典型污染源PM25源谱特征及区域排放贡献研究.docx

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典型污染源PM25源谱特征及区域排放贡献研究

摘要

以西南地区某市为研究区域，对化石燃料固定燃烧源、工艺过程源、移动源、生物质燃烧源、扬尘源、农业源、其他排放源等七大一类源进行调查，得到各行业排放源PM2.5的排放量，并建立典型行业颗粒物PM2.5源谱。

工艺过程源为此市大气环境PM2.5主要来源。

其中钢铁行业烧结工艺中S的质量分数ω（S）含量最高，为50.3%，初炼工序中Fe为主要元素；水溶性离子的占比为5.0%~12.6%，其中Na+、SO42-、NO2-、NH4+占比较高；OC+EC的总占比范围为15.4%~61.0%。

餐饮行业的元素组分Ca、Al、Mg在元素组分中占比最高；水溶性离子组分NH4+较高。

玻璃行业Ca为主要组分；SO42-排放占比明显较高，为15.55%。

移动源元素组分中Na，Fe占比最高；NO2-、Na+占比相对较高。

扬尘源中，工地扬尘颗粒物无机金属元素中主要组分按占比大小依次为Ca、Fe、Al、Mg、K；水溶性离子组分中Ca2+质量分数最高；OC在PM2.5中占比为3.977%。

垃圾焚烧源谱中Si占比最高，为3.6%；水溶性离子中NH4+和Cl-含量最高；OC、EC浓度方面，OC浓度是为45.7µg/m3，EC浓度是为14.7µg/m3，OC/EC为4.7，OC占PM2.5的绝大多数，达64.28%。

关键词：

PM2.5；组分；源谱

Abstract

TakingacityinsouthwestChinaastheresearcharea,sevencategoriesofsources,includingfixedcombustionsourcesoffossilfuels,technologicalprocesssources,mobilesources,biomasscombustionsources,dustsources,agriculturalsourcesandotheremissionsources,wereinvestigatedtoobtainPM2.5emissionsfromemissionsourcesofvariousindustriesandestablishthecompositionspectrumofPM2.5particlesintypicalindustries.

ProcesssourceisthemainsourceofPM2.5inthecity'satmosphericenvironment.Amongthem,thequalityfractionofSinthesinteringprocessofironandsteelindustryisthehighest,whichis50.3%.Feisthemainelementintheprimarysmeltingprocess.Theproportionofwater-solubleionswas5.0%~12.6%,inwhichNa+,SO42-,NO2-andNH4+accountedforahigherproportion.ThetotalproportionofOC+ECrangedfrom15.4%to61.0%.Inthecateringindustry,Ca,AlandMgaccountedforthehighestproportionofelementcomponents.Thewater-solubleioniccomponentNH4+ishigher.Caisthemaincomponentintheglassindustry.TheproportionofSO42-emissionwassignificantlyhigherat15.55%.NaandFeaccountedforthehighestproportioninthecomponentsofmovingsourceelements.TheproportionofNO2-andNa+isrelativelyhigh.Amongthedustsources,themaincomponentsofinorganicmetalelementsinthesitedustparticlesareCa,Fe,Al,MgandKinorderofproportion.ThemassfractionofCa2+wasthehighestamongthewater-solubleioniccomponents.TheproportionofOCinPM2.5was3.977%.Siaccountedforthehighestproportioninthewasteincinerationsourcespectrum（3.6%）.ThecontentsofNH4+andCl-inwater-solubleionswerethehighest.IntermsofOCandECconcentration,OCconcentrationis45.7g/m3,ECconcentrationis14.7g/m3,OC/ECconcentrationis4.7,OCaccountsforthevastmajorityofPM2.5,upto64.28%.

Keywords:

PM2.5;component;sourcespectrum

典型污染源PM2.5源谱特征及区域排放贡献研究

1绪论

1.1立项背景和依据

随着社会发展和国民经济增长，我国以PM2.5为首要污染物的空气污染现象不断发生，空气质量问题受到人们的关注。

近年来，西南地区经济发展迅猛，第二产业比重逐步加大，但伴随经济发展的同时，环境质量逐渐变差。

主要的原因有三：

第一，此市机动车的数量不断增加，机动车尾气中含有CO和颗粒物等污染因子，严重影响了当地的空气质量；第二，工业生产过程中排放大量污染物，是又一大气主要污染源；第三，在水稻和小麦成熟之际，农民大多采用燃烧秸秆的方式，产生的浓烟对空气质量产生很大的威胁。

颗粒物污染防治形势依然严峻，因此，有必要开展PM2.5排放源研究工作，明确大气PM2.5排放的主要来源，为本地区大气颗粒物污染防控提供参考依据。

我国对PM2.5源谱的研究是从2000年之后开始，污染物排放源研究主要集中在三个方面，主要是移动源、扬尘源和生物质燃烧源，但是对固定源PM2.5源谱的研究较稀少。

本项目是在调研国内外已发表的关于我国本土化PM2.5源谱文献的基础上，对已有的各行业典型污染源成分谱研究进行比较、归纳和总结，为建立PM2.5本土化源谱库提出意见和建议。

对PM2.5典型排放源的粒径和化学成分进行质谱分析可知，元素有Na、Mg、Al、Si、P、S、C1、K、Ca、Fe、Cu、Zn、Br、Ag、Ba等，水溶性离子有Na+、Mg+、K+、NH4+、Mn+、NO2-、NO3-、Cl-、SO42-、SiO3-等，还有元素碳和有机碳组分、富锰颗粒、富铁颗粒、富钾颗粒、矿物质等[1]。

1.2颗粒物组分及其源成分谱

大气颗粒物是指悬浮于大气中空气动力学直径小于100μm各种固态和液态颗粒状物质的总称。

按照粒径大小可分为：

粒径小于或等于100μm的颗粒物，包括液体、固体或者液体和固体结合存在的，悬浮于空气中的总悬浮颗粒物（TSP）；空气动力学直径小于或等于10μm的可吸入颗粒物（PM10）；空气动力学直径小于或等于2.5μm的细颗粒物（PM2.5）。

源成分谱是污染源排放出的颗粒物中每种组分的排放特征，用组分的质量百分比和标准方差表示。

为建立颗粒物源谱，首先需要采集污染源样品，然后分析得到颗粒物中各组分的浓度，并进行处理得到相应的百分比；再根据各组分的浓度来计算相应的标准方差。

现阶段采集颗粒物一般采用膜采样法，利用泵和采样滤膜将空气中的颗粒物富集到滤膜上，再对其进行化学组分分析来构建源成分谱。

目前，国内各学者主要集中对固定燃烧源、道路移动源、工业过程源、扬尘源等污染排放源的研究。

商昱薇[2]对哈尔滨市的工业链条炉进行研究，建立了相应的PM2.5源谱；孔少飞[3]和冯小琼[4]分别对天津柴油大货车、珠三角柴油大客车PM2.5进行研究，构建了相应的成分谱；马京华[5]、赵浩宁[6]构建了钢铁行业PM2.5源谱；郑玫等[7]对上海烧结厂PM2.5排放特征进行研究，构建了相应的PM2.5源谱；张丹等[8]对重庆炼钢厂PM2.5排放特征进行研究，构建了相应的PM2.5源谱；金永民[9]构建了抚顺炼钢厂PM2.5源谱；孔少飞[10]建立了东营地区道路扬尘PM2.5源谱；张丹等[11]和马召辉等[12]分别对重庆和北京地区进行道路扬尘PM2.5研究，建立了PM2.5成分谱。

1.3颗粒物污染状况

本项目调查的某市，能源消耗量大，污染较严重。

调查此市大气污染物排放量情况，结果提示此地区大气中PM2.5的主要排放源为扬尘源、工艺过程源和固定燃烧源。

根据此市大气污染物PM2.5排放量（吨）汇总见表1-1。

表1-1某市大气颗粒物PM2.5排放量汇总（吨）

一级源分类

二级源分类

PM2.5

化石燃料固定燃烧源

电力供热

0.0001

工业锅炉

301.5621

民用锅炉

1.6923

民用燃烧

4.1380

工业窑炉

2632.3228

小计

2939.7152

工艺过程源

玻璃

712.7178

水泥

2482.9192

石油化工

6.4184

焦化

0.0000

钢铁

694.7536

其他工业

19763.4254

小计

23660.2344

移动源

道路移动源

701.2908

非道路移动源

139.1492

小计

840.4400

续表1-1

一级源分类

二级源分类

PM2.5

溶剂使用源

工业涂装

0.0000

建筑涂料

0.0000

汽修

0.0000

印刷印染

0.0000

农药使用

0.0000

其他溶剂点源

0.0000

其他溶剂面源

0.0000

小计

0.0000

农业源

畜禽养殖点源

0.0000

畜禽养殖面源

0.0000

氮肥施用

0.0000

土壤本底

0.0000

固氮植物

0.0000

秸秆堆肥

0.0000

人体粪便

0.0000

小计

0.0000

扬尘源

土壤扬尘

1.0578

道路扬尘

2768.0989

工地扬尘

2992.0446

堆场扬尘

1698.7292

小计

7459.9304

生物质燃烧源

工业生物质锅炉

80.2670

生物质炉灶

446.7840

生物质开放燃烧

138.5748

小计

665.6258

续表1-1

一级源分类

二级源分类

PM2.5

储存运输源

加油站

0.0000

油气储运

0.0000

油气储存

0.0000

小计

0.0000

废弃物处理源

固废处理

0.0248

废水处理

0.0000

烟气脱硝

0.0000

小计

0.0248

其它排放源

餐饮

62.5792

合计

35628.5498

1.4工作内容

调研某市钢铁行业、餐饮行业、玻璃行业等多个重点行业，以及扬尘源、开放燃烧源，筛选典型企业开展颗粒物源谱分析。

其中钢铁行业、玻璃行业通过现场排摸和总结，根据原料和产品生产规模、生产工艺和除尘脱硫脱硝控制措施，梳理典型的企业、并确定颗粒物源谱构建。

餐饮行业通过现场排摸和总结，梳理不同餐饮类型、不同规模的餐饮企业，来确定颗粒物源谱构建。

扬尘源开展工地扬尘的排放源调查。

工地扬尘源调查内容包括工地的规模、施工时长、施工阶段、控制措施等，梳理典型的建筑工地确定颗粒物源谱。

开放燃烧源开展对垃圾燃烧情况的调查。

结合相关文献，获取垃圾焚烧源谱。

2重点污染源颗粒物源谱构建方法

2.1重点行业颗粒物排放源调查

2.1.1钢铁行业

（1）排放源基本情况

①烧结工序

目前烧结工序有DA002型烧结机，产能130万吨，于2014年10月1日投运，2018年2月停运检修。

燃料类型包括初炼炉煤气与无烟煤，2018年消耗量分别为190225644m³、57750.89t，铁矿石全年使用量746248.1t，烧结矿产量720179.03t。

脱硫效率达96%，废气收集率100%，除尘效率95%，于2015年4月1日投入运行。

烧结工序已安装在线监测系统，监测排口分别为烧结脱硫塔排放口，烧结环冷除尘排放口，烧结配料除尘排放口，烧结筛分除尘排放口。

②初炼工序

初炼炉设备编号ZJ0020，产能50万吨，于2014年10月1日投运，2018年2月停运检修。

初炼炉喷煤量29368.10t，2018年全年生铁产量323397.25t。

废气收集率100%，除尘效率96%，于2015年4月1日投入运行。

初炼工序已安装在线监测系统，监测排口分别为喷煤除尘排放口，初炼料槽除尘排放口，初炼出铁口除尘排放口，热风炉排放口。

③精炼工序

精炼工序采用AOD炉，设备编号ZJ0026-ZJ0028，产能120万吨，于2015年7月1日投运，2018年2月-3月检修，2018年全年粗钢产量610392.03吨。

废气收集率100%，除尘效率99%，于2015年投入运行。

精炼工序已安装在线监测系统，1#AOD炉除尘排放口，2#AOD炉除尘排放口，3#AOD炉除尘排放口全部纳入监测。

④轧钢工序

轧钢主要生产设施为热轧板和带轧机，设备编号10077，产能120万吨，于2017年6月30日投运，燃料类型为发生炉煤气，全年消耗量为40920.48t，2018年全年刚才产量658403.037吨。

轧钢工序监测排口为混铁炉+LF炉+连铸机除尘排放口。

（2）信息调查

工艺过程信息：

工艺流程及主要排放装置；净化装置；燃料信息；原辅材料信息；产品信息；

2.1.2餐饮行业

（1）排放源基本情况

根据不同的餐饮类型，调查各类餐饮企业，包括本帮菜、川湘菜、西餐、海鲜、粤菜、烧烤、火锅等。

（2）信息调查

①基本信息：

菜系、经营面积/m2、餐饮企业规模、餐饮类型、燃料类型、食用油类型、烟气净化设备类型（效率）。

②辅助信息：

烹饪方式（烹饪方式次数/时间比例、炉灶/烤箱/蒸煮锅数量）

食物组成（菜谱+采样期间点菜信息、蔬菜/肉用量和比例、油盐酱醋辣消耗量等）

厨房信息（面积、温度、湿度）

厨师信息（是否连续做菜不关火、连续时间、做菜偏好）

2.1.3玻璃行业

（1）排放源基本情况

某玻璃有限公司属玻璃制品制造业，为此市重点污染源，于2011年投产使用，为连续生产企业，全年生产天数365天。

2018年煤炭消耗量为18000吨石油焦粉，年燃气消耗量237.77万立方米。

（2）信息调查

调查燃料类型、发电机组信息、排放口情况、产品信息。

2.1.4扬尘源

（1）排放源基本情况

选择典型建筑工地，包括不同阶段（土方开挖、地基建设、主体结构）。

（2）信息调查

调查施工面积、长、宽（厂区面积）、施工阶段（具体）、主要的施工活动、施工机械种类、围挡高度、控尘措施（围挡、防尘网、纤维布覆盖、塑胶网覆盖、洒水、路面硬化等）、开挖土方长、宽、深度。

2.1.7开放燃烧源

（1）排放源基本情况

2019年10月1日-11月16日，此市垃圾焚烧点不断增加，共出现140个垃圾焚烧点。

2020年1月5日-2月5日期间，共出现41个垃圾焚烧点。

（2）信息调查

此市垃圾焚烧屡禁不止，多地出现垃圾焚烧现象，并有多次焚烧痕迹。

图2-1某市垃圾焚烧现场调查图

2.2重点污染源颗粒物源谱构建

2.2.1工业过程源

研究较多的工业过程源PM2.5成分谱主要集中在钢铁冶炼、水泥制造两大行业。

从目前所构建的源谱来看，Fe是钢铁冶炼行业的主要元素，Ca是水泥行业的主要元素。

国内对玻璃行业、陶瓷行业的PM2.5源谱研究较少。

马召辉等[12]和马静玉[13]分别建立了北京、河北地区水泥制造行业PM2.5源谱；孔少飞[10]对东营地区水泥制造PM2.5排放特征进行研究，建立了当地水泥制造行业PM2.5源谱；此外，郑玫等[7]对上海烧结厂PM2.5排放特征进行研究，构建了PM2.5源谱；张丹等[8]构建了重庆炼钢厂PM2.5成分谱；金永民[9]构建了抚顺炼钢厂的PM2.5成分谱。

2.2.2固定燃烧源

国内对固定燃烧源的研究，主要集中在工业燃煤锅炉，各学者研究的方向和方法也不尽相同。

伯鑫等[14]建立钢铁各工艺环节污染物排放源谱，其中烧结工序和炼铁工序成为钢铁行业污染物主要来源；牟莹莹等[15]建立了南京市工业源污染物源谱，调查结果是PM2.5、PM10和CO等污染物大部分来自钢铁行业。

构建固定燃烧源颗粒物源谱，可以对空气质量进行评估，为开展大气污染防治、制定污染控制政策和进行空气质量预测提供依据。

2.2.3扬尘源

各研究学者对扬尘源的研究比较细致、全面和深入。

孔少飞[10]对东营地区道路扬尘PM2.5排放特征进行研究，建立了道路扬尘PM2.5成分谱；张丹等[11]和马召辉等[12]分别建立了重庆、北京道路扬尘PM2.5源谱。

相较于道路扬尘PM2.5成分谱，国内对建筑扬尘PM2.5成分谱的研究较少，金永民[5]建立了抚顺PM2.5成分谱，且其建立方法与国外建筑扬尘成分谱所采用的方法相类似。

2.2.4餐饮排放源

近年来，餐饮行业发展迅猛，特别对一些大城市来说，其排放的污染物对环境造成一定的影响。

各学者已经陆续在此行业展开调查，其中孙涛等[16]对很多家餐饮企业排放的废气进行研究，发现污染颗粒物对局部区域环境有一定的影响，说明大气细颗粒物PM2.5的排放源有一部分来自餐饮企业，并且不同的餐饮类型对环境造成的污染程度不同。

温梦婷等[17]研究了不同餐饮源营业时间和客流量与PM2.5的排放浓度的关系，结果发现营业时间长、人流量多提高了PM2.5的排放浓度

3各行业颗粒物源谱分析

3.1钢铁行业颗粒物源谱构建

3.1.1PM2.5排放量

钢铁行业主要工序（烧结、初炼、精炼、轧钢）PM2.5排放量如下表3-1所示，精炼产生的粗钢主要排放口的PM2.5排放量为529.093吨，排放量排序为精炼工序>烧结工序>初炼工序>轧钢工序。

表3-1钢铁行业各生产工序PM2.5排放量

工序

产品名称

生产工段/设备

PM2.5排放量（吨）

除尘工艺名称

PM2.5治理效率

烧结

烧结矿

带式烧结机（一般排放口）

18.723

布袋除尘

0.99

烧结矿

带式烧结机（机尾）

18.723

布袋除尘

0.99

烧结矿

带式烧结机（机头）

74.892

电袋复合式除尘

0.96

其他（石灰）

竖窑（弗卡斯窑）

1.620

布袋除尘

0.99

初炼

炼钢生铁

高炉法（一般排放口）

16.990

布袋除尘

0.99

炼钢生铁

高炉法（矿槽）

16.990

布袋除尘

0.99

炼钢生铁

高炉法（出铁场）

16.990

布袋除尘

0.99

精炼

粗钢

转炉法（主要排放口）

512.477

无

0.00

钢材

转炉法（主要排放口）

16.616

布袋除尘

0.99

轧钢

热轧带钢

热轧法

0.732

无

0.00

3.1.2PM2.5中元素组成

烧结工艺中S的质量分数ω（S）含量最高[18]，ω（S，PM2.5）为50.3%，重金属元素含量在PM2.5源谱中的质量分数为3.2%。

初炼工序源谱中，Fe是主要元素，百分含量是46.2%，Ca、Si和Na的含量逐渐减少；精炼工序PM2.5源谱中，Ca为主要元素，百分含量是28.1%。

（a）烧结工序PM2.5元素质量分数（b）初炼工序PM2.5元素质量分数

（c）精炼工序PM2.5元素质量分数

图3-1各工艺环节排放颗粒物源谱中元素质量分数

3.1.3PM2.5中离子组成

PM2.5水溶性离子的占比为5.0%~12.6%，其中Na+、SO42-、NO2-、NH4+占比较高。

尽管不同环节颗粒物组分存在一定的差异，整体上SO42-浓度是颗粒物所有组分中最高的，初炼、烧结、轧钢工序相对较高。

对于烧结环节，石灰石/石灰—石膏法脱硫过程中加入大量的石灰石浆液去除SO2。

初炼工序中高炉运作过程中需要添加CaO以去除杂质而保护炉衬，在炉内发生反应生成CaSO4，这是炼铁尾气颗粒物中Ca2+和SO42-组分浓度的主要来源。

3.1.4PM2.5中OC、EC组成

PM2.5中OC+EC的总占比范围为15.4%~61.0%。

对于轧钢环节，OC/EC的比值小于2，对于烧结、初炼、精炼环节，OC/EC的比值大于2，说明OC可能存在二次生成。

对于烧结环节，较高的OC/EC比值表明脱硫过程中发生了剧烈的氧化还原反应，生成大量的二次有机组分（SOC），这也是造成烧结机头颗粒物组分中OC浓度较高的主要原因之一。

3.1.5钢铁行业PM2.5源谱

通过查询文献及其他资料，构建钢铁行业PM2.5源谱如下：

表3-2钢铁行业各工艺PM2.5源谱（％）

物种

烧结

初炼

精炼

轧钢

Al

1.112±0.829

0.495±0.250

0.144±0.003

0.559±0.407

As

ND

ND

ND

0.016±0.022

Ba

ND

ND

ND

0.000±0.000

Be

ND

ND

ND

0.000±0.000

Ca

5.000±3.698

2.277±0.693

0.999±0.177

2.747±1.610

Cd

0.001±0.001

ND

0.001±0.001

0.016±0.027

Co

0.002±0.001

0.000±0.001

0.000±0.000

0.002±0.002

Cr

0.078±0.035

0.040±0.011

0.008±0.000

0.123±0.189

Cu

0.012±0.004

0.010±0.004

0.065±0.018

0.122±0.142

Fe

1.194±0.267

0.661±0.378

0.848±0.052

4.652±7.882

Hg

0.002±0.001

0.023±0.045

ND

0.001±0.001

续表3-2

物种

烧结

初炼

精炼

轧钢

K

15.240±15.553

ND

ND

2.376±2.235

Mg

0.958±0.444

0.836±0.309

0.185±0.031

0.845±0.317

Mn

0.136±0.276

0.021±0.020

0.025±0.007

0.040±0.032

Na

30.727±23.717

1.6