基于煤分子结构的民用燃煤源黑碳和多环芳烃的生成机制研究

Residential coal combustion (RCC) is the most important emission source of black carbon (BC) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in China, and much attention was paid to the emission characteristics of RCC in recent years. However, due to the complexity of coal and burning condition in RCC, large differences of up to several orders exist among the increasing data, which bring in high uncertainties in emission inventory calculation and air quality source apportionment. Therefore, deeper research is needed to interpret these differences, and then a more reasonable database can be provided. Based on traditional parameters for coal classification such as volatile matter content or reflectance of vitrinite in coal, this project will investigate the impact of the macromelecular structure of coal (composed of various aromatic rings, aliphatic side chains, bridge chains, oxygen containing functional groups, and their crosslinking actions) on combustion products: formation mechanisms of BC and PAHs in RCC and their relationship with coal structure as well as other influence factors will be explored by combination of simulating combustion of various coal/stove styles and high resolution monitoring techniques (such as online single particle aerosol mass spectrometer); widely field measurements will be taken in real families to acquire plenty of experimental data on typical RCC styles, and analyze the rules of data variation. Therefore, a more completed and reasonable database for emission factors and source profile will be built by combining lab simulations, field meausrements and previous results. Finally, practical strategies of emission reduction for RCC will be propounded by the comparison of various influence factors.

民用燃煤是我国最重要的黑碳和多环芳烃排放源，其排放特征研究在近年来受到了较高的重视。但是，由于煤种和燃烧条件的复杂性，日益增多的观测结果之间存在几个量级的差异，给排放清单和源解析研究带来很大的不确定性。因此，急需开展深层次的研究，解释差异产生的根本原因，提供更客观合理的数据库。 本项目拟在传统的以挥发分含量或镜质体反射率为煤类划分指标的基础上，重点考察煤的大分子组成结构（由芳环核、烷基桥链、侧链、含氧基团及其交联作用组成）对燃烧产物的影响：结合各种"煤/炉组合"的实验模拟和高分辨观测技术（如：在线单颗粒气溶胶质谱），探究民用燃煤条件下黑碳和多环芳烃的生成机制及其与煤组成和其它影响因素的关系；广泛测量并获取典型民用燃煤方式的现场数据，分析数据的变化规律，最终融合模拟观测、现场测量和历史数据，构建更加完整更加客观的排放因子和源成份谱数据库；比较各种影响因素，提出切实可行的民用燃煤污染减排措施。

从全国主要煤矿收集了22个原煤样品，地质成熟度覆盖我国生产使用烟煤和无烟煤的主要类型，干燥无灰基挥发分含量（Vdaf）范围为6~48%。选择其中7种不同成熟度的烟煤，结合有机溶剂连续萃取，获得了煤中游离态多环芳烃（母体及烷基化）的含量和组成信息及其与煤的成熟度的相关性；结合13C-NMR结果、H/C和O/C原子比、芳香度等结构参数以及先进的煤分子结构模拟软件(ACD/C NMR Predictor)，构建了7个煤样的大分子结构模型。在构建以石英管式炉为核心的模拟燃烧系统及烟气稀释通道采样/测量平台的基础上，对4种中/高挥发分烟煤进行温度控制（500oC和800oC）燃烧实验，结合高时间分辨率的粒径谱和高粒径分辨率的黑碳、有机碳和多环芳烃等组分测试，获得了黑碳和多环芳烃在煤燃烧各阶段的含量、组成、粒径和形貌等理化特征，初步探讨了民用燃煤过程中黑碳和多环芳烃的生成机理；并在此基础上进一步拓展实验内容，针对燃料类型和燃烧温度的影响机制开展研究，已完成10种煤以两个温度（500oC和800oC）和2种煤以7个温度（300~900oC之间，以100oC为梯度）模拟燃烧实验，数据和成果正在挖掘整理中。在燃煤炉灶排放因子测试方面，一方面，在实验室完成了20个“煤/炉组合”（5种煤和4个炉灶）的排放测量，获得了黑碳和多环芳烃排放因子数据，并提出了初步的减排建议；另一方面，结合第二次全国污染普查任务，自2018年9月开始广泛开展农村炉灶实际燃烧的入户测量，涵盖南方省份（浙、苏、皖、沪、鄂）和北方（黑、吉、蒙、鲁、冀）300多户农村在用炊事及采暖用途“煤/生物质/炉灶组合”的排放测量（气态污染物和PM2.5浓度）和滤膜采样（离线测量黑碳、有机碳、多环芳烃等组分），目前已完成200余户测量任务，将于2019年上半年完成全部样品的采集和分析测试工作，其结果将大大丰富我国民用炉灶燃烧的各污染物排放因子和源成分谱实测数据库。本项目目前已培养毕业了一名硕士和一名博士，发表了5篇相关论文（一篇EST，两篇AE，一篇EP，一篇“地球化学”）；后续工作还在由一名博士生和一名硕士生进行数据消化和成果整理。