第一章 緒論

1.1 生物質(zhì)概述
生物質(zhì)是指除化石燃料外的所有來(lái)源于動(dòng)、植物能夠再生的有機(jī)物，在廣義上，生物質(zhì)是指所有的植物、微生物以及以植物和微生物為食物的動(dòng)物及其排泄物。主要包括木材（木條、木塊和樹(shù)枝等）、農(nóng)作物秸稈、水生植物（藻類(lèi)）、油料植物等有機(jī)物的加工廢料、人畜糞便和日常生活垃圾等[1]。自然界的生物質(zhì)種類(lèi)繁多，形式多樣。根據(jù)其來(lái)源的不同，可以將其分為農(nóng)作物秸稈、森林和草原植被、人畜糞便、水生植物，能源植物以及生活垃圾六部分。生物質(zhì)的種類(lèi)不同，組成成分也有很大差異。植物類(lèi)生物質(zhì)主要由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素三部分構(gòu)成，但這三部分在生物質(zhì)中的分布和組成因生物質(zhì)的產(chǎn)地、生長(zhǎng)周期和類(lèi)型的不同而略有差異。三者的主要成分均為碳水化合物。纖維素是由生物質(zhì)自身D-葡萄糖以β-1,4 糖苷鍵組成的大分子多糖，不溶于水及有機(jī)溶劑，是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，它是世界上最豐富的天然有機(jī)物，占植物界碳含量的 50%以上。半纖維素是由木糖、阿拉伯糖、甘蔗糖和半乳糖等幾種不同類(lèi)型的五碳糖和六碳糖聚合而成的多糖混合物，半纖維素主要可以分為聚木糖類(lèi)、聚葡萄甘露糖類(lèi)和聚半乳糖葡萄甘露糖類(lèi)三類(lèi)，它是植物中僅次于纖維素的成分。木質(zhì)素是一種廣泛存在于植物體中的無(wú)定型、分子結(jié)構(gòu)中含有氧代苯丙醇或其衍生物結(jié)構(gòu)單元的芳香性高聚物，它是植物細(xì)胞壁的主要成分，約占木本植物的 25%。
..........

1.2 生物質(zhì)燃燒的現(xiàn)狀
生物質(zhì)是所有能源中地位僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，全球大約 14%的能源需求通過(guò)生物質(zhì)能源獲得，發(fā)展中國(guó)家更是高達(dá) 35%[6]。有關(guān)研究表明，生物質(zhì)的利用方式有很多，通過(guò)燃燒被利用的生物質(zhì)高達(dá) 90%，燃燒被證實(shí)是生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的最有效途徑[7]。中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，具有豐富多樣的生物質(zhì)資源，據(jù)測(cè)算我國(guó)生物質(zhì)總?cè)紵扛哌_(dá)約為 450MT/a[8]，年均秸稈產(chǎn)量約 6 億噸[9]。長(zhǎng)期以來(lái)，生物質(zhì)能源一直是我國(guó)的主要能源之一，尤其是改革開(kāi)放以前，由于生產(chǎn)力的落后，生物質(zhì)能源占整個(gè)農(nóng)村能源消費(fèi)的 70%以上。特別是東北、華北和西北地區(qū)的廣大農(nóng)村，在寒冷季節(jié)，生物質(zhì)燃料是農(nóng)村地區(qū)炊事和家用取暖的主要能源。雖然隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及煤炭、天然氣和液化石油氣等的不斷普及，逐漸取代了部分生物質(zhì)能源在農(nóng)民生活中這種不可或缺的地位，一些農(nóng)村地區(qū)不再將農(nóng)作物秸稈和木材作為生活的主要燃料，，但是由于廢棄的秸稈沒(méi)有更好的處置辦法，農(nóng)民們便采用在收獲季節(jié)或耕種季節(jié)在農(nóng)田里集中燃燒秸稈或雜草，以便達(dá)到節(jié)省勞力、直接提供肥力和除去病蟲(chóng)害的目的。并且隨著近年來(lái)社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，農(nóng)民生產(chǎn)的不斷擴(kuò)大，生物質(zhì)秸稈的量也在不斷增加，秸稈露天焚燒的現(xiàn)象反而愈演愈烈。
.........

第二章 樣品的采集與分析

2.1 樣品的采集

農(nóng)忙秋收季節(jié)是生物質(zhì)秸稈大量產(chǎn)生的時(shí)間，小米，豆類(lèi)，玉米均為一年生草本植物，因此小米稈、豆稈、玉米稈均在秋收季節(jié)采樣；樹(shù)葉和草葉在冬季枯萎凋零，因此選擇在冬季采樣；小麥成熟季節(jié)為夏季，因此，麥稈采樣選擇在夏季。本研究采用武漢天虹 TH-150C 型中流量大氣綜合采樣儀進(jìn)行顆粒物采集，其主要參數(shù)為：（1）中流量環(huán)境空氣采樣器，流量為 100L/min。（2）切割頭粒徑：10 微米。采樣方法：收集呂梁和晉城常見(jiàn)的小米稈、豆稈、玉米稈、麥稈、樹(shù)葉和草葉 6 種農(nóng)林生物質(zhì)各 0.7kg 左右，在自然條件下風(fēng)干，臨燃燒前除去其中雜物，選擇體積為 80m3左右的房間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，焚燒時(shí)，取各種生物質(zhì) 0.5kg，自然堆放在一張鐵盤(pán)上點(diǎn)燃，用一臺(tái)中流量大氣顆粒物采樣器（TH-150C 型）采集排放到室內(nèi)空氣中的顆粒物。采樣時(shí)，采樣器距離火堆 2m，距地面 1.2m。點(diǎn)燃生物質(zhì)前，對(duì)空白膜采樣，以獲得環(huán)境空氣中各組分的本底值，采樣期間保持門(mén)窗關(guān)閉，以減少煙塵擴(kuò)散。每種生物質(zhì)燃燒連續(xù)采樣 2 次，每次采樣 4 個(gè)，并設(shè)空白對(duì)照樣品。

........

2.2 濾膜的選擇
本研究選擇無(wú)機(jī)石英濾膜進(jìn)行碳元素、離子組分的測(cè)定，選擇聚丙烯膜進(jìn)行元素的測(cè)定。圖 2-1 為石英濾膜。圖 2-2 為有機(jī)濾膜。實(shí)驗(yàn)室對(duì)濾膜有嚴(yán)格的要求，在使用前，必須將濾膜放入設(shè)置好溫度的烘箱或馬弗爐內(nèi)進(jìn)行一定時(shí)間的高溫烘烤或灼燒，除去其中的揮發(fā)分和水分，減小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。但是對(duì)于石英膜究竟烘烤或灼燒到多少度能夠既不會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)造成破壞，又能將其影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的水分和揮發(fā)分全部去掉，還無(wú)法明確知道，因此在采樣前，對(duì)采樣濾膜做了如下實(shí)驗(yàn)：（1）石英濾膜烘烤實(shí)驗(yàn)：取 3 張相同石英濾膜，并編號(hào) 1#、2#和 3#，做平行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，稱(chēng)量后放入馬弗爐進(jìn)行灼燒，調(diào)節(jié)馬弗爐溫度，溫度每升高 100℃，取出濾膜稱(chēng)量一次重量，實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果如表 2-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從室溫升高到 500℃的過(guò)程中，濾膜的重量減少了 1.6%，從 500℃升高到 900℃，濾膜重量減少了 1.7%，溫度升高到 900℃以后，濾膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，因此本研究對(duì)濾膜的烘烤控制在 400℃-500℃范圍內(nèi)，烘烤時(shí)間為 2h。
.........

第三章 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中碳組分分析.......23
3.1 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中碳組分的分布特征.....23
3.2 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中的 OC/EC..... 24
3.3 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中 OC 與 EC 的相關(guān)性分析..........25
3.4 本章小結(jié)....25
第四章 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中水溶性無(wú)機(jī)離子分析......27
4.1 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中水溶性無(wú)機(jī)離子的分布特征.... 27
4.2 K+的主要結(jié)合方式...........32
4.3 本章小結(jié)....34
第五章 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中無(wú)機(jī)元素的分析........ 35
5.1 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中無(wú)機(jī)元素的分布特征.........35
5.2 4 種主要無(wú)機(jī)元素在各源塵中的對(duì)比分析..........37
5.3 生物質(zhì)燃燒塵中化學(xué)組分的比較..........38
5.4 本章小結(jié)....40

第五章 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中無(wú)機(jī)元素的分析

5.1 農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中無(wú)機(jī)元素的分布特征
麥稈、豆稈和玉米稈 3 種生物質(zhì)燃燒塵中，K、Na、Mg、Ca、Al、Cd、Ti、V、Cr、Ni、Cu、Zn、Fe、Mn、As、Pb、Co 等 17 中無(wú)機(jī)元素之和占顆粒物總量的百分含量分別為 0.378%、0.525%和 1.397%。因此無(wú)機(jī)元素不是農(nóng)業(yè)生物質(zhì)中的重要組成成分。K、Ca、Na和 Mg 是 3 種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)燃燒塵中含量最大的 4 種無(wú)機(jī)元素，4 者之和占所測(cè)定元素含量的百分比分別為 88.6%、92.1%和 88.1%。其中，K 的含量最大，占總元素含量的 62.8%、60.2%和 61.4%。大氣顆粒物的來(lái)源不同，化學(xué)組分也存在很大差異。目前已知的大氣顆粒物來(lái)源主要有機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣塵、煤煙塵、土壤風(fēng)沙塵、道路塵和城市揚(yáng)塵等，通過(guò)對(duì)各種塵中主要顆粒物的百分含量進(jìn)行對(duì)比，可以對(duì)顆粒物的來(lái)源進(jìn)行初步判斷。表 5-1 為本研究中 K、Ca、Na 和 Mg4 種主要元素與其它研究的比較。結(jié)果表明，本研究中 K 的百分含量低于姬亞琴[67]、張騰[68]、王毓秀[69-70]等的研究中土壤風(fēng)沙塵、城市揚(yáng)塵、道路塵、煤煙塵和建筑水泥塵中 K 的百分含量，高于黃嫣旻[71]、唐艷榮[72]的研究中城市煙塵和道路塵中 K的百分含量，也高于張騰等的研究中機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣塵中 K 的百分含量；Na 的百分含量低于姬亞琴[67]和張騰[68]等的研究中土壤風(fēng)沙塵、城市揚(yáng)塵、道路塵、建筑水泥塵和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣塵中 Na 的百分含量,略高于王毓秀、黃嫣旻、唐艷榮的研究中道路塵和城市揚(yáng)塵中Na 的百分含量，與張騰的研究中煤煙塵中 Na 的百分含量接近；Ca 和 Mg 的百分含量與黃嫣旻和唐艷榮的研究中道路塵和城市揚(yáng)塵中 Ca 和 Mg 的百分含量接近。均低于其它研究。
.........

結(jié)論

本研究收集了山西省呂梁和晉城的小米稈、豆稈、玉米稈、麥稈、樹(shù)葉和草葉 6 種典型農(nóng)林生物質(zhì)，進(jìn)行了燃燒模擬實(shí)驗(yàn)，采集了燃燒煙塵，對(duì)其中的碳組分和水溶性無(wú)機(jī)離子的分布特征進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：
（1）6 種農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中，TC 在顆粒物中所占比例介 62.37-73.46%之間，碳組分是生物質(zhì)燃燒塵的重要組成部分。其中樹(shù)葉燃燒塵中碳組分的百分含量最大，占73.46%；其次是草葉燃燒塵，占 68.20%；小米稈、豆稈、玉米桿和麥稈 4 種生物質(zhì)燃燒塵中，碳組分含量基本相近，約占 62.5%，略低于草葉燃燒塵。農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中碳組分的含量明顯高于煤煙塵、土壤風(fēng)沙塵、建筑水泥塵和道路塵等源，但略低于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣塵。
（2）6 種農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中 K+、Na+ 、Ca2+、Mg2+、NH4+、F-、Cl-、SO42- 和NO3-等 9 種水溶性無(wú)機(jī)離子之和所占比例分別為 20.19%、18.22%、23.28%、21.83%、24.12%和 22.47%，水溶性無(wú)機(jī)離子是農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵的重要組成部分，其中 SO42-、K+、Cl-、F-是農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中最主要的四種水溶性無(wú)機(jī)離子，占 9 種離子的86.11%-88.14%。
（3）農(nóng)林生物質(zhì)燃燒排放顆粒物中陰陽(yáng)離子當(dāng)量百分比比值均小于 1，且陽(yáng)離子當(dāng)量質(zhì)量百分比小于陰離子當(dāng)量質(zhì)量百分比，顆粒顯酸性；K+和 Cl-的相關(guān)性明顯優(yōu)于 K+與 SO42-和 K+與 F-的相關(guān)性，K+主要以 KCl 的形式存在。
（4）小米稈、豆稈、玉米稈、麥稈、樹(shù)葉和草葉 6 種農(nóng)林生物質(zhì)燃燒塵中，K+/OC分別為 0.16、0.14,、0.17、0.16、0.11 和 0.12，K+/OC 介于 0.11-0.17，該值可初步作為判定生物質(zhì)塵的一個(gè)重要指標(biāo)。
.........
參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：100779