燃烧源无组织排放系数和泄露比的定量方法技术

本发明专利技术公开了一种燃烧源无组织排放系数和泄露比的定量方法，针对同时具备有组织排放和无组织排放的燃烧源，基于物质平衡，通过计算分别获得有组织排放系数和无组织排放系数，以及无组织排放的泄露比。该方法解决了在野外测试中泄露烟气无法全量收集和量化体积，传统CMB方法无法区分有组织和无组织泄露的难题，不仅可以用于居民室内燃煤和生物质等炉灶中泄露气体的定量，也适用于其他源的无组织排放定量，例如砖瓦厂中除了烟囱的有组织排放外，通过砖窑窑体向四周环境泄露的量。

【技术实现步骤摘要】
燃烧源无组织排放系数和泄露比的定量方法
本专利技术属于空气污染研究领域，具体涉及一种全新的污染物排放系数定量方法，针对同时具备有组织排放和无组织排放的燃烧源，基于物质平衡，通过计算分别获得有组织排放系数和无组织排放系数，及无组织排放的泄露比。
技术介绍
大气污染是一个全球性的环境问题。国际癌症研究所IRAC已经把大气污染确定为“致癌物”[1]。全球疾病负担研究指出，每年约有数490万人因大气污染暴露而过早死亡，其中室外大气细颗粒物PM2.5导致的过早死亡人数约294万，室内生物质和煤炭等固体燃料使用导致的室内污染暴露过早死亡人数约164万[2-3]。PM2.5和CO等大气污染物的一个重要来源是燃料的不完全燃烧。电厂燃煤、工业燃烧源、居民生活源等是大气污染的重要燃烧源，也是二次细颗粒物的前体物来源。在这些污染燃烧源中，居民生活燃烧源由于燃烧效率低，且没有末端控制等技术，对室外大气污染，尤其是冬季重污染，有着非常大的贡献[4-5]。生活燃料的燃烧发生在室内，往往造成严重的室内污染。大部分人群超过80％的时间待在室内，因此严重的室内污染造成很高的大气污染暴露和健康危害。燃烧源污染物的排放系数(定义为单位质量燃料燃烧排放的污染物质量)可以在实验室通过模拟实验测得，也可以在实际环境中进行测试。实验室测定中需要污染物的浓度和所有废气的体积(全量收集)。研究已证实，在实验室控制条件下获得的污染物排放特征与实地野外情况可能存在很大的差别，从而使得排放系数等数据存在偏差和高不确定性[6]。在野外实测中，由于废气的全量收集具有难度，因此发展了基于碳守恒(carbonmassbalance,CMB)的方法来计算污染物的排放系数。CMB方法的基本假设是燃料燃烧释放的C主要以气态的CO2、CO、甲烷和非甲烷总烃、以及颗粒物中的C存在。其假设废气中污染物混合均匀，在某一点采样获得的浓度代表废气中的平均浓度，通过CO2的排放系数可以算出污染物排放系数。CMB方法的优势是不需要全量收集废气，可以获得总的排放系数。作为一个比较成熟的方法，CMB广泛用于室内燃烧源排放的野外测试和秸秆露天焚烧的排放系数等研究中。实验室测试结果也可以参照CMB方法进行计算，做相互校验。然而是实际燃烧过程中，室内燃烧源产生的污染物除了经过烟囱以有组织排放形式释放到室外大气中，但也有相当量的燃烧产物会直接释放到室内，即无组织的室内泄露，从而污染室内环境。燃料在室内炉灶等燃烧装置中向室内的泄露排放是造成室内空气污染的一个重要来源。但这个关键的过程一直缺乏有效的定量刻画。世界卫生组织WHO在《室内空气质量准则》的制定过程中，由于没有室内泄露排放系数和泄露比(无组织排放系数占总排放系数的比例)的基础数据，只能通过对比有烟囱和无烟囱家庭的室内浓度差间接估算了CO和PM2.5的泄漏比约25％[7]。为了获得泄露排放系数和泄露比，美国环保署(EPA)和墨西哥国立大学的研究团队在在实验室用烟气集气罩，通过分别测定有组织排放和无组织泄露排放的废气，根据测得的污染物浓度和全量收集的烟气体积，获得了CO和PM2.5的泄露排放系数和泄露比[8-9]。但其实验结果获得泄露排放系数很小，污染物泄露比<5％，与WHO指南中所采取的值有很大差别。因此，为了获得更准确的污染物总排放系数、无组织泄露排放系数和泄露比等基础数据，需要在野外实地开展排放测试。如前所述，实验室测试中用于收集炉灶泄露污染物的集气罩体积较大，野外测量中携带不便；厨房空间狭小，集气罩及管道占用空间大，不便于摆放；且野外没有安装架设条件等限制，因此，实验室的燃烧源废气采集装置和计算方法(烟气浓度和全量收集的气体体积)在野外无法使用。而传统的CMB方法假设废气混合均匀的假设存在一定偏差，只获得总排放系数而无法将有组织排放系数和无组织排放系数分开，无法获得泄露比。
技术实现思路
针对传统CMB方法无法分别获得燃烧源有组织排放和无组织排放系数的问题，本专利技术的目的是提供一种新的计算方法，在不需要使用集气罩分别全量收集有组织和无组织废气的情况下，获得无组织排放系数和泄露比。本专利技术方法的原理如下：以带烟囱的炉灶为例，将炉灶的泄露排放(无组织排放)和烟囱排放(有组织排放)视作两种不同的排放路径，炉灶的排放总量由泄露排放和烟囱排放构成，这两部分排放量分别通过污染物浓度和气体体积计算得到。EFtotal,x＝EFfugitive,x+EFchimney,x＝(Cfugitive,x·Vfugitive+Cchimney,x·Vchimney)/Mfuel其中，EFtotal,x、EFfugitive,x、EFchimney,x分别表示空气污染物x的总排放系数、泄露排放系数和烟囱排放系数(g/kg)，Cfugitive,x、Cchimney,x分别表示污染物x在泄露和烟囱排放中的质量浓度(g/L)，Vfugitive、Vchimney分别表示泄露和烟囱气体体积(L)，以及Mfuel是燃烧的燃料质量(kg)。烟囱和泄露排放内的污染物浓度(Cchimney,x和Cfugitive,x)通过直接测量得到，以及烟囱排放废气的体积(Vchimney)可以根据测量的烟囱排气流量和取样(或燃烧)持续时间来计算；但是，在野外条件下，很难测量泄露排放体积(Vfugitive)。在实验室研究中，Vfugitive通常是通过使用集气罩完全捕获泄露的排放物来获得的。基于碳守恒，碳排放总量可视为烟囱和泄露排放两部分之和。碳在烟囱和泄露排放物中的质量可以根据碳物种的浓度和气体体积来计算，所述碳物种包括二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)、颗粒碳。Mc-fuel-Mc-ash＝Mc-chimney+Mc-fugitive＝Cc-species，chimney·Vchimney+Cc-species，fugitive·Vfugitive其中Mc-fuel,Mc-ash,Mc-chimney和MC-fugitive分别表示燃料、剩余的灰烬、烟囱排放物和泄露排放物中的碳质量(g)，Cc-species，chimney,Cc-species，fugitive分别表示烟囱和泄露排放中的碳物种的质量浓度。因此，在总的碳排放可以获得的情况下，Vfugitive的计算公式如下：Vfugitive＝(Mc-fuel-Mc-ash-Cc-species，chimney·Vchimney)/Cc-species，fugitive在这种方法中，测量烟囱气体流量(或速度)是至关重要的。基于上述原理，本专利技术提供了一种燃烧源无组织排放系数和泄露比的定量方法，包括以下步骤：1)排放测试称取一定量的燃料进行燃烧试验，燃烧过程中在有组织排放口和泄露处(如燃料添加处)监测烟气中污染物的浓度、各种碳物种的浓度，以及有组织排放口的截面积和烟气流速；燃烧终止后，记录排放时间，称量剩余燃料质量，并收集全部灰烬。以烟囱进行有组织排放的实验为例，具体操作可以是：...

【技术保护点】
1.一种燃烧源无组织排放系数和泄露比的定量方法，包括以下步骤：/n1)排放测试：称取一定量的燃料进行燃烧试验，燃烧过程中在有组织排放口和泄露处监测烟气中污染物的浓度、各种碳物种的浓度，以及有组织排放口的截面积和烟气流速；燃烧终止后，记录排放时间，称量剩余燃料质量，并收集全部灰烬；/n2)样品分析：测定灰烬干重、燃料含水率、燃料碳含量、灰烬碳含量，以及有组织排放口和泄露处各种碳物种和污染物在排放期间的平均浓度；/n3)数据处理：/n(a)计算排放碳总质量Q

【技术特征摘要】
1.一种燃烧源无组织排放系数和泄露比的定量方法，包括以下步骤：
1)排放测试：称取一定量的燃料进行燃烧试验，燃烧过程中在有组织排放口和泄露处监测烟气中污染物的浓度、各种碳物种的浓度，以及有组织排放口的截面积和烟气流速；燃烧终止后，记录排放时间，称量剩余燃料质量，并收集全部灰烬；
2)样品分析：测定灰烬干重、燃料含水率、燃料碳含量、灰烬碳含量，以及有组织排放口和泄露处各种碳物种和污染物在排放期间的平均浓度；
3)数据处理：
(a)计算排放碳总质量Qemission
Qemission＝Qfuel-Qash＝Mfuel×C％,fuel-Mash×C％,ash
其中，Qfuel和Qash分别为燃烧所用燃料和灰烬中的碳质量，Mfuel和Mash分别是燃烧所用燃料和灰烬的干重，C％,fuel和C％,ash分别是燃料和灰烬的碳含量，燃烧所用燃料的干重Mfuel根据燃料含水率计算得到；
(b)计算有组织排放碳质量Qchimney
Qchimney＝CC-species-C，chimney×Vchimney
其中，Vchimney为有组织排放的烟气体积，通过有组织排放口的截面积Schimney乘以烟气流速v和排放时间t计算得到；CC-species-C，chimney为有组织排放烟气中总碳质量浓度；
(c)计算无组织排放碳质量Qfugitive
Qfugitive＝Qemission-Qchimney
(d)计算无组织排放烟气的等效体积Vfugitive
Vfugitive＝Qfugitive/CC-species-C，fugitive
其中，CC-species-C，fugitive为无组织排放烟气中总碳质量浓度；
(e)计算有组织排放系数和无组织排放系数
EFchimney,x＝Vchimney×Cchimney,x/Mfuel
EFfugitive,x＝Vfugitive×Cfugitive,x/Mfuel
其中，EFchimney,x和EFfugitive,x分别为任意污染物x的有组织排放系数和无组织排放系数，Cchimney,x和Cfugitive,x分别为有组织排放和无组织排放的任意污染物x的质量浓度；
(f)计算泄露比
F＝EFfugitive,x/(EFfugitive,x+EFchimney,x)
其中，F为任意污染物x泄漏的量占总排放量的比例。
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【专利技术属性】
技术研发人员：沈国锋，陶澍，杜伟，陈源琛，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11