國(guó)內(nèi)平均狀態(tài)的粒徑分布如表11所示。通過比較可以看出沈陽(yáng)市煙塵中小于10μm的塵粒略高于國(guó)內(nèi)平均水平(20.0%),大于 10μm和大于100μm的塵粒與國(guó)內(nèi)平均的狀況基本一致。

2.4.2 除塵后煙塵粒度分布

沈陽(yáng)市不同煤種除塵后煙塵粒度分布統(tǒng)計(jì)見圖2。

圖2 不同煤種除塵后煙塵粒度分布

根據(jù)研究確定在沈陽(yáng)市燃料燃燒過程中產(chǎn)生的煙塵經(jīng)過重力式除塵后,煙塵中PM 10的含量約占72%,即煙塵的組分大部分是由微小顆粒組成,10～100μm的塵粒僅占27%,而大于100μm的塵粒即煙塵中的大顆粒基本被除掉,由除塵前的13.7%降到0.55%。

2.5 粒度分布結(jié)果

2.5.1 質(zhì)量中值的變化

質(zhì)量中值(MMD)在除塵前的均值可達(dá)23.1μm,而除塵后的 MMD僅為5.50μm,說明除塵前煙塵中塵粒的質(zhì)量中值較大,煙塵中大顆粒比重較大。經(jīng)過除塵,較大顆粒的塵已被除去,煙塵中塵粒以小顆粒為主,質(zhì)量中值的直徑急劇下降到5.5μm[1]。

2.5.2 粒度分布

經(jīng)除塵后排放的煙塵中,其粒度分布發(fā)生了很大變化。大顆粒塵被除掉的較多,小顆粒塵被除掉的較少。故小顆粒塵(10μm以下)的比例明顯增大,由除塵前的29.3%提高到除塵后的72.2%。這種統(tǒng)計(jì)結(jié)果也符合重力除塵器的除塵特點(diǎn)。

2.5.3 粒度分布

本試驗(yàn)研究所獲得煙塵中粒度分布數(shù)據(jù),均遵從對(duì)數(shù)正態(tài)分布規(guī)律,幾何標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)均符合數(shù)理統(tǒng)計(jì)要求。煙塵中粒徑小于10μm的塵粒統(tǒng)稱為飄塵,亦稱PM 10,這是近年來(lái)環(huán)境空氣學(xué)科中比較敏感而重要的一項(xiàng)指標(biāo)[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)沈陽(yáng)地區(qū)燃煤煙塵中在未除塵狀態(tài)下含10μm以下的塵粒(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 的塵粒平均占56.99%,大于100μm的塵粒占13.71%。

(2)經(jīng)除塵后排放的煙塵中,其塵粒組分發(fā)生了很大變化,10μm以下的粒徑約占 72%(其中≤1μm占 6.04%,1～ 3μm 占 23.36%,3 ～ 5μm 占18.21%,5～10μm 占24.60%)。10～100μm 的塵粒占27.25%,而大于100μm的塵粒僅占0.55%。

(3)本研究所獲得煙塵中粒度分布數(shù)據(jù),均遵從對(duì)數(shù)正態(tài)分布規(guī)律,幾何標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)均符合數(shù)理統(tǒng)計(jì)要求。

通過典型煤煙的測(cè)試分析,深入研究了煙塵中不同粒徑塵的比重和煙塵的粒度分布特性,從而對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)煙塵的組分和特點(diǎn)得出明確結(jié)論。這些工作為掌握和深入評(píng)價(jià)大氣中顆粒物的污染和對(duì)人體的危害。為大氣環(huán)境污染的指標(biāo)化管理和綜合防治及將來(lái)除塵器的更新與換代將提供有價(jià)值的科學(xué)依據(jù)。

[1]程勝高.固定污染源排氣實(shí)用監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)[J].環(huán)境科學(xué),1997(9)：72～ 78.

[2]劉英鐸.沈陽(yáng)市區(qū)大氣顆粒物粒度分布規(guī)律的研究[J].沈陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站站志[J].1989(6)：128～135.

[3]李烈勛.生產(chǎn)環(huán)境粉塵測(cè)定[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1990.