废气中二氧化硫检测方案(烟气分析仪)

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应用生态学报 2014年3月 第25卷 第3期Chinese Journal of Applied Ecology， Mar. 2014，25(3)：857-862 应 用 生 态 学 报85825卷 DOI：10.13287/j.1001-9332.2013.0013 二氧化硫在烤烟密集烤房群周围的空间分布 贺 帆 =王 梅 王涛 孙建锋 黄五星 田斌强 宫长荣** (河南农业大学烟草学院，郑州450002；铁岭市烟草公司昌图分公司，辽宁铁岭112000；曲靖市烟草公司师宗分公司，云南曲靖655000；‘云南省烟草公司，昆明650000) 摘 要 为实现“节能减排、省工降耗”，同时为建设环境友好型现代烟草农业提供理论依据，以烤烟密集烤房群为监测对象，利用 ecom-J2KN烟气分析仪和大气采样器对烤烟烘烤过程中密集烤房烟囱气体成分和烤房群周围空间环境 SO，浓度变化进行研究.结果表明：烤烟烘烤过程烟囱烟气中 CO，和SO，均在38℃稳温时最大，氮氧化物在42℃稳温时最大； SO， 排放浓度范围为1327.60~2218.40 mgm-3；通过添加4.0%的固硫剂，平均 SO，排放可减少49.7%.对烤房群下风向 SO，扩散的测算表明，SO，地面浓度最大值出现在变黄期；水平方向43~80m范围内，SO，质量浓度超出0.5 mgm，其中 50 m处的空气中SO，浓度值最高，为0.57 mgm-；在距离烤房群50 m 的垂直方向上，距离地面0.9~1.8 m高处的 SO，质量浓度均超出0.5mgm-3，其中1.6m高处的 SO，浓度达到最高，为0.65 mgm-；通过添加固硫剂，可使 SO 质量浓度平均降低0.43 mgm.密集烤房群下风向水平距离120 m 范围内属于大气环境防护距离. 关键词 二氧化硫 烤烟 密集烤房群 空间分布 文章编号1001-9332(2014)03-0857-06 中图分类号 S19文献标识码A Spatial distribution of sulfur dioxide around a tobacco bulk-curing workshop cluster. HE Fan'， WANG Mei’， WANG Tao’， SUN Jian-feng， HUANG Wu-xing'， TIAN Bin-qiang'， GONGChang-rong(College of Tobacco Science， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， Chi-na； Changtu Branch， Tieling Tobacco Company， Tieling 112000， Liaoning， China；ShizongBranch， Qujing Tobacco Company， Qujing 655000， Yunnan， China； Yunnan Tobacco Company；Kunming 650000， China). -Chin. J. Appl. Ecol.，2014， 25(3)：857-862. Abstract： In order to manifest lower energy consumption and less labor employment， and providethe theoretical basis for constructing environmentally friendly modern tobacco agriculture， this paperanalyzed gas composition of the chimney from a bulk-euring barn and the dispersion of sulfur dioxide(SO，) around the workshop cluster using ecom-J2KN flue gas analyzer and air sampler. During cu-ring， the concentrations of carbon dioxide (CO) and SO， in the chimney were both highest at 38℃， while the concentration of nitrogen oxides (NO)was highest at 42℃. The emission concen-tration of SO， from the chimney was 1327.60-2218.40 mgm-3. Average SO， emission woulddecrease by 49.7% through adding 4. 0% of a sulfur-fixed agent. The highest concentrations of SOin the surface soil appeared at the yellowing stage. SO， concentration in horizontal direction loca-lized at 43 -80 m exceeded 0.5 mgm-. The highest concentration of SO，(0.57 mg’m-3)Wasobserved at 50 m. At 50 m in the downstream wind direction of the workshop cluster， SO，concen-tration in vertical direction localized at 0.9-1.8 m exceeded 0.5 mg m， and the highest con-centration of SO， in vertical direction was 0. 65 mg mat 1.6 m. During curing， the averageconcentration of SO， was decreased by 0.43 mg mby using the sulfur-fixed agent. The pollutedboundary was localized at 120 m in the downstream wind direction of the workshop cluster. Key words： SO ； flue-cured tobacco； bulk-euring barn cluster； spatial distribution. ( *国家烟草专卖局科技重大专项(Ts-01-2011006) 资助. ) ( **通讯作者. E-mail： gongchr009@126. com ) ( 2013-07-15收稿，2013-12-04接受. ) 当前，由于大量化石燃料的使用，导致环境污染和全球气候变化，使现有的各种资源如水、粮食、土地以及能源等都面临着风险，并对我国农业生产和农业生态系统造成了重大影响1-3.密集烤房是现代烟草农业建设的重要基础设施.密集烤房的集群连体建设不仅实现了现代烟草对规模化、专业化烘烤的要求，而且烘烤用工明显减少，烟叶质量得到稳步提高，10座、50座甚至200座以上的烤房群已成为我国当前烤烟烘烤的主体.目前，我国烟叶烘烤的热量来源以煤炭为主.相关研究认为，烟叶烘烤是大量耗热的过程，密集烤房在燃煤供热过程中会产生大量粉尘、碳氧化合物、硫化合物等，造成环境污染，硫生成的 SO，或硫酸会对燃烧设备的金属表面造成腐蚀4-；空气中 SO，浓度偏高对作物生长发育和产品质量以及人体健康均有不利影响8-11；其排放后的酸沉降对土壤结构、微生物以及森林植被等产生不利影响2..“节能减排、省工降耗”已成为相关研究者的关注焦点.以集中供热技术代替“一房一炉、单炉单烤”可以减少燃煤量控制污染气体排放；利用太阳能、电能和生物能(沼气)等洁净能源04-15代替煤炭燃烧的供热方式可以实现碳的零排放.以往的研究主要集中在探索可再生资源或清洁能源以实现烟叶烘烤的节能减排，但由于各方面原因，其一直处于试验示范阶段，并不能全面推广.而且关于烤烟烘烤过程中密集烤房燃煤污染气体排放及其对周围环境的影响鲜有报道.因此，本试验在2010年对单座密集烤房烟囱气体成分及其含量进行了分析，2011年以密集烤房群为基点，对燃煤添加固硫剂后 SO，排放和扩散规律，以及烤房群周围空间环境 SO，浓度变化进行研究，旨在探索高效可 行的“节能减排”方式，为建设环境友好型现代烟草农业提供理论依据. 材料与方法 1.1 试验环境 试验于2010—2011年710月在云南省曲靖市罗平县罗雄镇烘烤四工场进行.该工场共有密集烤房220座，并排连体布局，占地面积3.33×10°m².每年7―10月为烤烟烘烤期，烤房运行率90%以上. 1.2 试验设计 1.2.1密集烤房烟囱出口气体监测 2010年对正在烘烤的标准密集烤房(规格8.0m×2.7m×3.6m)周围空气温度、烟囱出口气体温度、0，、CO，、NO、NO，NO.SO，质量浓度等进行测定；2011年，采用标准密集烤房2座，共设置2个处理：对照(CK)，燃料为型煤；处理T，燃料为添加固硫剂的型型，其中，固硫剂的添加比例为4.0%.各处理煤质和烟叶素质基本一致，装烟密度65 kgm-3，采用三段式烘烤工艺正常烘烤.在中部叶(9~12位叶)进行烘烤时，分别于烘烤过程中的关键温度点(变黄期38℃和42℃、定色期47℃和54℃以及干筋期68℃稳温时)对空气温度、烟囱出口气体温度、0、CO，、NO、NO，NO，、SO质量浓度等进行测定. 1.2.2密集烤房群周围环境监测点设置 根据罗平县2011年710月的风向玫瑰图可知：静风的频率为10.4%，风向主要为东北和东南，最大风速为2.6m·ss，主导风向不明显(图1).因此，本研究的监测点设置在烤房群的西北方向，基本覆盖烤房群的下风向. 图1 烘烤季节罗平县风向玫瑰图 Fig.1 Rose graph of wind direction during curing season at Luoping Town.C：静风Calm wind. 图2 烤房群监测位点相对设置 Fig.2 Relative position of monitoring sites around the bulk-cu-ring barn cluster. 按照《环境监测技术规范》16规定的布点原则，并结合环境功能区为主、兼顾均布性，在密集烤房群西北方向的水平距离10、30和50m处设置3个水平监测位点(图2).为了寻求烘烤季节烤房群运行对周围农作物的影响，在水平方向距离烤房群100m、150 m、200 m(敏感区)、300m(敏感区)、400m(敏感区)处再设置5个水平位点.在烤房群50m处设置3个监测点，在此3个监测点上分别设置5个垂直位点，即距离地面0.3、0.5、1.0、1.6和2.0m.同时在烤房群上风向设置1个监测位点，作为空白对照.于2011年8月每天8：00、10：00、14：00、16：00进行监测，每个时间点连续监测 50 min. 1.3 测定项目与方法 采用德国 ecom-J2KN多功能烟气分析仪对密集烤房运行时烟囱气体进行检测；由河南省煤炭科学研究院有限公司对所用煤炭煤质进行分析；固硫剂固硫效率的计算公式为：固硫效率=(对照SO，排放量-处理SO，排放量)/对照烤房 SO，排放量×100%.采用大气采样器(多孔玻璃吸收管)现场采样，根据文献[16-18]对监测点大气SO，含量进行检测. 1.4 数据处理 采用 Microsoft Excel 2003 和 SPSS 17.0软件分别进行绘图和数据统计分析；采用大气环境影响评 价系统1.3.1.0 Aermod 空气扩散模型测算 SO 质量浓度；采用大气环境防护距离标准计算程序(Ver1.1)计算大气环境防护距离. 2 结果与分析 2.1 密集烤房烘烤过程烟囱出口气体成分的变化 由表1可知，密集烘烤过程烤房外空气温度范围为28.64~33.60℃；烟囱出口排放的气体温度为52.94~63.37℃，随着烘烤的进行呈先增加(最大值为54℃)后下降的趋势.烟囱排放出的气体中，0含量在38℃时最低，42℃及以后各温度点之间差异不明显. CO，含量在38℃稳温时最高，随后呈先下降然后略有上升而后再下降的趋势.氮氧化物质量浓度随着烘烤的进行均呈先上升后下降然后上升而后再下降的趋势，且在42℃稳温时均达到最高；但各温度点的 NO 含量明显高于 NO，含量.在原煤含硫量维持在1.4%的平均水平时，不同烘烤阶段SO，排放浓度不同，由变黄期到干筋期，SO，排放浓度逐渐降低.其中，变黄期38℃稳温时 SO，排放浓度最高，平均为2218.40 mg*m-3；筋筋期68℃稳温时SO，排放浓度最低，其平均值为1327.6mgm.根据《中华人民共和国大气污染物综合排放标准( GB 16297—1996)》9，氮氧化物排放浓度显著低于最高允许排放浓度(420 mgm3)，但 SO，浓度明显高于其最高允许排放浓度(1200 mg*m-3). 2.2 密集烤房群运行中 SO，排放及其扩散规律 2.2.1密集烤房烘烤过程中烟囱 SO，排放规律 密集烘烤在燃煤中添加固硫剂(处理T)与未添加固硫剂( CK)之间，烟囱排放的 SO，浓度变化规律略有差异.其中，CK的 SO，浓度呈先增加后下降的变化趋势，而处理(T) 在47~54℃稳温时略有增加；但两者在47和54℃稳温时的 SO， 浓度差异不显著；且两者 SO，浓度排放最高点均在42℃稳温时(图3).处理T在烘烤各关键温度点的 SO，浓度均极显著低于CK，其中，CK在38~54℃稳温时SO，浓度均显 Table 1 Gas emission from chimney of bulk-curing barn with no sulfur-fixing agent (mean±SD) 温度点 空气温度 烟气温度 02 CO， NO NO， NO. SO， 燃煤含硫量 Temperature Air Gas (%) (%) (mgm3) )(mgm-3) (mgm-3) (mgm-3) Sulfur content points temperature temperature of coal ℃) (℃) (℃) (%) 38 33.60±2.0552.94±1.1913.2±0.66.3±0.527.70±0.9514.70±0.4842.80±1.552218.40±298.85 42 33.19±2.5554.12±1.6616.8±0.32.1±0.3 36.50±3.9221.60±2.0158.10±5.301825.10±292.13 47 30.19±2.4561.33±4.3517.9±0.81.9±0.1 22.37±9.94 10.32±5.1732.08±15.781500.60±166.15 1.4 54 30.91±2.7063.37±3.1516.9±0.44.3±0.624.00±9.0713.00±4.8437.00±13.271500.89±119.95 68 28.64±2.8959.18±6.8917.1±1.01.9±0.217.00±8.0010.00±4.0027.00±12.001327.60±95.99 图3 不同处理密集烤房烟囱 SO，排放 Fig. 3 SO， emission from chimney of bulk-curing barn underdifferent treatments (mean ±SD). CK： 对照 Control； T：处理 Treatment；E：固硫效率Sulfur fixation effi-ciency. 相同烘烤温度点不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Different small letters of the same curing temperature indicated sig-nificant difference among treatments at 0.05 level. 著高于最高允许排放浓度(1200 mgm-3)；处理T只在42℃稳温时SO，浓度略高于 1200 mgm ，但较 CK减少 SO，排放49.4%.整体上，与CK 相比，处理T的密集烤房烟囱 SO，排放浓度大幅降低，整个烘烤过程可减少SO，排放49.7%. 2. 2. 2密集烤房群运行时周围 SO，扩散规律 由于密集烤房烟囱低矮密集，煤炭燃烧产生的气体未经过排气筒而直接排放到大气中，构成了无组织排放源.因此，根据烟囱出口处的烟气质量浓度以及烟气流速、烟气温度和密集烤房群占地面积，利用大气环境影响评价系统( Aermod) 中的大气估算工具，按照烘烤三段式烘烤工艺分为：变黄期(38和42℃)、定色期(47和54℃)和干筋期(68℃)，对密集烤房群运行时 SO，在水平方向上的扩散进行测算. 密集烤房群运行时，随着距烤房群水平方向距离的增加，SO，浓度均呈先增加后下降的趋势.其中，在未使用固硫剂(CK)条件下，密集烤房变黄期烟囱排放的 SO，扩散到地面的最大质量浓度是0.83mg·m-3，出现的位置是距离烤房群58m处；定色 图4 密集烤房群运行时周围 SO，扩散规律 Fig. 4 Diffusion pattern of SO， around the bulk-curing barncluster during curing. 1)变黄期 Yellowing stage； 2) 定色期 Leaf-drying stage；3)干筋期Stem-drying stage. 期 SO，地面最大质量浓度为0.60 mgm'，出现的位置是距离密集烤房64m处；干筋期地面最大质量浓度为0.46 mg*m-3，出现的位置是距离烤房群64m处(图4).型煤中加入4.0%的固硫剂(处理T)后，变黄期烟囱排放的 SO，扩散到地面的最大质量浓度是0.26 mgm，出现的位置是距离烤房群69m 处；定色期地面最大质量浓度为0.22 mgm，出现的位置是距离烤房群68m处；干筋期地面最大质量浓度为0.13 mgm灶，出现的位置是距离烤房群51m处(图5).烘烤过程中，添加固硫剂的烤房群周围SO，地面最大质量浓度出现的位置与对照之间差异虽然不明显，但SO，质量浓度显著降低.整个烘烤进程中最大质量浓度平均降低0.43 mgm. 2.3 密集烤房群运行对周围空间环境 SO，浓度的影响 由图5可知，烘烤季节烤房运行率90%以上时，对其下风向周围空间环境中的 SO，浓度具有明显影响.在水平方向上，距离烤房群50 m 范围内，随着距离的增加，SO，浓度显著增加；在50m 时 SO，浓度达到最高，为0.57 mgm-；50m之后随着距离 图5 SO 地面质量浓度实测 Fig. 5 Measured value of the ground sulfur dioxide concentration (mean±SD). 表2 SO，质量浓度的回归方程 Table 2 Regression equation of sulfur dioxide concentra-tion 取值范围 回归方程 R Value range Regression equation 0≤X≤100 Y=-0.0003X+0.0331X，- 1.0000 0.2647 100 < X≤400 Y=3.0000×10-6X2-0. 0.9982 0≤X≤2 0029X，+ Y=0059604-3.6529X 3+ 1.0000 7.4511X2-5.6621X + 1.6878 X：密集烤房群下风向的水平距离 Distance in horizontal direction(m)；X：烤房群下风向 50 m 处的垂直距离 Distance in vertical direc-tion (m)； Y： SOz质量浓度 Sulfur dioxide concentration (mg*m-3). 的增加，SO，浓度呈降低趋势.在距离烤房群水平方向50 m 处的垂直方向上，距离地面0.5m 范围内，随着高度的增加，SO，浓度呈急速下降趋势；在0.5~1.6m范围内，随着高度的增加，SO，浓度呈增加趋势；在1.6m以上 SO，浓度呈下降趋势，其中在1.6 m处达到最高值(0.65 mgm飞3).据据烤房群周围空间环境 SO，浓度实测情况，对 SO，浓度随水平和垂直空间距离的变化进行回归分析，建立 SO，质量浓度与烤房群周围空间位置的回归方程(表2).结果表明，水平方向平均相对误差为13.2%，其中0~100m范围内为9.8%；垂直方向的平均相对误差为0.1%；回归方程拟合度均较好.通过回归方程计算可知，距离烤房群43~80m范围内，SO，质量浓度超出0.5 mgm-3；以地面为参照物，距离地面0.9~1.8 m高处，SO，质量浓度超出0.5 mgm.根据烤房的高度、宽度、长度和烟气流速，利用大气环境防护距离标准计算程序( Ver 1.1)估测出以密集烤房群为中心，在烤房群下风向水平距离120m范围内属于大气环境防护距离. 3 讨 论 烘烤过程中，烘烤不同阶段所需热量不同，各种类型燃煤火炉在燃烧过程中均存在燃烧不稳定、不充分以及产生的氮氧化物、SO，和粉尘等排入大气造成环境污染的问题7，201.本研究结果表明，烤烟烘烤过程烟囱烟气中 CO、氮氧化物和 SO，的排放量均在变黄期(38和42℃)最大，随着烘烤进程的推进均有所降低；但 CO，和 SO，均在38℃稳温时最大，氮氧化物在42℃稳温时最大，这与黄维等的研究结果基本一致.但是，根据《中华人民共和国大气污染物综合排放标准( GB 16297—1996)》19，烤烟烘烤过程排放的烟气中 SO，浓度明显偏高.目前， 烟气脱硫主要为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫[20，22.蒋笃忠等23认为，在烟叶烘烤过程中向燃煤中加入3.0%的除硫剂能有效降低燃煤燃烧时产生的碳氧化物、氮化物和硫化物.针对密集烘烤气态污染物排放特性，在烘烤过程中向燃煤加入4.0%的固硫剂，密集烤房烟囱 SO，排放浓度大幅降低，可平均减少 SO，排放49.7%. 近年来，随着现代烟草农业的推进，密集烤房建设逐步重视布局规划，密集烤房群已成为烤烟烘烤的主体单元.利用大气环境影响评价系统( AermodSystem)中的大气估算工具对密集烤房群运行时SO 在水平方向上的扩散进行测算，结果表明，无论燃煤中是否添加固硫剂，SO，地面浓度最大值均出现在变黄期，出现的位置在距离烤房群50~70m范围内；但通过添加固硫剂，烘烤过程中最大质量浓度平均降低0.43 mgm.烤房群下风向周围空间环境的 SO，质量浓度实际监测结果表明，实际生产中，SO，浓度扩散趋势与预测趋势基本一致，水平方向上距离烤房群50 m 左右的空空中 SO，浓度值最高；在距离烤房群50m的垂直方向上，1.6m 高处的SO，浓度达到最高值，为0.65 mgm.根据《中华人民共和国环境空气质量标准(GB 3095一2012)》124，密集烤房群及其周围空间环境属于二类环境空气功能区，其 SO， 的小时质量浓度限值平均为 0.5 mgm-3.回归分析拟合和大气环境防护距离测算表明，距离烤房群43~80m的范围内，SO，质量浓度超出0.5 mgm；以地面为参照物，距离地面0.9~1.8 m高处的 SO，质量浓度超出0.5mgm；在烤房群下风向水平距离120 m 范围内属于大气环境防护距离，在未做任何处理的情况下，不建议在此范围内长期期住25-26].针对密集烤房群大气防护距离内的SO，排放对周围植物的影响，有必要进一步开展降低污染物排放的深入研究. 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