1國外對細顆粒物（pm2.5）的研究現(xiàn)狀

2012年2月29日環(huán)境保護部和國家質檢總局聯(lián)合發(fā)布的《環(huán)境空氣質量標準》（gb3095-2012）中新增了pm2.5指標并給出了明確的濃度標準值，此次標準修訂后已經(jīng)與世界衛(wèi)生組織(who)過渡期第1階段的目標值相同，但與美國、日本、歐盟等仍存在很大的差距，見表1。

從表1中可見，國外的pm2.5標準比較嚴，且執(zhí)行時間也早。

據(jù)此來看，國內(nèi)整個水泥行業(yè)存在pm2.5排放現(xiàn)狀不清、法律法規(guī)及標準缺失、污染治理技術研發(fā)不夠、監(jiān)測監(jiān)控能力跟不上、思想認識不到位等問題。針對超細顆粒物開展監(jiān)測、控制技術及管理方案的研究具有非常重要的意義。

研究資料表明，pm2.5超細粒子由于粒徑小、運動性強，且含有汞、硝酸鹽、重金屬、硫酸鹽等有害物，嚴重危害著人體的健康，近年來我國心、肺、傳染等各類疾病的發(fā)生越來越多也與此有關。世界衛(wèi)生組織(who)出版的《空氣質量準則》尤其是對大氣中可吸入顆粒物的濃度限值制定了嚴格的標準。who規(guī)定pm2.5年平均濃度為10μg/m3，24小時平均濃度為25μg/m3。who還指出：當pm2.5年均濃度達到35μg/m3時，人的死亡風險比10μg/m3的情形約增加15％。

美國紐約大學藥學院通過調查和研究也已經(jīng)證明，工業(yè)煙塵中的 pm2.5可吸入顆粒物與肺癌、心臟病所導致的死亡有關?？諝庵械目晌腩w粒物每增加 10μg/m3， 肺癌致死的危險就增加8%，心臟病死亡率則增加6%，總死亡率增加4%。日本環(huán)境省2007年公布的調查結果顯示，如果大氣中可入肺顆粒物的濃度每立方米增加10微克，那么在此后5天內(nèi)，部分65歲以上老者的呼吸系統(tǒng)疾病會加重，這個年齡段人群中因患哮喘或肺炎等疾病而死亡的幾率會升高1.1%。   　　     　　  

歐盟在過去的幾年里，已發(fā)展到采用不同的測量方法和間單的裝置與計算模型相結合來確定和區(qū)分細顆粒物粒徑及其分布，例如，在粉塵總排放量的基礎上測量煙氣流。來自德國的調查表明，總顆粒物排放的主要部分是以細顆粒物出現(xiàn)的，不受廢氣的總顆粒物濃度的影響。通過電除塵器排放的，有90%的粉塵是小于10微米（pm10）和50%的小于2.5微米（pm2.5）的細顆粒物，具體實例見水泥工業(yè)的統(tǒng)計表2。

總顆粒物排放量是采用過濾式采樣儀器測得的（平面過濾裝置）。采用管道紊流取樣器取回的粉塵是在等速條件下，并從煙氣氣流中將其分離為不同尺寸的顆粒。另外, 來自于愛爾蘭水泥廠的細顆粒物排放數(shù)據(jù)表明。主要細粉塵是可以通過總顆粒物量的減少而減少，詳見下表3。配有高效除塵系統(tǒng)的工廠相應地有助于減少細顆粒物的負荷。

2.我國水泥行業(yè)超細顆粒物（pm2.5）現(xiàn)狀

雖然我國水泥行業(yè)粉塵治理技術已經(jīng)達到了相對成熟的階段，各種高效袋和電式除塵系統(tǒng)的除塵效率已經(jīng)可以達到99%以上；2013年底出臺的新標準《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》(gb 4915-2013)中的排放控制制標也接近國外先進控制標準。然而，由于我國水泥總量大，2019年年水泥產(chǎn)量占世界水泥產(chǎn)量的60%，加上長期監(jiān)管不到位。其實際排放遠超控制標準，見表4

國外研究表明，粒徑較小的pm2.5粉塵在總粉塵排放量中所占的比例極高，所排放出的粉塵中50-80%為pm2.5細顆粒物。換言之，通常工況下pm2.5的排放量極有可能很大。再加上我國水泥的總產(chǎn)能占全世界的60%，造成的嚴重霧霾天氣，水泥行業(yè)的貢獻排在3-4位間。

水泥行業(yè)粉塵排放物pm10和pm2.5由粒徑分別小于10和2.5微米細顆粒組成，這些顆粒可以以固體形式或氣溶膠出現(xiàn)。這些類型的微塵可能由于一系列的物理化學反應，包含不同的有害氣體，如氮氧化物和硫化物，及氨反應形成硫酸鹽、硝酸和氨微粒，可能會導致人類的健康問題。在水泥行業(yè), pm10和/或pm2.5可能來自于燃燒和冷卻過程；然而，輔助生產(chǎn)過程也能導致細微粉塵的形成。

作為污染嚴重的水泥行業(yè)，2013年修訂了《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》將水泥窯顆粒物排放50mg/nm3的限值提高到30mg/nm3。但是針對水泥行業(yè)顆粒物中pm2.5開展的研究甚少，關于水泥行業(yè)顆粒物中pm2.5超細粒子的排放狀況幾乎空白，基于此種情況，我們在十二五和十三五其間，著手對有代表性的地區(qū)和不同規(guī)模的水泥生產(chǎn)線的pm2.5超細粒子排放進行了現(xiàn)場采樣監(jiān)測。

3.對水泥窯等采樣監(jiān)測

采樣和分析設備

（1）武漢天虹th-880f自動煙塵煙氣分析儀

廢氣含塵濃度的測試工作原理簡單描述：根據(jù)儀器感應頭測到的動壓，靠抽氣泵的抽力作用，將煙囪中的含塵廢氣從煙囪中吸出，經(jīng)過特制的濾筒將廢氣中的顆粒物過濾并收集。然后，廢氣進入專門的動壓跟蹤儀器，計算出在設定的時間內(nèi)采集的廢氣體積。根據(jù)濾筒前后的重量變化即可得出測試時間內(nèi)收集到的粉塵重量。根據(jù)粉塵重量和采氣體積即可計算出廢氣的含塵濃度。本研究用此儀器測量分析窯頭、窯尾、煤磨、水泥磨的含塵濃度。

（2）ks-220 型煙道氣顆粒多級采樣儀

ks-220 型煙道氣顆粒多級采樣儀是符合最新的環(huán)境標準—iso-en909 的顆粒采樣儀，它采用最新的流體機械的形狀設計，在增加沖擊效果的同時以及減少儀器尺寸，腔室內(nèi)部采用三級兩板的構造，在設計流量下三級的切割粒徑分別為pm10、pm2.5及pm1.0，一次采樣能得到六個樣品，同一級的兩個樣品可以取平均值。ks-220 可配置不同尺寸的等速采樣頭，非常適合應用于不同燃燒源排放顆粒物的理化特征分析。ks-220 通常與ks-404 自動采樣儀聯(lián)用，配置圖如圖1所示。ks-404自動采樣儀將自動測定采樣流量及溫度、計算并控制等速采樣條件、控制采樣泵、輸出數(shù)據(jù)等。

圖1 ks-220及ks-404聯(lián)用配置圖

4.監(jiān)測結果與分析

本次監(jiān)測對不同地區(qū)2條2500t/d、4條3000 t/d、5條4500 t/d、7條5000 t/d和2條10000 t/d規(guī)模的新型干法水泥生產(chǎn)線的窯尾，窯頭、水泥磨、煤磨收塵器的出口進行了采樣和補充監(jiān)測。監(jiān)測結果如下：

本次監(jiān)測的水泥廠，煤磨和水泥粉磨工段采用的除塵器全部為袋式除塵器。就煤磨工段而言，經(jīng)除塵后排放的顆粒物（tsp）中，pm10的比例介于84.3-90.0%之間。水泥粉磨工段與煤磨工段較為接近，范圍為85.7-94.5%，說明水泥生產(chǎn)中煤磨和水泥粉磨工段經(jīng)袋式除塵器除塵后排放的顆粒物中以pm10為主。這兩個工段排放的pm2.5排放比例占tsp的一半以上，最高約86.30%，可以預見pm2.5排放量不容忽視。根據(jù)測試結果，當水泥窯頭經(jīng)靜電除塵處理后排放的煙氣中，pm10的含量占比范圍為90.2-97.4%，pm2.5的含量占比范圍為69.2-81.1%。采用袋式除塵器除塵后的窯頭廢氣中，pm10的含量占比范圍為88.4-94.9%，pm2.5的含量占比范圍為63.9-77.9%。由此可見，窯頭顆粒物排放仍以細顆粒物為主，且可吸入顆粒物排放量占有較高的比例，但袋式除塵器處理后排放的煙氣細顆粒物的比例略低。經(jīng)靜電除塵器處理后的水泥窯尾煙氣中pm10含量的占比范圍為86.6-95.0%，pm2.5含量占比范圍為41.8-80.5%。采用袋除塵措施進行除塵的窯尾煙氣中，pm10含量占比范圍為61.3-93.5%，pm2.5含量占比范圍為36.9-77.9%。對比窯頭、窯尾煙氣中不同顆粒物的粒徑分布可以發(fā)現(xiàn)，窯尾排放煙氣中pm2.5占tsp的比例要略小，且波動更大。

5.結論

水泥在生產(chǎn)過程中，經(jīng)除塵設備處理后排放的顆粒物以pm10為主，所占比例可以達到95%以上，而在pm10中pm2.5占有較高的比例。換句話說，現(xiàn)有的除塵設備對可吸入顆粒物的去除效果有限。當然，tsp中pm10和pm2.5占比也和粉塵排放的濃度有著很大的關系，排放濃度越低，tsp中pm10和pm2.5占比越大。但由于監(jiān)測方法的局限，造成部分數(shù)據(jù)存在偏差，監(jiān)測樣本數(shù)量不足等因素，無法摸清粉塵排放濃度和tsp中pm10、pm2.5兩者的線性規(guī)律，因此，還需繼續(xù)調研和監(jiān)測以深入研究排放濃度和tsp中pm10、pm2.5占比的關系。本次監(jiān)測的目的也就在于建立兩者之間的關系，實現(xiàn)通過粉塵排放的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可初略估算tsp中pm10和pm2.5占比，從而可以大致計算出水泥行業(yè)pm10和pm2.5的排放量。同時也希望通過對20條水泥生產(chǎn)線的pm10和pm2.5數(shù)據(jù)的監(jiān)測，為水泥行業(yè)pm2.5超細粒子治理技術的研究提供基礎數(shù)據(jù)。

水泥行業(yè)的實踐證明，隨著環(huán)保排放標準的進一步嚴格，袋收塵器的使用比例越來高。而采用袋收塵器過濾是超細粒子捕集控制的最有效方式，濾料作為核心材料，其性能將影響著顆粒物捕集的效果，目前市場上的各種濾料主要是針對全塵捕集的要求來制造的，但是對于超細顆粒物（pm2.5），捕集效果還有較大差別。

最近，國家環(huán)保部進一步進行水泥行多污染協(xié)同控制治理的要求下，各大學，研究機構進行了實驗室的理論研究。如東北大學濾料檢測中心，通過實驗手段，就目前市場上幾種常用的袋收塵器的濾料，對超細顆粒物的過濾性能進行了測試，結果，見表5。

上述實驗中采用了美國tsi公司的dustrak8520儀器，由上表中顯示看出；幾種濾料對pm1.0的計重效率相差較大，在40.12%-83.17%；隨著粉塵顆粒的增大，濾料的效率也增大，對pm2.5的計重效率在72.73%-95.45%；幾種濾料對pm10的過率相差不大，在92.31%-99.32%；但不管是pm1.0、pm2.5還是pm10，覆膜玻纖針刺氈濾料的效率最高。所以采用覆膜針刺氈濾料的袋收塵器是減少和控制pm2.5超細顆粒物有效方法。