模拟冬季供暖导致PM2.5浓度升高的实验

白宇 曹越 王潇萌 孙秀晖 陈美虎

摘要：空气污染问题已成为影响我国城鎮居民生活质量的一个重要因素，而因PM2.5污染导致的重污染天气的多发季又集中在冬季供暖季中。本文设计了一项实验，模拟北方城市冬季供暖季中燃煤锅炉排出含硫酸盐类物质的情况，并确定了硫酸根离子的存在会引起PM2.5浓度的上升。北方城市冬季供热系统虽已开始由燃煤改为燃气，但加大推进改燃力度，并防止散煤点源、面源排放对削减冬季PM2.5浓度峰值仍存在极大积极作用。

关键词：冬季供暖;模拟实验;PM2.5

中图分类号：X131.1 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）04-0-02

Abstract： The problem of air pollution has become an important factor affecting the quality of life of urban residents in China. The frequent seasons of heavy pollution caused by PM2.5 pollution are concentrated in the winter heating season. The article designed an experiment to simulate the discharge of sulphate-containing substances from coal-fired boilers in the northern heating season in northern cities， and determined that the presence of sulphate ions would cause an increase in PM2.5 concentration. Although the winter heating system in the northern city has begun to change from burning coal to gas， it is necessary to increase the intensity of propelling and reforming， and to prevent the point source and non-point source emissions of loose coal to have a very positive effect on reducing the peak concentration of PM2.5 in winter.

Key words： Winter heating;Simulation experiment; PM2.5

众所周知，PM2.5已经成为影响我们日常生活与身体健康的一个重要因子[1]。根据天津市污染物时空分布特点，在冬季供暖期，即每年11月至次年3月，PM2.5的污染尤其严重。环保部负责人也表示北方冬季燃煤采暖对空气质量恶化贡献较大[2]。

根据上述实际情况，设计一项实验，想要模拟供暖季时期燃煤锅炉排放对空气质量的影响。根据供暖烟囱采样，燃煤锅炉排放烟气除自身含有大量颗粒物成分外，还有因煤炭燃烧产生的大量硫酸盐类物质。本次实验采用硫酸盐溶液放入具有加热功能的空气加湿器中，初步模拟燃煤锅炉排放硫酸盐类物质，计算其对空气质量造成的影响。

1 实验准备

（1）在天津市武清区某燃煤锅炉排气口处进行采样，对其烟气冷凝水中各离子浓度进行分析。测定其中SO42-浓度为220 mg/L，NO3-浓度为6.5 mg/L，Na+为29.9 mg/L，Ca2+为32.4 mg/L，其他为41.1 mg/L。决定本次实验采用浓度为275 mg/L的硫酸钠溶液进行模拟。

（2）采用3台在国家颗粒物适用性检测合格产品名录中的颗粒物采样设备，同时放置在相同环境中进行PM2.5采样，3台设备同时进行7天的比对监测，监测结果曲线互相之间相关系数大于0.97即可进行采样实验。本次实验采用的3台颗粒物采样器均为美国热电公司生产的1405F型颗粒物自动监测设备3台仪器7天比对曲线互相之间相关系数均大于0.98，如图1。

2 实验步骤

（1）将3台设备分别放置在三个相同湿度、温度的密闭环境中，其中1处不放置加湿器，作为背景数据;另2处分别作为参比房间与实验房间。在两处室内均放置同一批次的具有加热功能的加湿器。（2）在参比房间内的加湿器内，只添加经过处理，电阻率≥18.2MΩ·cm、25℃的去离子水，在实验房间的加湿器内，添加相同品质去离子水配置的浓度为275mg/L的硫酸钠溶液。（3）在同一时刻打开加湿器，并开启加热功能，模拟冬季供暖烟囱喷出含有硫酸盐类物质的情况。记录两台颗粒物采样设备的数据变化。

3 实验结果

3.1 颗粒物浓度变化

实验房间自加湿器开启时刻起，PM2.5浓度激增，最高上升至2200ug/m3，而没有添加NaSO4溶液的实验室，颗粒物浓度平稳无异常变化。

3.2 添加硫酸钠溶液的房间湿度与颗粒物浓度关系

随着室内湿度的变化，颗粒物浓度与其呈现明显的正相关性。可以推测实验房间室内的颗粒物是随着加湿器的喷雾形成的。加湿器喷雾完成后，室内湿度连续下降，室内颗粒物浓度也明显下降。

3.3 参比房间与实验房间的PM2.5颗粒放大2000倍后电镜扫描比对，如图4、图5。

参比房间与实验房间的颗粒物采样膜经过电镜扫描放大2000倍后的照片可以看出，实验房间，即添加了硫酸钠溶液的房间的PM2.5颗粒数量倍增，粒径更小。

4 结论

通过实验可以看出，用添加了硫酸钠溶液的加湿器喷射出的水雾包含大量硫酸盐类颗粒。此项实验并不能完全模拟出北方冬季供暖季的真实情况，但其对颗粒物的贡献之大也可见一斑。加大北方冬季供季期间的改燃力度，加强对散煤燃烧的管理，或者实施湿法脱硫净化烟气[3]的方法理论上可以有效削减PM2.5浓度峰值，为我市冬季环境空气质量改善作出贡献。

参考文献

[1]孙恩慧，王璐琪，赖小垚，李岩，孙静怡.北方冬季农村供暖对PM2.5的影响及解决方案研究[J].环境科学与管理，2013（7）：90-93.

[2]陈硕，陈婷.空气质量与公共健康：以火电厂二氧化硫排放为例[J].经济研究，2014（8）：158-169.

[3]任玉忠.试析湿法脱硫净烟气再热技术的应用[J].内燃机与配件，2018（06）：202-203.

[4]周海川.空气质量与公共健康：以森林吸收烟粉尘为例[J].林业科学，2017，53（08）：120-131.

收稿日期：2019-01-08

作者简介：白宇（1987-），男，汉族，本科学历，助理工程师，研究方向为环境保护。