模擬冬季供暖導致PM2.5濃度升高的實驗

白宇 曹越 王瀟萌 孫秀暉 陳美虎

摘要：空氣污染問題已成為影響我國城鎮(zhèn)居民生活質(zhì)量的一個重要因素，而因PM2.5污染導致的重污染天氣的多發(fā)季又集中在冬季供暖季中。本文設(shè)計了一項實驗，模擬北方城市冬季供暖季中燃煤鍋爐排出含硫酸鹽類物質(zhì)的情況，并確定了硫酸根離子的存在會引起PM2.5濃度的上升。北方城市冬季供熱系統(tǒng)雖已開始由燃煤改為燃氣，但加大推進改燃力度，并防止散煤點源、面源排放對削減冬季PM2.5濃度峰值仍存在極大積極作用。

關(guān)鍵詞：冬季供暖;模擬實驗;PM2.5

中圖分類號：X131.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）04-0-02

Abstract： The problem of air pollution has become an important factor affecting the quality of life of urban residents in China. The frequent seasons of heavy pollution caused by PM2.5 pollution are concentrated in the winter heating season. The article designed an experiment to simulate the discharge of sulphate-containing substances from coal-fired boilers in the northern heating season in northern cities， and determined that the presence of sulphate ions would cause an increase in PM2.5 concentration. Although the winter heating system in the northern city has begun to change from burning coal to gas， it is necessary to increase the intensity of propelling and reforming， and to prevent the point source and non-point source emissions of loose coal to have a very positive effect on reducing the peak concentration of PM2.5 in winter.

Key words： Winter heating;Simulation experiment; PM2.5

眾所周知，PM2.5已經(jīng)成為影響我們?nèi)粘Ｉ钆c身體健康的一個重要因子[1]。根據(jù)天津市污染物時空分布特點，在冬季供暖期，即每年11月至次年3月，PM2.5的污染尤其嚴重。環(huán)保部負責人也表示北方冬季燃煤采暖對空氣質(zhì)量惡化貢獻較大[2]。

根據(jù)上述實際情況，設(shè)計一項實驗，想要模擬供暖季時期燃煤鍋爐排放對空氣質(zhì)量的影響。根據(jù)供暖煙囪采樣，燃煤鍋爐排放煙氣除自身含有大量顆粒物成分外，還有因煤炭燃燒產(chǎn)生的大量硫酸鹽類物質(zhì)。本次實驗采用硫酸鹽溶液放入具有加熱功能的空氣加濕器中，初步模擬燃煤鍋爐排放硫酸鹽類物質(zhì)，計算其對空氣質(zhì)量造成的影響。

1 實驗準備

（1）在天津市武清區(qū)某燃煤鍋爐排氣口處進行采樣，對其煙氣冷凝水中各離子濃度進行分析。測定其中SO42-濃度為220 mg/L，NO3-濃度為6.5 mg/L，Na+為29.9 mg/L，Ca2+為32.4 mg/L，其他為41.1 mg/L。決定本次實驗采用濃度為275 mg/L的硫酸鈉溶液進行模擬。

（2）采用3臺在國家顆粒物適用性檢測合格產(chǎn)品名錄中的顆粒物采樣設(shè)備，同時放置在相同環(huán)境中進行PM2.5采樣，3臺設(shè)備同時進行7天的比對監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果曲線互相之間相關(guān)系數(shù)大于0.97即可進行采樣實驗。本次實驗采用的3臺顆粒物采樣器均為美國熱電公司生產(chǎn)的1405F型顆粒物自動監(jiān)測設(shè)備3臺儀器7天比對曲線互相之間相關(guān)系數(shù)均大于0.98，如圖1。

2 實驗步驟

（1）將3臺設(shè)備分別放置在三個相同濕度、溫度的密閉環(huán)境中，其中1處不放置加濕器，作為背景數(shù)據(jù);另2處分別作為參比房間與實驗房間。在兩處室內(nèi)均放置同一批次的具有加熱功能的加濕器。（2）在參比房間內(nèi)的加濕器內(nèi)，只添加經(jīng)過處理，電阻率≥18.2MΩ·cm、25℃的去離子水，在實驗房間的加濕器內(nèi)，添加相同品質(zhì)去離子水配置的濃度為275mg/L的硫酸鈉溶液。（3）在同一時刻打開加濕器，并開啟加熱功能，模擬冬季供暖煙囪噴出含有硫酸鹽類物質(zhì)的情況。記錄兩臺顆粒物采樣設(shè)備的數(shù)據(jù)變化。

3 實驗結(jié)果

3.1 顆粒物濃度變化

實驗房間自加濕器開啟時刻起，PM2.5濃度激增，最高上升至2200ug/m3，而沒有添加NaSO4溶液的實驗室，顆粒物濃度平穩(wěn)無異常變化。

3.2 添加硫酸鈉溶液的房間濕度與顆粒物濃度關(guān)系

隨著室內(nèi)濕度的變化，顆粒物濃度與其呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。可以推測實驗房間室內(nèi)的顆粒物是隨著加濕器的噴霧形成的。加濕器噴霧完成后，室內(nèi)濕度連續(xù)下降，室內(nèi)顆粒物濃度也明顯下降。

3.3 參比房間與實驗房間的PM2.5顆粒放大2000倍后電鏡掃描比對，如圖4、圖5。

參比房間與實驗房間的顆粒物采樣膜經(jīng)過電鏡掃描放大2000倍后的照片可以看出，實驗房間，即添加了硫酸鈉溶液的房間的PM2.5顆粒數(shù)量倍增，粒徑更小。

4 結(jié)論

通過實驗可以看出，用添加了硫酸鈉溶液的加濕器噴射出的水霧包含大量硫酸鹽類顆粒。此項實驗并不能完全模擬出北方冬季供暖季的真實情況，但其對顆粒物的貢獻之大也可見一斑。加大北方冬季供季期間的改燃力度，加強對散煤燃燒的管理，或者實施濕法脫硫凈化煙氣[3]的方法理論上可以有效削減PM2.5濃度峰值，為我市冬季環(huán)境空氣質(zhì)量改善作出貢獻。

參考文獻

[1]孫恩慧，王璐琪，賴小垚，李巖，孫靜怡.北方冬季農(nóng)村供暖對PM2.5的影響及解決方案研究[J].環(huán)境科學與管理，2013（7）：90-93.

[2]陳碩，陳婷.空氣質(zhì)量與公共健康：以火電廠二氧化硫排放為例[J].經(jīng)濟研究，2014（8）：158-169.

[3]任玉忠.試析濕法脫硫凈煙氣再熱技術(shù)的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件，2018（06）：202-203.

[4]周海川.空氣質(zhì)量與公共健康：以森林吸收煙粉塵為例[J].林業(yè)科學，2017，53（08）：120-131.

收稿日期：2019-01-08

作者簡介：白宇（1987-），男，漢族，本科學歷，助理工程師，研究方向為環(huán)境保護。