霧霾形成的關鍵因素之一 ---顆粒物
霧霾成因極為復雜, 我國當前的霧霾屬于復合型污染。其中既包括燃料燃燒過程中形成的煙塵飛灰、各種工業生產產生的微粒、汽車排放的碳煙顆粒物等一次顆粒物,還包含硫氧化物、氮氧化物、揮發性有機物等氣態物質通過“氣粒轉化”過程形成的二次顆粒物。在穩定的大氣環境下,顆粒物吸水會形成霧滴,降低能見度,影響太陽輻射,改變區域氣候環境,威脅人類身體健康。京津冀地區經濟發展迅速,污染企業較多。尤其是河北地區,經濟發展模式粗獷,污染源面積較大。
從單純技術成分分析,構成霧霾的主要性狀物是氣溶膠,是由固體或液體小顆粒分散并懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系。對于大氣來講,大量干燥的氣溶膠粒子均勻地懸浮在空中,會降低大氣能見度。當水平能見度低于10公里時,就可將此時的大氣混濁狀態稱為霾。然而,干燥的氣溶膠粒子還會吸收大氣中的水蒸氣,使其粒徑增大,生成云凝結核,形成細小的云霧滴。這樣一來會進一步降低大氣能見度,當能見度低于1公里時,就將這種現象定義為霧霾。當前,我國頻發的區域性能見度低于10公里的空氣普遍渾濁現象就稱為霧霾天氣。
由上可知,大氣中的干氣溶膠粒子形成霾,吸水之后形成霧霾。在工業化排放為較弱時,氣溶膠粒子主要來源于自然排放。近年來隨著經濟與社會的發展，人類向大氣中排放了大量的氣溶膠粒子,大面積霧霾天氣開始形成。此外,對氣溶膠單粒子的分析發現:華北地區7%的氣溶膠與2-3種其他來源氣溶膠混合，同時顆粒表面發生的異相化學反應使大量有毒有害物質富集在氣溶膠顆粒表面對人體健康造成危害。霧霾形成后,會將更多的太陰射反射或散射回太空,降低地面獲得的太陽輻射量,增加大氣穩定度,造成一次和二次氣溶膠粒子的進一步積聚,使得霧霾難以散去。這進一步顯示了霧霾天氣的影響因素眾多,形成機理復雜,霧霾治理面臨巨大挑戰。
霧霾顆粒物基本分類
顆粒物的來源包含自然源和人為源。自然源主要包括揚塵海水飛沫而成的鹽粒、火山爆發的散落物以及森林燃燒的煙塵等。對城市來講,人為排放占主要地位。其中主要包括熱電廠煙氣、機動車尾氣、工業爐窯廢氣等。顆粒物還可分為一次顆粒物和二次顆粒物。人類活動直接向大氣排放的顆粒為一次顆粒物。而人為排放的污染氣體在大氣中通過物理化學過程生成的顆粒稱為二次顆粒物,懸浮在空氣中的顆粒物尺寸一般在納米到微米范圍內變化。顆粒的尺寸對于其物理化學特性影響較大。由于顆粒較小,其粒徑和密度難以測量,顆粒的特性難以統一比較,因此引入空氣動力學直徑的概念,以便比較顆粒的尺寸。
主要污染源顆粒物形成機理
大氣中二次顆粒物、燃煤電廠、機動車排放物、生物質燃燒和垃圾焚燒過程中顆粒物的形成雖具有不同的表現形式,但其技術機理相同。尺寸較小的顆粒主要是通過包含成核、凝結和聚并作用的“氣粒轉化”過程生成的,而尺寸較大的顆粒主要來源于化石燃料燃燒過程中形成的飛灰或者機動車燃油產生的碳煙顆粒。這些排放源產生的顆粒物,具有較好的傳輸特性,在穩定的大氣條件下非常容易積聚混合,形成霧霾天氣
電廠燃煤排放顆粒物
大氣中的顆粒物除了前面提到的二次氣溶膠顆粒物以外,還包括污染源直接排放到環境中的一次顆粒。目前針對霧霾的成因,多數研究顯示,燃煤電廠是顆粒物的排放大戶。且其產生的污染氣體,如SO2和NO2還會誘導二次顆粒物的形成。因此了解燃煤電廠顆粒物的形成機理對于減少顆粒物排放、合理制定減排措燃煤產生的顆粒物粒徑范圍跨度很大,最小為納米級別,最大可以達到100um左右。
機動車排放
機動車排放顆粒物
盡管各種研究機構對于機動車排放顆粒是否為主要的污染源存在爭議,但是在遠離工業排放源的地區,機動車排放依然是顆粒物的主要來源。
車輛排放顆粒物的形成
研究表明,由柴油發動機排放的顆粒物,在進入大氣后的一段時間內,其狀態會發生連續變化,主要是因為在排氣管內顆粒發生凝并和吸附作用,同時尾氣中的可凝結有機物與無機蒸汽會在顆粒表面凝結,從而改變顆粒的尺寸分布,這些可凝結蒸汽的濃度變化會受到大氣稀釋和老化作用的影響,在大氣老化作用中,存在多個過程可以改變顆粒的尺寸分布,包括均相成核、二元均相成核和聚并作用。均相成核過程是指在達到過飽和狀態的蒸汽區域自發地形成凝結核與納米顆粒的過程,二元均相成核與均相成核作用類似,只不過此時存在凝結核,從而降低了成核所需的過飽和度。當熱煙氣排放到大氣后,受到大氣稀釋作用的影響,煙氣中的揮發性蒸汽分壓降低,而這些蒸汽的壓力是溫度的函數,此時溫度也會隨著稀釋作用降低,溫度與蒸汽壓力之間的關系是非線性的,因而在一定的稀釋水平下,蒸汽的飽和度會達到最大值。對于尾氣中的有機部分,在蒸汽的稀釋比處于5:1和50:1之間時,其飽和度達到最大值,但是該值一般不足以使有機蒸汽發生成核作用。然而在10：1和50:1的稀釋比之間,硫酸蒸汽卻能夠發生成核作用。
排放的顆粒濃度與車輛運行狀況的關系
除了大氣的稀釋和老化作用外,機動車的運行工況對于顆粒的濃度與粒徑分布的影響也十分明顯。一般而言,重型柴油車尾氣顆粒物排放與車輛的瞬態運行工況有密切關系,如柴油車在快加速時常常能用肉眼觀察到尾氣管冒黑煙的現象。郝吉明等利用重型車排放車載試驗系統,對柴油貨車和公交車開展的實際道路排放測試顯示:柴油車尾氣的PM2粒數濃度和質量濃度與車速的瞬態響應關系比較顯著。
生物質燃燒形成顆粒的機理
一般所講的“生物質”是指利用大氣、光、水和土地等通過光合作用生成的有機物中除去化石燃料的那部分有機物。其主要組成包含林木廢棄物(木塊、木片、木屑、樹枝等)、農業廢棄物、水生植物、油料植物、有機物加工廢料、人畜糞便和城市生活垃圾等。生物質含量巨大,是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源,占世界能源消費總量的14%。目前接近一半的世界人口都在使用生物質作為能源。其中多數用于采暖和炊事做飯。中國是一個農業大國,約80%的人口以農業為主,生物質燃料在農村能源構成中占有比較重要的位置。生物質主要由纖維素、半纖維素、木質素組成。燃燒時纖維素、半纖維素和木質素首先放出揮發性物質,最后轉變成炭。生物質的燃燒方式可以分為兩大類:開放式燃燒和受限燃燒,其中農作物秸稈露天燃燒以及森林大火和草原大火都屬于開放式燃燒,而受限燃燒則指在家庭和工業中利用各種燃燒設備燃燒物質。世界范圍內,農作物秸稈燃燒幾乎占生物質燃燒的20%左右,是生物質燃燒的重要組成部分。
垃圾焚燒排放
隨著經濟社會的快速發展,垃圾的排放量急劇增大,嚴重影響了人類生存環境和城市持續發展。當前,我國城市垃圾年產量已達1.4億噸以上,且仍以每年8%-10%的速度增長。城市生活垃圾存量約為60億噸,全國已有200多個城市被垃圾包圍。處理城市垃圾的主要方法有填埋法、堆肥法、分類處理法、焚燒法等,其中垃圾的焚燒處理方法可使垃圾高溫滅菌達到無害化。針對目前日益緊缺的城市用地,焚燒后的垃圾容積降低大約90%,大大縮減了垃圾的占有空間;同時,垃圾焚燒余熱還可供熱、發電,實現資源再利用。因此垃圾的焚燒處理不僅可以保護環境,還能充分利用資源,是垃圾處理發展的必然趨勢。
垃圾的組成成分與煙氣中污染物的成分
垃圾燃料的組成成分復雜、含量變化大。主要受到城市發達程度、燃料結構生活水平、飲食習慣、市場物資供應以及季節變化的影響。目前采用的垃圾焚燒系統主要由垃圾儲存焚燒余熱鍋爐供熱發電、煙氣凈化處理、排煙等部分組成。其中,垃圾焚燒和煙氣凈化處理是兩個重要的環節,這兩個環節處理的情況會直接影響垃圾焚燒煙氣各部分的形成及其含量變化。生活垃圾焚燒過程中,在高溫熱分解和氧化的作用下,可燃物及其產物的體積和粒度減小。而不可燃物大部分滯留在焚燒爐爐排上以爐渣的形式排出,質量較輕的顆粒物在氣流機械攜帶和熱涌力的作用下,與焚燒爐產生的高溫氣體一起在爐膛內上升,經過與鍋爐的熱交換后從鍋爐出口排出,形成含有顆粒物即飛灰的煙氣流。在輸運的過程中,顆粒物會與周圍的蒸汽發生異相凝結,顆粒之間會發生聚并作用從而改變顆粒的粒徑分布狀態。產生的顆粒一般呈灰白色或深灰色。顆粒形態多樣,其中以不規則形狀聚合體居多。