CN114544857B - 一种获得民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种获得民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法，包括以下步骤：S1、制作调查问卷并汇总信息，用以对农村、城乡结合部和城中村的平房展开调查；汇总调查问卷信息并根据样本煤质分析结果和调查内容确定测量用样本和地点；S2、制定测量方案并实施测量；测量方案至少包括采样前准备、实施采样过程和采样后样本分析；S3、根据测量数据计算民用燃料大气污染物本地化排放因子；民用燃料包括民用散煤、秸秆和生物质成型燃料，民用燃料用途为冬季取暖和炊事。本发明提供的方法能够用以为建立秸秆、生物质和散煤燃烧源排放清单以及来源解析提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于大气环境监测技术领域，尤其涉及一种获得民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法。
背景技术
我国东北地区冬季低温持久，农村地区将散煤和秸秆作为主要的取暖燃料，给室外环境带来污染。为准确测试和评估燃烧过程排放的污染物，需要获得当地秸秆、散煤和生物质成型燃料燃烧排放大气污染物的排放因子。排放因子获取方式包括查阅《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南》(以下简称“指南”)，查阅文献中的研究数据和测量法。《指南》中的排放因子反映的是整个国家的型煤与原煤的排放水平，不能体现出地方尺度的排放特征。近年来，不同学者对民用燃料研究获取的排放因子也有所不同，各地区间存在着民用煤炉、燃烧方式的差异。因此，针对民用燃料使用情况，用当地的炉具进行研究和设计是至关重要的。
国内外对民用燃料燃烧排放污染物的研究多采用烟罩法和烟道采样法。烟罩法是在炉具上方或与炉具连接的烟囱上方设置烟尘罩，在管道风机的作用下，烟气与环境空气一同进入烟尘罩，采样管在稀释管段进行采样。而烟道采样法采样点在烟囱侧面，对气态污染物或颗粒物进行在线监测和离线采集。目前我国有关生物质、秸秆和散煤燃烧排放的研究仍然较少，尤其是针对中国东北区域，地方尺度民用燃料大气污染物排放因子的本地化缺乏合理评估。因此，亟需建立一种获得民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法，为建立秸秆、生物质和散煤燃烧源排放清单以及来源解析提供数据支撑。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种获取民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法，用以为建立秸秆、生物质和散煤燃烧源排放清单以及来源解析提供数据支撑。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种获得民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法，包括以下步骤：S1、制作调查问卷并汇总信息，用以对农村、城乡结合部和城中村的平房展开调查；汇总调查问卷信息并根据样本煤质分析结果和调查内容确定测量用样本和地点；
S2、制定测量方案并实施测量；
测量方案至少包括采样前准备、实施采样过程和采样后样本分析，获取污染物的排放浓度；
S3、根据测量数据计算民用燃料大气污染物本地化排放因子；
民用燃料包括民用散煤、秸秆和生物质成型燃料，民用燃料用途为冬季取暖和炊事；
民用燃料燃烧涉及的污染物类型包括：CO、SO2、NOx、VOCs和颗粒物。
优选地，S1中所述调查问卷内容至少包括：地点、采暖时间、供暖面积、煤炭年使用量、煤炭来源、秸秆年用量、用途和燃烧方式。
优选地，至少填写民用燃料的来源和类型、民用炉的类型、居民的燃烧方式信息；
其中，入户调查作为辅助方法。
优选地，将调查样本汇总后，根据煤质特征和燃烧方式选取合适地点进行试验，并提前搭建好试验作业平台。
优选地，户外测量作业，采取农村普遍燃烧方式；
采用农户自家使用的炉具和燃料。
优选地，选取农村的炉具包括但不局限于地炉、站炉、环保炉和生物质锅炉。
优选地，测量过程中，以燃烧状况分段测量数据，分为点燃阶段、旺火阶段和熄火阶段；
生物质锅炉每8分钟一次燃烧循环，记录全程燃烧时间和燃料使用量，按照每次循环的时间的燃烧量计算排放因子。
优选地，采用烟道采样法获取污染物排放浓度；
烟囱处加上引风机抽取烟气。
优选地，污染物排放浓度的测量仪器为自动烟尘气测试仪和便携式甲烷非甲烷总烃分析仪。
优选地，自动烟尘气测试仪用于测量SO2、NOx、CO、烟尘的浓度；
便携式甲烷非甲烷总烃分析仪用于测量VOCs浓度。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的一种获取民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法，具有以下有益效果：
本申请提供的方法能够用以为建立秸秆、生物质和散煤燃烧源排放清单以及来源解析提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明提供的一种获取民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法中实施例中的流程示意图；
图2为本发明提供的一种获取民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法的实施例中调查问卷图；
图3a为本发明提供的一种获取民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法的实施例中测量测试系统的结构示意图；
图3b为本发明提供的一种获取民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法的实施例中测量测试系统预测流速示意图；
图3c为本发明提供的一种获取民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法的实施例中测量测试系统含湿量测量示意图；
图3d为本发明提供的一种获取民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法的实施例中测量测试系统烟气浓度测量示意图。
【附图标记说明】
1：烟尘多功能取样管；2：烟温/含湿量信号线；3：测试仪主机；4：高效气水分离器；5：烟气含湿量温度检测器；6：电源线；7：烟气取样器；8：聚四氟乙烯管。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
如图1-图3d所示：本实施例中公开了一种获得民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法，包括以下步骤：
S1、制作调查问卷并汇总信息，用以对农村、城乡结合部和城中村的平房展开调查；汇总调查问卷信息并根据样本煤质分析结果和调查内容确定测量用样本和地点；
详细地，确定调查范围，以上一年为基准年，了解地方各级行政单位数量、人口数量、空气质量状况和经济发展状况，根据具体情况划分调查区域。设计调查问卷(见图2)，对调查区域展开实地调查，并收集煤样和其他燃料样品。将调查问卷归类汇总，总结燃煤类型、煤炉类型，以及燃煤方式。对采集的煤样进行煤质分析，结合煤炉类型确定测量地点。
S2、制定测量方案并实施测量；
测量方案至少包括采样前准备、实施采样过程和采样后样本分析，通过烟道采样法获取污染物的排放浓度。
具体地，所述采样前准备包括滤筒处理和称重，干燥剂装填，采样点位置选取，以及确定燃烧方式。
所述滤筒处理与称重，是先用铅笔将滤筒编号，在烘箱中烘烤一定时间，取出放在干燥器中冷却到室温。用天平称量，称量两次，前后间隔24小时，两次重量之差不超过0.5mg，放入专用容器中保存。
所述干燥剂的装填，是将高效汽水分离器底盖旋开，加入约3/4体积的具有充分干燥能力的变色硅胶(颗粒状)，然后将干燥筒旋紧，应保证不漏气。
所述采样点位置选取与大小，是优先选择垂直管段，设置在距弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径，距上述部件上游方向不少于3倍直径处。采样断面的气体速度最好在5m/s以上，采样孔距平台面约为1.2m～1.3m，采样孔的内径不少于80mm，取90～120mm。对于圆形烟道，对直径小于0.3m、流速分布比较均匀、对称小烟道，取烟道中心作为测点。
所述燃烧方式是请当地村民按照冬季燃烧的方式燃烧，燃烧过程分为点火、旺火和熄火阶段。生物质锅炉自动进料，每8分钟一次循环，在进料过程中无污染物排放，每个燃烧过程可多测量几次，全程记录数据并拍照。
所述采样过程，分为烟气采样和烟尘采样。采样系统见图3a，具体采样过程包括：
1、将采样头装入组合式采样管，烟尘采样管与洗涤瓶和干燥瓶连接，再与主机响应接嘴连接，皮托管与主机响应接嘴连接，固定；
2、点燃煤样：将煤块称重，记录煤样的重量和编号，用酒精块引燃；
3、预测流速：连接图见图3b，当测点的动压值基本稳定后，确认当前值和采样嘴的直径，将取样管从烟道中取出，放入空气中。
5、湿度测量：按图3c连接仪器，拧下检测器中的储水瓶，倒入1/2体积清水，装好使之不漏气，不能平放，一直处于垂直状态。将温度检测器水平放入烟道，用毛巾将烟道堵好。测量含湿量，当含湿量保持不变时，确认数值，将测试器拿出，堵好采样孔，将水倒掉，测试结束。
6、烟气测量：按图3d连接好仪器。按照烟气取样器——聚四氟乙烯管——分析仪主机连接线路，将取样器置于空气中，进行烟气校准，此时采样泵开始预校准，预校准几分钟后，观察读数。当氧气浓度接近21％基本不变，CO2数值接近0.03％。其他各种烟气浓度接近0且基本不变时，开始校准。将烟气取样器伸入烟道中，密封采样孔和烟气取样器的缝隙，确保不漏气。烟气测量采用连续模式，进入烟气测量状态，待数值稳定后计平均值。之后清洗测试仪，此时应将烟气取样器从烟道中取出，置于环境中。
7、烟尘测量：按照采样点将取样管做上相应的标记，按照烟气测量步骤将测量烟尘的数据填好，按照附图3b连接好仪器，去掉取样管的密封堵头，预测流速，选择合适的采样嘴。将采样嘴接入取样管，采样嘴的位置应与全压测孔同向并且平行。将滤筒接到取样管里，背对深入测孔，启动采样。
按照取样管上面的测点标识，由内而外逐点测量。保证采样嘴不要触碰到烟道内壁。将取样管采样口向上，用镊子轻敲取样管前端弯管，取下采样弯管，用毛刷轻轻将灰尘收集到滤筒内，取出滤筒后，封好口，放入专用的容器中保存。将采样嘴取下，放回专用的盒子中，并用堵头堵住取样管采样入口，皮托管套上保护套，防止碰坏。确认采样结果，记录数据，继续下一次采样。
多次采样结束后，用干净的空气对仪器的传感器、泵、采样枪、气路连接橡胶管进行清洗。清洗完毕，连接打印机，将数据及时打印出来，包括烟气数据和烟尘数据。
所述采样后样本分析，是将采样后的滤筒放入烘箱中在特定温度下烘烤一定时间，取出放入干燥器内，在恒温恒湿的天平室内冷却至室温，用天平称量至恒重。采样前后滤筒的质量差，即为采取的颗粒物量。
详细地，本实施例中的图3a、图3b、图3c、图3d中的1为烟尘多功能取样管，2为烟温/含湿量信号线，3为测试仪主机，4为高效气水分离器，5为烟气含湿量温度检测器，6、电源线，7、烟气取样器，8、聚四氟乙烯管。
S3、根据测量数据计算民用燃料大气污染物本地化排放因子；
民用燃料包括民用散煤、秸秆和生物质成型燃料，民用燃料用途为冬季取暖和炊事；
民用燃料燃烧涉及的污染物类型包括：CO、SO2、NOx、VOCs和颗粒物。
为准确计算排放因子，本发明将燃煤分为点燃、旺火和熄灭三个阶段分开计算，生物质燃料每8分钟一次循环，记录循环次数来计算排放因子，若以燃烧总时间计算，中间未燃烧阶段数据使总排放因子降低。
根据公式(1)计算样品燃烧排放的烟气流量：
工况下湿废气排放量：
Qs＝3600×F×Vs (I)
公式(1)中，Qs测量工况下湿排气的排放量，单位m3/h；F为管道测定断面面积，单位为m2；Vs管道测定断面湿排气的平均流速，单位为m/s。
根据公式(2)测量标准状态下干废气排放量：
公式(2)中，Q为标准状态下干排气量，单位m3/h；Ba大气压力，单位Pa；Ps排气静压，单位Pa；ts排气温度，单位℃；Xsw排气中水分含量体积百分数。
式(3)中，EFi是SO2、NOx、CO的排放系数，单位g/kg；Q为仪器测量的流量，单位m3/h；Ci为污染物的质量体积浓度，单位mg/m3；t为某阶段散煤燃烧时间，单位h；m燃料为从测量开始到测量结束燃料的消耗量，单位kg。
烟尘污染物浓度和排放系数计算：
式(4)中，Ci为烟尘浓度，单位mg/m3；m为样品所得烟尘颗粒物量，单位g；Vnd为标准状态下干采气体积，单位L。
求出Ci，按照公式3计算出颗粒物的排放系数。
本实施例中S1中所述调查问卷内容至少包括：地点、采暖时间、供暖面积、煤炭年使用量、煤炭来源、秸秆年用量、用途和燃烧方式。至少填写民用燃料的来源和类型、民用炉的类型、居民的燃烧方式信息；其中，入户调查作为辅助方法。
本实施例中将调查样本汇总后，根据煤质特征和燃烧方式选取合适地点进行试验，并提前搭建好试验作业平台。
本实施例中户外测量作业，采取农村普遍燃烧方式；采用农户自家使用的炉具和燃料。选取农村的炉具包括但不局限于地炉、站炉、环保炉和生物质锅炉。
本施例中测量过程中，以燃烧状况分段测量数据，分为点燃阶段、旺火阶段和熄火阶段；生物质锅炉每8分钟一次燃烧循环，记录全程燃烧时间和燃料使用量，按照每次循环的时间的燃烧量计算排放因子。本实施例中采用烟道采样法获取污染物排放浓度；烟囱处加上引风机抽取烟气。
本实施例中污染物排放浓度的测量仪器为自动烟尘气测试仪和便携式甲烷非甲烷总烃分析仪。
本实施例中自动烟尘气测试仪用于测量SO2、NOx、CO、烟尘的浓度；便携式甲烷非甲烷总烃分析仪用于测量VOCs浓度。
实施例2
本发明提供了一种获得民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法，下面以2020年11月-4月辽宁省民用燃料排放因子测量为例进行详细说明，进行以下步骤：
步骤S1、实地调查：查询辽宁省统计局中2021年9月发布的统计年鉴，了解各级行政单位具体情况。辽宁省下辖14个地级市，共有59个市辖区、16个县级市、17个县，8个自治县。为使调查更具有代表性，选取代表辽东、辽西、辽南和辽北的典型城市。每个城市的调查范围涉及到农村地区和城乡接合部(城中村)的平房，调查内容见图2。汇总调查数据发现，冬季农村以玉米秸秆、稻草和散煤为燃料取暖，大部分农户将秸秆薪柴作为引燃物，少部分农户以秸秆薪柴为过冬取暖燃料，而城镇居民主要是以散煤为取暖燃料；散煤类型包括清洁型煤和烟煤；生物质成型燃料主要是以木屑为材料；煤炉类型主要是站炉、地炉以及环保炉。散煤燃烧方式见下面所述：
城镇平房：平均有60m2用来取暖，一般3口人居多，每年2吨煤，11-4月份烧煤，每月每户烧煤500kg，合每小时8kg煤，一天旺火烧两个小时。
农村平房：单位面积燃煤量24.64kg/m2，年均燃煤量1.5t/户，平均每户2.7人，燃煤比例70％，燃煤时间11月-3月底，每天25斤煤。
步骤S2、实施测量。测量地点为金沙村、鲍岗子村和四王村。燃料为型煤、内蒙古散煤、玉米秸秆、稻草和生物质燃料，炉子分为站炉、地炉、环保炉和生物质炉。进行采样前准备，滤筒处理和称重，干燥剂装填，选取采样点位置，确定测点数是1。请当地村民按照冬季燃烧的方式燃烧，散煤燃烧过程分为点火、旺火和熄火阶段。每个燃烧过程测量5次，全程记录数据并拍照。测量采用烟道采样法测量污染物浓度，测量装置图及相关仪器见图3a-图3d。采样过程分为烟气采样和烟尘采样。按照连接仪器，点燃煤样，预测流速，湿度测量，烟气测量，烟尘测量，清洗仪器的步骤进行测量并记录烟气数据和烟尘数据。采样后样本分析是将采样后的滤筒放入105℃的烘箱中烘烤1h，取出放入干燥器内，在恒温恒湿的天平室内冷却至室温，用感量0.1mg天平称量至恒重，计算颗粒物的量。
步骤S3、排放因子计算：以生物质炉-木屑为例，计算该样本下的污染物SO2排放因子。
计算每个循环时间段内的污染物排放因子，最后加权平均求总污染物排放因子，并分析生物质燃料的排放特征。
根据公式(1)计算样品燃烧排放的烟气流量：工况下湿废气排放量：Qs为184.86m3/h，其中，Qs测量工况下湿排气的排放量，m3/h；F，管道测定断面面积为0.0079m2；Vs管道测定断面湿排气的平均流速为6.5m/s。
根据公式(2)计算标准状态下干废气排放量：Q为115.17m3/h，其中，标准状态下干排气量Qs为184.86m3/h；大气压力Ba为101325Pa；排气静压Ps为0Pa；排气温度ts为140.2℃；排气中水分含量体积百分数Xsw为5.7％。
根据公式(1)和公式(2)得到标干流量。生物质燃料燃烧总时间t为4.116h，包括15个循环，燃料消耗总量m燃料为7.19kg，根据公式(3)得到加权的烟气污染物SO2的排放因子EFi为2.44g/kg，其中，仪器测量的流量Q为115.17m3/h；污染物的质量体积浓度Ci为37mg/m3。
生物质炉-木屑的污染物PM浓度和排放因子计算：烟尘颗粒物浓度Ci为24.15mg/m3；样品所得烟尘颗粒物量m为0.00525g；标准状态下干采气体积Vnd为217.4L。按照公式(3)计算出烟尘颗粒物的排放系数EFPM为1.59。
按以上方式计算每种燃料的排放因子，可得到所需民用燃料大气污染物本地化排放因子。结果表明稻草的颗粒物排放因子最大，是烟煤的2.7倍左右，约为生物质燃料的12倍。生物质燃料的污染物排放因子均小于民用散煤和秸秆，在大气污染物减排中具有明显的燃料替代优势，且生物质锅炉干净卫生，有智能显示屏，可显示温度，简单易上手，居民满意度较高。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种获得民用燃料大气污染物本地化排放因子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作调查问卷并汇总信息，用以对农村、城乡结合部和城中村的平房展开调查；
汇总调查问卷信息并根据样本煤质分析结果和调查内容确定测量用样本和地点；
S2、制定测量方案并实施测量；
测量方案至少包括采样前准备、实施采样过程和采样后样本分析，获取污染物的排放浓度；采用烟道采样法获取污染物排放浓度；烟囱处加上引风机抽取烟气；
S3、根据测量数据计算民用燃料大气污染物本地化排放因子；
民用燃料包括民用散煤、秸秆和生物质成型燃料，民用燃料用途为冬季取暖和炊事；
民用燃料燃烧涉及的污染物类型包括：CO、SO2、NOx、VOCs和颗粒物；
测量过程中，以燃烧状况分段测量数据，分为点燃阶段、旺火阶段和熄火阶段；
生物质锅炉每8分钟一次燃烧循环，记录全程燃烧时间和燃料使用量，按照每次循环的时间的燃烧量计算排放因子；
根据公式(1)计算样品燃料燃烧排放的烟气流量：
工况下湿废气排放量：
Qs＝3600×F×Vs (1)
公式(1)中，Qs测量工况下湿排气的排放量，单位m3/h；F为管道测定断面面积，单位为m2；Vs管道测定断面湿排气的平均流速，单位为m/s；
根据公式(2)测量标准状态下干废气排放量：
公式(2)中，Q为标准状态下干排气量，单位m3/h；Ba大气压力，单位Pa；Ps排气静压，单位Pa；ts排气温度，单位℃；Xsw排气中水分含量体积百分数；
式(3)中，EFi是SO2、NOx、CO的排放系数，单位g/kg；Q为标准状态下干排气量，单位m3/h；Ci为污染物的质量体积浓度，单位mg/m3；t为某阶段散煤燃烧时间，单位h；m燃料为从测量开始到测量结束燃料的消耗量，单位kg；
烟尘污染物浓度和排放系数计算：
式(4)中，Ci为烟尘浓度，单位mg/m3；m为样品所得烟尘颗粒物量，单位g；Vnd为标准状态下干采气体积，单位L；
求出Ci，按照公式(3)计算出颗粒物的排放系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
S1中所述调查问卷内容至少包括：地点、采暖时间、供暖面积、煤炭年使用量、煤炭来源、秸秆年用量、用途和燃烧方式。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
至少填写民用燃料的来源和类型、民用炉的类型、居民的燃烧方式信息；
其中，入户调查作为辅助方法。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
将调查样本汇总后，根据煤质特征和燃烧方式选取合适地点进行试验，并提前搭建好试验作业平台。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
户外测量作业，采取农村普遍燃烧方式；
采用农户自家使用的炉具和燃料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，选取农村的炉具包括地炉、站炉、环保炉和生物质锅炉。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
污染物排放浓度的测量仪器为自动烟尘气测试仪和便携式甲烷非甲烷总烃分析仪。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
自动烟尘气测试仪用于测量SO2、NOx、CO、烟尘的浓度；
便携式甲烷非甲烷总烃分析仪用于测量VOCs浓度。
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