煤燃烧有机颗粒物的在线测量及特征研究
发布时间：2020-10-11 13:45
大气颗粒物对人体健康、空气质量和全球气候有着显著影响。煤燃烧是我国大气颗粒物的主要来源之一,而有机物是颗粒物的主要成分。研究煤燃烧有机颗粒物有助于解析大气颗粒物的来源和控制煤燃烧颗粒物的排放。由于测量仪器的限制,目前对煤燃烧有机颗粒物源谱特征的认识仍存在不足。论文研发了一种颗粒物有机化学组分在线测量仪器,利用在线热脱附、气相色谱-质谱联用分析方法对颗粒物中的有机组分进行分子水平的连续测量。利用30种有机物质混合标样对其进行标定,主要组分标定曲线线性良好(相关系数r0.9),测量结果重复性良好(相对标准偏差50%)。结合其他颗粒物理化特征测量仪器,构建了一套适用于煤燃烧研究的颗粒物在线测量系统,用于分析有机颗粒物的高时间分辨率、高化学分辨率变化特征。利用该系统,研究了民用煤燃烧和煤粉炉燃烧过程有机颗粒物排放特征。论文发现民用煤燃烧全过程排放的有机颗粒物呈现很强的阶段性特征。根据燃烧温度、颗粒物浓度、粒径分布、有机物氧化特征等特点,民用煤燃烧全过程可分为点火、剧烈燃烧、稳定燃烧和燃尽四个阶段。点火阶段排放的有机颗粒物以氧化程度低的碳氢类有机物为主,是民用煤有机颗粒物排放的主要阶段,占有机颗粒物总排放量的58~85%。剧烈燃烧和稳定燃烧这两个相对燃烧充分的阶段排放的有机颗粒物呈现出较高的氧化性,以质荷比(m/z)为44和73的离子碎片为主,不同于传统的一次有机颗粒物以氧化程度低的碳氢碎片为主的认识。民用煤燃烧及煤粉炉燃烧结果均表明,不完全燃烧条件下有机颗粒物中含有大量多环芳烃类物质,而高温完全燃烧条件下有机颗粒物中含有一定量的硅氧烷类物质。论文提出了煤燃烧中硅氧烷可能的形成机制:无机硅类组分在高温条件下通过一系列反应过程形成氯硅烷,氯硅烷再通过水解、缩合反应等过程最终形成链状或环状硅氧烷类物质。这些硅氧烷类物质是有机颗粒物质谱图中m/z 73离子碎片的主要来源。传统的基于质谱分析数据和正定矩阵因子分解的颗粒物源解析方法中,将m/z 73离子碎片峰归为生物质燃烧特征峰,这很可能会引起源解析结果的偏差。为解决这一问题,可利用m/z 60和73两种离子碎片的相对比例来对生物质燃烧和煤燃烧排放的有机颗粒物进行区分。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X513
【部分图文】：
第 1 章 绪论（SecondaryOrganicAerosol，SOA），POA 指各类源直接排放的有机颗粒物，例如燃烧活动、生物活动、森林火灾等；SOA 是由 POA 或挥发性有机物（VolatileOrganic Compound，VOC）在大气中通过多反应途径形成的有机颗粒物[11]。大气复杂的化学反应过程会进一步增加 SOA 的复杂性：SOA、POA 来源复杂，在大气物理化学过程中，这些不同来源的颗粒物无时无刻不在发生着复杂多样且相互影响的变化过程，例如氧化、均相、非均相反应、化学键的断裂、重组、气-粒分配、云物理变化等，因而 SOA、POA 的组成和性质会在整个气溶胶生命周期内动态变化[18-21]。
图 1-2 中国主要城市 PM2.5来源解析结果[7]表 1-1 有机颗粒物来源类别 排放总量 Tg/yr一次有机颗粒物[4]生物质燃烧 44.6化石燃料燃烧 28.5自然源 7.8总量 81二次有机颗粒物前体物[23]α-蒎烯 50β-蒎烯 33桧烯和萜酮 20△3-蒈烯 6柠檬烯 33α-萜品烯和γ-萜品烯 1.4萜品油烯 2.9
7图 1-3 我国（a）及北京市（b）煤炭消费总量及民用煤消费量变化[46,48]因此，在燃烧条件和除尘设施的共同影响下，民用煤燃烧污染物的排放因于工业煤燃烧。Bond 等人[49]总结了不同燃烧源排放有机碳颗粒物排放因煤燃烧相关的结果如表 1-2 所示，可见民用煤燃烧有机颗粒物排放因子工业燃烧排放。以表中排放因子的平均值为参考，民用煤燃烧有机碳排放应工业煤燃烧排放因子的 10~20 倍以上。Zhang 等人[15]实测了国内典型烧和工业煤燃烧过程颗粒物的排放因子，如表 1-3 所示。其中，民用煤结煤燃烧有机碳排放因子最低（0.470g/kg），工业煤结果中褐煤燃烧有机碳最高（0.0171 g/kg），即使以这两项数据计算，民用煤燃烧有机碳排放因业煤燃烧排放因子的 20 倍以上。假设：1，民用煤燃烧一次有机碳排放因子是工业煤燃烧一次有机碳排放0 倍；2，我国煤炭消费中除民用煤外均按工业煤消费计算。结合我国 20
【参考文献】
本文编号：2836666
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X513
【部分图文】：
第 1 章 绪论（SecondaryOrganicAerosol，SOA），POA 指各类源直接排放的有机颗粒物，例如燃烧活动、生物活动、森林火灾等；SOA 是由 POA 或挥发性有机物（VolatileOrganic Compound，VOC）在大气中通过多反应途径形成的有机颗粒物[11]。大气复杂的化学反应过程会进一步增加 SOA 的复杂性：SOA、POA 来源复杂，在大气物理化学过程中，这些不同来源的颗粒物无时无刻不在发生着复杂多样且相互影响的变化过程，例如氧化、均相、非均相反应、化学键的断裂、重组、气-粒分配、云物理变化等，因而 SOA、POA 的组成和性质会在整个气溶胶生命周期内动态变化[18-21]。
图 1-2 中国主要城市 PM2.5来源解析结果[7]表 1-1 有机颗粒物来源类别 排放总量 Tg/yr一次有机颗粒物[4]生物质燃烧 44.6化石燃料燃烧 28.5自然源 7.8总量 81二次有机颗粒物前体物[23]α-蒎烯 50β-蒎烯 33桧烯和萜酮 20△3-蒈烯 6柠檬烯 33α-萜品烯和γ-萜品烯 1.4萜品油烯 2.9
7图 1-3 我国（a）及北京市（b）煤炭消费总量及民用煤消费量变化[46,48]因此，在燃烧条件和除尘设施的共同影响下，民用煤燃烧污染物的排放因于工业煤燃烧。Bond 等人[49]总结了不同燃烧源排放有机碳颗粒物排放因煤燃烧相关的结果如表 1-2 所示，可见民用煤燃烧有机颗粒物排放因子工业燃烧排放。以表中排放因子的平均值为参考，民用煤燃烧有机碳排放应工业煤燃烧排放因子的 10~20 倍以上。Zhang 等人[15]实测了国内典型烧和工业煤燃烧过程颗粒物的排放因子，如表 1-3 所示。其中，民用煤结煤燃烧有机碳排放因子最低（0.470g/kg），工业煤结果中褐煤燃烧有机碳最高（0.0171 g/kg），即使以这两项数据计算，民用煤燃烧有机碳排放因业煤燃烧排放因子的 20 倍以上。假设：1，民用煤燃烧一次有机碳排放因子是工业煤燃烧一次有机碳排放0 倍；2，我国煤炭消费中除民用煤外均按工业煤消费计算。结合我国 20
【参考文献】
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本文编号：2836666
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