农林生物质燃烧排放的大气颗粒物化学组分研究

发布时间：2016-08-23 07:17

第一章 绪论

1.1 生物质概述
生物质是指除化石燃料外的所有来源于动、植物能够再生的有机物，在广义上，生物质是指所有的植物、微生物以及以植物和微生物为食物的动物及其排泄物。主要包括木材（木条、木块和树枝等）、农作物秸秆、水生植物（藻类）、油料植物等有机物的加工废料、人畜粪便和日常生活垃圾等[1]。自然界的生物质种类繁多，形式多样。根据其来源的不同，可以将其分为农作物秸秆、森林和草原植被、人畜粪便、水生植物，能源植物以及生活垃圾六部分。生物质的种类不同，组成成分也有很大差异。植物类生物质主要由木质素、纤维素和半纤维素三部分构成，但这三部分在生物质中的分布和组成因生物质的产地、生长周期和类型的不同而略有差异。三者的主要成分均为碳水化合物。纤维素是由生物质自身D-葡萄糖以β-1,4 糖苷键组成的大分子多糖，不溶于水及有机溶剂，是植物细胞壁的主要组成成分，它是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的 50%以上。半纤维素是由木糖、阿拉伯糖、甘蔗糖和半乳糖等几种不同类型的五碳糖和六碳糖聚合而成的多糖混合物，半纤维素主要可以分为聚木糖类、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露糖类三类，它是植物中仅次于纤维素的成分。木质素是一种广泛存在于植物体中的无定型、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物，它是植物细胞壁的主要成分，约占木本植物的 25%。
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1.2 生物质燃烧的现状
生物质是所有能源中地位仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，全球大约 14%的能源需求通过生物质能源获得，发展中国家更是高达 35%[6]。有关研究表明，生物质的利用方式有很多，通过燃烧被利用的生物质高达 90%，燃烧被证实是生物质实现商业化的最有效途径[7]。中国是一个农业大国，具有丰富多样的生物质资源，据测算我国生物质总燃烧量高达约为 450MT/a[8]，年均秸秆产量约 6 亿吨[9]。长期以来，生物质能源一直是我国的主要能源之一，尤其是改革开放以前，由于生产力的落后，生物质能源占整个农村能源消费的 70%以上。特别是东北、华北和西北地区的广大农村，在寒冷季节，生物质燃料是农村地区炊事和家用取暖的主要能源。虽然随着经济的不断发展以及煤炭、天然气和液化石油气等的不断普及，逐渐取代了部分生物质能源在农民生活中这种不可或缺的地位，一些农村地区不再将农作物秸秆和木材作为生活的主要燃料，，但是由于废弃的秸秆没有更好的处置办法，农民们便采用在收获季节或耕种季节在农田里集中燃烧秸秆或杂草，以便达到节省劳力、直接提供肥力和除去病虫害的目的。并且随着近年来社会生产力的不断发展，农民生产的不断扩大，生物质秸秆的量也在不断增加，秸秆露天焚烧的现象反而愈演愈烈。
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第二章 样品的采集与分析

2.1 样品的采集

农忙秋收季节是生物质秸秆大量产生的时间，小米，豆类，玉米均为一年生草本植物，因此小米秆、豆秆、玉米秆均在秋收季节采样；树叶和草叶在冬季枯萎凋零，因此选择在冬季采样；小麦成熟季节为夏季，因此，麦秆采样选择在夏季。本研究采用武汉天虹 TH-150C 型中流量大气综合采样仪进行颗粒物采集，其主要参数为：（1）中流量环境空气采样器，流量为 100L/min。（2）切割头粒径：10 微米。采样方法：收集吕梁和晋城常见的小米秆、豆秆、玉米秆、麦秆、树叶和草叶 6 种农林生物质各 0.7kg 左右，在自然条件下风干，临燃烧前除去其中杂物，选择体积为 80m3左右的房间进行实验模拟，焚烧时，取各种生物质 0.5kg，自然堆放在一张铁盘上点燃，用一台中流量大气颗粒物采样器（TH-150C 型）采集排放到室内空气中的颗粒物。采样时，采样器距离火堆 2m，距地面 1.2m。点燃生物质前，对空白膜采样，以获得环境空气中各组分的本底值，采样期间保持门窗关闭，以减少烟尘扩散。每种生物质燃烧连续采样 2 次，每次采样 4 个，并设空白对照样品。

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2.2 滤膜的选择
本研究选择无机石英滤膜进行碳元素、离子组分的测定，选择聚丙烯膜进行元素的测定。图 2-1 为石英滤膜。图 2-2 为有机滤膜。实验室对滤膜有严格的要求，在使用前，必须将滤膜放入设置好温度的烘箱或马弗炉内进行一定时间的高温烘烤或灼烧，除去其中的挥发分和水分，减小对实验结果的影响。但是对于石英膜究竟烘烤或灼烧到多少度能够既不会对其结构造成破坏，又能将其影响实验结果的水分和挥发分全部去掉，还无法明确知道，因此在采样前，对采样滤膜做了如下实验：（1）石英滤膜烘烤实验：取 3 张相同石英滤膜，并编号 1#、2#和 3#，做平行对照实验，称量后放入马弗炉进行灼烧，调节马弗炉温度，温度每升高 100℃，取出滤膜称量一次重量，实验记录结果如表 2-1。实验结果表明，从室温升高到 500℃的过程中，滤膜的重量减少了 1.6%，从 500℃升高到 900℃，滤膜重量减少了 1.7%，温度升高到 900℃以后，滤膜内部结构遭到破坏，因此本研究对滤膜的烘烤控制在 400℃-500℃范围内，烘烤时间为 2h。
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第三章 农林生物质燃烧尘中碳组分分析.......23
3.1 农林生物质燃烧尘中碳组分的分布特征.....23
3.2 农林生物质燃烧尘中的 OC/EC..... 24
3.3 农林生物质燃烧尘中 OC 与 EC 的相关性分析..........25
3.4 本章小结....25
第四章 农林生物质燃烧尘中水溶性无机离子分析......27
4.1 农林生物质燃烧尘中水溶性无机离子的分布特征.... 27
4.2 K+的主要结合方式...........32
4.3 本章小结....34
第五章 农林生物质燃烧尘中无机元素的分析........ 35
5.1 农林生物质燃烧尘中无机元素的分布特征.........35
5.2 4 种主要无机元素在各源尘中的对比分析..........37
5.3 生物质燃烧尘中化学组分的比较..........38
5.4 本章小结....40

第五章 农林生物质燃烧尘中无机元素的分析

5.1 农林生物质燃烧尘中无机元素的分布特征
麦秆、豆秆和玉米秆 3 种生物质燃烧尘中，K、Na、Mg、Ca、Al、Cd、Ti、V、Cr、Ni、Cu、Zn、Fe、Mn、As、Pb、Co 等 17 中无机元素之和占颗粒物总量的百分含量分别为 0.378%、0.525%和 1.397%。因此无机元素不是农业生物质中的重要组成成分。K、Ca、Na和 Mg 是 3 种农业生物质燃烧尘中含量最大的 4 种无机元素，4 者之和占所测定元素含量的百分比分别为 88.6%、92.1%和 88.1%。其中，K 的含量最大，占总元素含量的 62.8%、60.2%和 61.4%。大气颗粒物的来源不同，化学组分也存在很大差异。目前已知的大气颗粒物来源主要有机动车尾气尘、煤烟尘、土壤风沙尘、道路尘和城市扬尘等，通过对各种尘中主要颗粒物的百分含量进行对比，可以对颗粒物的来源进行初步判断。表 5-1 为本研究中 K、Ca、Na 和 Mg4 种主要元素与其它研究的比较。结果表明，本研究中 K 的百分含量低于姬亚琴[67]、张腾[68]、王毓秀[69-70]等的研究中土壤风沙尘、城市扬尘、道路尘、煤烟尘和建筑水泥尘中 K 的百分含量，高于黄嫣旻[71]、唐艳荣[72]的研究中城市烟尘和道路尘中 K的百分含量，也高于张腾等的研究中机动车尾气尘中 K 的百分含量；Na 的百分含量低于姬亚琴[67]和张腾[68]等的研究中土壤风沙尘、城市扬尘、道路尘、建筑水泥尘和机动车尾气尘中 Na 的百分含量,略高于王毓秀、黄嫣旻、唐艳荣的研究中道路尘和城市扬尘中Na 的百分含量，与张腾的研究中煤烟尘中 Na 的百分含量接近；Ca 和 Mg 的百分含量与黄嫣旻和唐艳荣的研究中道路尘和城市扬尘中 Ca 和 Mg 的百分含量接近。均低于其它研究。
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结论

本研究收集了山西省吕梁和晋城的小米秆、豆秆、玉米秆、麦秆、树叶和草叶 6 种典型农林生物质，进行了燃烧模拟实验，采集了燃烧烟尘，对其中的碳组分和水溶性无机离子的分布特征进行了分析，得出以下结论：
（1）6 种农林生物质燃烧尘中，TC 在颗粒物中所占比例介 62.37-73.46%之间，碳组分是生物质燃烧尘的重要组成部分。其中树叶燃烧尘中碳组分的百分含量最大，占73.46%；其次是草叶燃烧尘，占 68.20%；小米秆、豆秆、玉米杆和麦秆 4 种生物质燃烧尘中，碳组分含量基本相近，约占 62.5%，略低于草叶燃烧尘。农林生物质燃烧尘中碳组分的含量明显高于煤烟尘、土壤风沙尘、建筑水泥尘和道路尘等源，但略低于机动车尾气尘。
（2）6 种农林生物质燃烧尘中 K+、Na+ 、Ca2+、Mg2+、NH4+、F-、Cl-、SO42- 和NO3-等 9 种水溶性无机离子之和所占比例分别为 20.19%、18.22%、23.28%、21.83%、24.12%和 22.47%，水溶性无机离子是农林生物质燃烧尘的重要组成部分，其中 SO42-、K+、Cl-、F-是农林生物质燃烧尘中最主要的四种水溶性无机离子，占 9 种离子的86.11%-88.14%。
（3）农林生物质燃烧排放颗粒物中阴阳离子当量百分比比值均小于 1，且阳离子当量质量百分比小于阴离子当量质量百分比，颗粒显酸性；K+和 Cl-的相关性明显优于 K+与 SO42-和 K+与 F-的相关性，K+主要以 KCl 的形式存在。
（4）小米秆、豆秆、玉米秆、麦秆、树叶和草叶 6 种农林生物质燃烧尘中，K+/OC分别为 0.16、0.14,、0.17、0.16、0.11 和 0.12，K+/OC 介于 0.11-0.17，该值可初步作为判定生物质尘的一个重要指标。
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参考文献(略)

本文编号：100779