中国农作物秸秆燃烧排放气态、颗粒态污染物排放特征的实验室模拟

发布时间：2020-05-13 11:05

【摘要】： 生物质燃烧排放的大量气溶胶(气体和颗粒物组分)，其对全球大气环境、全球气候系统及生态系统的改变都会产生重要的影响。中国是一个农业大国，农作物秸秆资源拥有量居世界首位。有研究表明在中国农作物秸秆燃烧对生物质燃烧排放的气态污染物、颗粒物污染物贡献最多。本论文针对农作物秸秆燃烧排放气溶胶已经成为我国区域环境和气候影响的重要因素，而且其对我国区域环境和气候的影响方式和影响程度还在不断的变化。很显然，目前要解决农作物秸秆燃烧排放的气溶胶所造成的区域环境效应和气候效应这一难题，，须从实验室模拟研究农作物秸秆燃烧排放气溶胶的排放特征开始。基于上述思路，我们自行设计建造了可以模拟农家灶台和田间露天燃烧的燃烧炉，借助于大型气溶胶烟雾箱和先进的表征测量系统手段，深入研究了中国三大主要农作物秸秆-水稻秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆-燃烧排放的气态污染物、新鲜颗粒物的排放特征以及排放的新鲜颗粒物的粒径分布特征和粒径成长特征，还分析考察了气体和颗粒物中的多环芳烃和烷基多环芳烃的排放特征。本论文主要包括三大主要部分。第一部分为通过对中国三大农作物秸秆-水稻、玉米和小麦秸秆-进行燃烧实验得到了燃烧排放的气态污染物(CO、CO_2、NO_x)的排放因子，排放比和燃烧效率。水稻、小麦和玉米秸秆在明火充分燃烧的条件下，气态污染物CO的排放因子分别为64.2，141.2和114.7 gkg~(-1)；CO_2排放因子分别为791.3，1557.9和1261.5 g kg~(-1)；NO_x排放因子分别为1.81，1.12和1.28 g kg~(-1)。水稻、小麦和玉米秸秆燃烧排放的CO相对于CO_2的排放比ER_(CO／CO2)分别为0.081，0.091和0.091，NO_x相对于CO_2的排放比ER_(NOx／CO2)分别为0.0019，0.0007和0.0010；水稻、小麦和玉米秸秆燃烧所得的改性燃烧效率MCE分别为0.93，0.92和0.92。并且研究确定了中国2004年三种农作物秸秆燃烧排放的气态污染物(CO、CO_2、NO_x)的排放清单和排放强度地理分布特征。中国2004年因三种农作物秸秆燃烧排放的气态污染物CO，CO_2和NO_x总量分别为2.3×10~7，2.5×10~8和2.8×10~5t左右。三种气态污染物(一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物)排放强度最高的省份分别是山东省、河南省和江苏省。第二部分为通过对中国三大农作物秸秆-水稻、玉米和小麦秸秆-进行燃烧实验得到了燃烧排放的颗粒物的粒径分布特征和粒径成长特征。农作物秸秆燃烧排放的颗粒物的粒径分布呈现出单峰对数正态拟合分布特征，小麦秸秆燃烧排放的颗粒物的初始个数浓度粒径峰值出现在47 nm附近，而水稻和玉米秸秆燃烧排放的颗粒物的初始个数浓度粒径峰值分别出现在102 nm，155 nm附近。在粒径成长过程中考察了粒径成长速率。在4小时老化过程中，水稻秸秆燃烧排放的颗粒物平均成长速率为40 nm h~(-1)，玉米秸秆燃烧排放的颗粒物平均成长速率为38 nm h~(-1)，小麦秸秆燃烧排放的颗粒物平均成长速率为26 nm h~(-1)。此外，还得到了三种农作物秸秆燃烧排放的颗粒物的数目排放因子和质量排放因子，水稻、小麦和玉米秸秆燃烧排放的颗粒物的数目排放因子分别为(1.64±0.1)×10~(13)，(1.4±0.1)×10~(13)和(1.74±0.1)×10~(13)particles kg~(-1)；质量排放因子分别为(2.64±0.5)×10~5，(1.1±0.3)×10~5和(3.9±0.6)×10~5μg kg~(-1)。研究确定了中国2004年三种农作物秸秆燃烧排放的新鲜颗粒物的排放清单和排放强地理分布特征。中国2004年由三种农作物秸秆(水稻、小麦和玉米秸秆)燃烧向大气排放的新鲜颗粒物的总量约1.3吨。排放强度最大的省份是山东省。第三部分为通过对中国三大农作物秸秆-水稻、玉米和小麦秸秆-进行燃烧实验分别得到了燃烧排放的气相中和颗粒物中的多环芳烃和烷基多环芳烃的排放因子，水稻秸秆、玉米秸秆和小麦秸秆燃烧排放的颗粒物中的多环芳烃(PAHs)的排放因子分别为1.64、0.93和0.72 mg kg~(-1)，烷基多环芳烃(APAHs)的排放因子分别为0.24、0.27和0.28 mg kg~(-1)；而水稻秸秆、玉米秸秆和小麦秸秆燃烧排放的气相中的多环芳烃(PAHs)的排放因子分别为3.62、0.81和0.65 mg kg~(-1)，烷基多环芳烃(APAHs)的排放因子分别为1.01、0.35、0.66 mg kg~(-1)。并结合所得的排放因子研究确定了中国2004年三种农作物秸秆燃烧排放的多环芳烃和烷基多环芳烃的排放清单和排放强度地理分布特征。中国2004年因三种农作物秸秆燃烧排放的多环芳烃(PAHs)及烷基多环芳烃(APAHs)的总量分别为1088吨和379吨。多环芳烃(PAHs)及烷基多环芳烃(APAHs)排放强度最高的省份是河南省、山东省和江苏省。以上三大部分研究内容是基于我国三种农作物秸秆燃烧的实际情况，分析考察了其燃烧排放的气态污染物、颗粒物和多环芳烃及烷基多环芳烃的排放特征。详细分析了气态污染物、颗粒物和多环芳烃及烷基多环芳烃的排放因子、排放清单及排放强度地理分布，同时还分析了燃烧排放的颗粒物的粒径分布特征，粒径成长特征。以便可以更好的揭示生物质燃烧源气溶胶的气候效应和环境效应，为研究区域气候模型设计和气候变化模拟提供基础数据，进一步为国家制定相关政策提供科学支撑，为国家的气候和环境外交提供科学依据。
【图文】：

气态污染物,颗粒物,实验装置

薄薄膜内壁壁壁 A儿目界 errr图2一1气态污染物和颗粒物采样实验装置本实验系统是由两部分组成(见图2一l):一部分是自行设计的燃烧炉，另一部分是复旦大学的4.5m3不锈钢气溶胶烟雾箱。燃烧炉构型是由两层圆柱形组成，侧面有观察窗，下面有空气进气口和气体缓冲区，最底面封底，并加装滚轮，上面是圆锥形盖子加硅胶密封圈，盖子顶端有气体出气孔:点火器采用焊炬加装电子打火装置，以丙烷气体为燃烧气;燃烧区以不锈钢钢网作支撑，在其上可以放置燃烧的秸秆。复旦大学校园内的气溶胶烟雾箱的外径2.0m，内径1.7m

环芳,实验装置,烟雾箱,颗粒物

个真空泵进行控制;此外，其他分析仪器分别通过气溶胶烟雾箱外接口进行连接。2.2多环芳烃及烷基多环芳烃采样实验装置系统本实验系统也是由部分组成(见图2一2):一部分是气泵和自行设计的燃烧炉，另一部分是采样部分。燃烧炉结构性质如上所述，气泵主要的作用是鼓入空气，进而维持流量计流量的稳定。采样部分主要由大气采样器、流量计和处于负压的气溶胶烟雾箱组成;大气采样器的内径为 25mm，可用于采集颗粒物，还可放置气体吸附剂;流量计用于监测流量，其最大量程为 100L/min。当气溶胶烟雾箱处于负压时，可作为采样器的抽气泵。整个实验装置系统密封，所有的烟气都可被收集，进而可以进行秸秆燃烧释放多环芳烃及烷基多环芳烃排放量的计算。图2一3说明了整个装置的工作流程。烟烟烟烟烟雾箱箱撼撼烧炉炉炉炉炉炉炉侧侧洛 .....{{{{{{{{{{{{{{图2一2多环芳烃和烷基多环芳烃实验装置动公动带动一动公排放的烟雾颖拉物气态P妞s和AP人Hs株膜采集被吸附剂采集采样完毕青一图2一3燃烧实验采样装置的工作流程2.3宽范围颗粒物分光仪(WPS)直径在3到ZOnm之间的颗粒物被称作“凝结核模态”气溶胶(某些研究中也被称作超细粒子模态)，再此模态中的颗粒物主要是由气态前体物的凝结和生长产生的。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X513

【引证文献】