雾霾形成的关键因素之一 ---颗粒物
雾霾成因极为复杂, 我国当前的雾霾属于复合型污染。其中既包括燃料燃烧过程中形成的烟尘飞灰、各种工业生产产生的微粒、汽车排放的碳烟颗粒物等一次颗粒物,还包含硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机物等气态物质通过“气粒转化”过程形成的二次颗粒物。在稳定的大气环境下,颗粒物吸水会形成雾滴,降低能见度,影响太阳辐射,改变区域气候环境,威胁人类身体健康。京津冀地区经济发展迅速,污染企业较多。尤其是河北地区,经济发展模式粗犷,污染源面积较大。
从单纯技术成分分析,构成雾霾的主要性状物是气溶胶,是由固体或液体小颗粒分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系。对于大气来讲,大量干燥的气溶胶粒子均匀地悬浮在空中,会降低大气能见度。当水平能见度低于10公里时,就可将此时的大气混浊状态称为霾。然而,干燥的气溶胶粒子还会吸收大气中的水蒸气,使其粒径增大,生成云凝结核,形成细小的云雾滴。这样一来会进一步降低大气能见度,当能见度低于1公里时,就将这种现象定义为雾霾。当前,我国频发的区域性能见度低于10公里的空气普遍浑浊现象就称为雾霾天气。
由上可知,大气中的干气溶胶粒子形成霾,吸水之后形成雾霾。在工业化排放为较弱时,气溶胶粒子主要来源于自然排放。近年来随着经济与社会的发展，人类向大气中排放了大量的气溶胶粒子,大面积雾霾天气开始形成。此外,对气溶胶单粒子的分析发现:华北地区7%的气溶胶与2-3种其他来源气溶胶混合，同时颗粒表面发生的异相化学反应使大量有毒有害物质富集在气溶胶颗粒表面对人体健康造成危害。雾霾形成后,会将更多的太阴射反射或散射回太空,降低地面获得的太阳辐射量,增加大气稳定度,造成一次和二次气溶胶粒子的进一步积聚,使得雾霾难以散去。这进一步显示了雾霾天气的影响因素众多,形成机理复杂,雾霾治理面临巨大挑战。
雾霾颗粒物基本分类
颗粒物的来源包含自然源和人为源。自然源主要包括扬尘海水飞沫而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等。对城市来讲,人为排放占主要地位。其中主要包括热电厂烟气、机动车尾气、工业炉窑废气等。颗粒物还可分为一次颗粒物和二次颗粒物。人类活动直接向大气排放的颗粒为一次颗粒物。而人为排放的污染气体在大气中通过物理化学过程生成的颗粒称为二次颗粒物,悬浮在空气中的颗粒物尺寸一般在纳米到微米范围内变化。颗粒的尺寸对于其物理化学特性影响较大。由于颗粒较小,其粒径和密度难以测量,颗粒的特性难以统一比较,因此引入空气动力学直径的概念,以便比较颗粒的尺寸。
主要污染源颗粒物形成机理
大气中二次颗粒物、燃煤电厂、机动车排放物、生物质燃烧和垃圾焚烧过程中颗粒物的形成虽具有不同的表现形式,但其技术机理相同。尺寸较小的颗粒主要是通过包含成核、凝结和聚并作用的“气粒转化”过程生成的,而尺寸较大的颗粒主要来源于化石燃料燃烧过程中形成的飞灰或者机动车燃油产生的碳烟颗粒。这些排放源产生的颗粒物,具有较好的传输特性,在稳定的大气条件下非常容易积聚混合,形成雾霾天气
电厂燃煤排放颗粒物
大气中的颗粒物除了前面提到的二次气溶胶颗粒物以外,还包括污染源直接排放到环境中的一次颗粒。目前针对雾霾的成因,多数研究显示,燃煤电厂是颗粒物的排放大户。且其产生的污染气体,如SO2和NO2还会诱导二次颗粒物的形成。因此了解燃煤电厂颗粒物的形成机理对于减少颗粒物排放、合理制定减排措燃煤产生的颗粒物粒径范围跨度很大,最小为纳米级别,最大可以达到100um左右。
机动车排放
机动车排放颗粒物
尽管各种研究机构对于机动车排放颗粒是否为主要的污染源存在争议,但是在远离工业排放源的地区,机动车排放依然是颗粒物的主要来源。
车辆排放颗粒物的形成
研究表明,由柴油发动机排放的颗粒物,在进入大气后的一段时间内,其状态会发生连续变化,主要是因为在排气管内颗粒发生凝并和吸附作用,同时尾气中的可凝结有机物与无机蒸汽会在颗粒表面凝结,从而改变颗粒的尺寸分布,这些可凝结蒸汽的浓度变化会受到大气稀释和老化作用的影响,在大气老化作用中,存在多个过程可以改变颗粒的尺寸分布,包括均相成核、二元均相成核和聚并作用。均相成核过程是指在达到过饱和状态的蒸汽区域自发地形成凝结核与纳米颗粒的过程,二元均相成核与均相成核作用类似,只不过此时存在凝结核,从而降低了成核所需的过饱和度。当热烟气排放到大气后,受到大气稀释作用的影响,烟气中的挥发性蒸汽分压降低,而这些蒸汽的压力是温度的函数,此时温度也会随着稀释作用降低,温度与蒸汽压力之间的关系是非线性的,因而在一定的稀释水平下,蒸汽的饱和度会达到最大值。对于尾气中的有机部分,在蒸汽的稀释比处于5:1和50:1之间时,其饱和度达到最大值,但是该值一般不足以使有机蒸汽发生成核作用。然而在10：1和50:1的稀释比之间,硫酸蒸汽却能够发生成核作用。
排放的颗粒浓度与车辆运行状况的关系
除了大气的稀释和老化作用外,机动车的运行工况对于颗粒的浓度与粒径分布的影响也十分明显。一般而言,重型柴油车尾气颗粒物排放与车辆的瞬态运行工况有密切关系,如柴油车在快加速时常常能用肉眼观察到尾气管冒黑烟的现象。郝吉明等利用重型车排放车载试验系统,对柴油货车和公交车开展的实际道路排放测试显示:柴油车尾气的PM2粒数浓度和质量浓度与车速的瞬态响应关系比较显著。
生物质燃烧形成颗粒的机理
一般所讲的“生物质”是指利用大气、光、水和土地等通过光合作用生成的有机物中除去化石燃料的那部分有机物。其主要组成包含林木废弃物(木块、木片、木屑、树枝等)、农业废弃物、水生植物、油料植物、有机物加工废料、人畜粪便和城市生活垃圾等。生物质含量巨大,是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源,占世界能源消费总量的14%。目前接近一半的世界人口都在使用生物质作为能源。其中多数用于采暖和炊事做饭。中国是一个农业大国,约80%的人口以农业为主,生物质燃料在农村能源构成中占有比较重要的位置。生物质主要由纤维素、半纤维素、木质素组成。燃烧时纤维素、半纤维素和木质素首先放出挥发性物质,最后转变成炭。生物质的燃烧方式可以分为两大类:开放式燃烧和受限燃烧,其中农作物秸秆露天燃烧以及森林大火和草原大火都属于开放式燃烧,而受限燃烧则指在家庭和工业中利用各种燃烧设备燃烧物质。世界范围内,农作物秸秆燃烧几乎占生物质燃烧的20%左右,是生物质燃烧的重要组成部分。
垃圾焚烧排放
随着经济社会的快速发展,垃圾的排放量急剧增大,严重影响了人类生存环境和城市持续发展。当前,我国城市垃圾年产量已达1.4亿吨以上,且仍以每年8%-10%的速度增长。城市生活垃圾存量约为60亿吨,全国已有200多个城市被垃圾包围。处理城市垃圾的主要方法有填埋法、堆肥法、分类处理法、焚烧法等,其中垃圾的焚烧处理方法可使垃圾高温灭菌达到无害化。针对目前日益紧缺的城市用地,焚烧后的垃圾容积降低大约90%,大大缩减了垃圾的占有空间;同时,垃圾焚烧余热还可供热、发电,实现资源再利用。因此垃圾的焚烧处理不仅可以保护环境,还能充分利用资源,是垃圾处理发展的必然趋势。
垃圾的组成成分与烟气中污染物的成分
垃圾燃料的组成成分复杂、含量变化大。主要受到城市发达程度、燃料结构生活水平、饮食习惯、市场物资供应以及季节变化的影响。目前采用的垃圾焚烧系统主要由垃圾储存焚烧余热锅炉供热发电、烟气净化处理、排烟等部分组成。其中,垃圾焚烧和烟气净化处理是两个重要的环节,这两个环节处理的情况会直接影响垃圾焚烧烟气各部分的形成及其含量变化。生活垃圾焚烧过程中,在高温热分解和氧化的作用下,可燃物及其产物的体积和粒度减小。而不可燃物大部分滞留在焚烧炉炉排上以炉渣的形式排出,质量较轻的颗粒物在气流机械携带和热涌力的作用下,与焚烧炉产生的高温气体一起在炉膛内上升,经过与锅炉的热交换后从锅炉出口排出,形成含有颗粒物即飞灰的烟气流。在输运的过程中,颗粒物会与周围的蒸汽发生异相凝结,颗粒之间会发生聚并作用从而改变颗粒的粒径分布状态。产生的颗粒一般呈灰白色或深灰色。颗粒形态多样,其中以不规则形状聚合体居多。