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东南大学 博士学位论文 燃煤可吸入颗粒物在高梯度磁场中的捕集研究 姓名鲁端峰 申请学位级别博士 专业环境工程 指导教师赵长遂;吴新 20070601 摘要 摘要 可吸入颗粒物易附集有害物质，对环境和人体都有较大危害。煤的燃烧是可吸入颗粒物 污染的重要来源。由于燃煤可吸入颗粒物体积小、数目多，常规的除尘方式对其缺乏有效控 制。在中国．以燃煤为主的能源结构使得这一问题更加突出。根据燃煤可吸入颗粒物具有一 定铁磁性这一特点，采用高梯度磁分离技术控制燃煤细颗粒的排放是一个有价值的研究方向， 被列为国家重点基础研究项目 9 7 3 计划 的研究内容。 本文首次提出采用高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物的方法，在对大气可吸入颗粒物特 征及燃煤可吸入颗粒物磁特性系统研究的基础上，建立了颗粒捕集动力学模型及高梯度磁场 下磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物的宏观和微观实验台，以理论分析、宏观和微观实验相结合 的方式，从多方面对颗粒捕集规律及机理进行了深入探讨，旨在为该技术的应用提供理论基 础和实验参考。 首先对大气可吸入颗粒物特征和燃煤可吸入颗粒物磁特征进行了系统研究。通过分析发 现了大气可吸入颗粒物数目浓度日变化特征，大气中P M 25 数目浓度较高，比表面积大，湿度 对可吸入颗粒物分布特征影响较大；颗粒形态中球状实体颗粒占有较大的数目份额，絮状体 和簇状聚集体次之，多孔颗粒和条状晶体含量较少，通过S E M - E D X 分析对比发现，这些球状 实体多为煤燃烧产生。利用v 蜘对典型的燃煤可吸入颗粒物样品进行了磁性测试，测试发现 燃煤可吸入颗粒物具有铁磁特性，饱和磁化强度范围为O ．7 x l 旷q ．5 x 1 0 3 A ／m ；利用X R D 对燃 煤可吸入颗粒物中磁性物质含量进行了测试分析，v - F R O ，和F e 3 0 4 的存在是引起粒子铁磁特 性的主要原因，引入磁性当量铁含量来表征粒子中磁性物质的含量，粒子饱和磁化强度与磁 性当量铁含量线性相关，相关系数为0 ．9 8 5 。 基于E u l e r ／L a g r a n g e 方法建立了高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物的动力学模型。通过 对磁场、流场的解析，结合燃煤可吸入颗粒物磁化特性，在考虑磁场梯度力，流体曳力、布 朗作用力等情况下，通过对颗粒轨迹的计算，研究了流场、磁场、颗粒磁性、磁介质材料以 及磁介质尺寸等因素对颗粒轨迹的影响，得到了高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物的理论基 础。高梯度磁场下磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物的过程中，磁场作用力、流体曳力是主导作 用力。磁性较强及粒径较大的粒子所受磁场作用力较大，其颗粒轨迹变化明显；随着粒径的 减小，布朗作用逐渐增强，颗粒运动轨迹相应随之变化。 在理论分析的基础上，通过自制高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物宏观实验台，进行了 高梯度磁场下磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物的宏观实验，利用E L P l 分析了颗粒浓度变化。分 析发现了颗粒捕集的三个典型阶段；粒径在1 ．O g r e s 3 ．O p m 内的颗粒捕集效率相对较低，其余 粒径颗粒捕集效率相对较高；磁性较强的样品，其捕集效率较高；增大颗粒浓度、外加磁场 强度可以有效提高颗粒的捕集效率，在一定行程内增大气体流速则会导致颗粒捕集效率降低， 较高的磁介质磁化强度、磁介质填充率以及较小的磁介质直径都会有利于颗粒捕集效率的提 高；增大外磁场强度和采用较小直径的磁介质，对于中间档粒径段颗粒捕集效率影响相对较 低，而对其余粒径段颗粒影响相对较为显著；增大磁介质磁化强度对各级颗粒捕集效率均有 较大提高；增大磁介质填充率对于小粒径颗粒捕集效率影响相对较低，而对大粒径颗粒捕集 摘要 效率影响相对较高；添加磁种后，颗粒捕集效率有明显增加，粒径在O ．1 邶【卜l 肛I 的颗粒捕集 效率增幅高于其余粒径的颗粒。在本文实验条件下，颗粒捕集效率可高达7 0 ．2 ％。 通过显微摄像可视化技术研究了高梯度磁场下燃煤可吸入颗粒物在磁介质表面附集状 态。微观下燃煤可吸入颗粒物在磁介质表面附集状态的动态研究，进一步揭示了颗粒捕集的 机理，发现了颗粒捕集过程中磁介质表面颗粒链的形成及断裂的现象。颗粒附集的过程中， 颗粒链在不断的成长与坍塌，往复更迭；颗粒的捕集效果主要是由磁介质的吸引、在磁介质 表面形成的颗粒链的截留以及流体的夹带作用控制；颗粒磁性较强的样品，受磁场作用明显， 颗粒链的成长速度较快；磁介质磁性较强及直径较小时，对颗粒链的成长有促进作用；颗粒 浓度越高，颗粒链的成长速度越快。微观实验结果与宏观实验结果一致，并很好的揭示了宏 观实验所得的规律。 研究表明，采用高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物是一种新型有效的方法，本文研究结 果可对该技术的实际应用提供理论基础和实验参考。 关键词。可吸入颗粒物，燃煤，高梯度磁场，磁特征，动力学，磁介质捕集。 l I A B S T R A C T A B S T R A C T I n h a l a b l ep a r t i c u l a t em a t t e “P M l o e a s i l ya t t a c h e sh a z a r d o n sm a t t e r sw h i c ha l eh a r m f u lt 0t h e e n v i r o n m e n ta n dh u m a n ’sh e a l t h ．F l ya s hp a r t i c l e se m i t t e df r o mc o a lc o m b u s t i o na t et h e 却r t a n t P M l op o l l u t i o ns o u r c e s ．B e c a u s eo f t h e i rt i n ys i z ea n de n o r m o u sn u m b e r , c o n v e n t i o n a ld u s tr e m o v a l f a c i l i t i e sa r el e s se f f e c t i v eo nP M l 0f r o mc o a lc o m b u s t i o n ．I ti sa ni n n o v a t i v em e t h o dt oc o n t r o lP M I o e m i s s i o n f r o m c o a lc o m b u s t i o nb y u s i n g l l i g hg r a d i e n t m a g n e t i cs e p a r a t i o n b c c a t k s co f t h e p a r t i c l e s ’ m a g n e t i cp e r f o r m a n c e ．T h ep r o j e c tO l lt h i st o p i cw a sl a u n c h e di nt h eN a t i o n a lB a s i cR e s e a r c h P r o g r a m o f C h i n aa l l e g e d 9 7 3p r o g r a m ． T h ep r o c e s so nc a p t u r i n gc o a lf i r e dP M l 0i nh i g l lg r a d i e n tm a g n e t i cn c l dw a sp r o p o s e di nt h i s p a p e rf o rt h ef i r s tt i m e ．B a s e do nt h er e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i co f P M I oi na t m o s p h e r ea n dm a g n e t i c p e r f o r m a n c eo fc o a lf i r e dP M I o , t h ed y n a m i cm o d e lo fp a r t i c l ec a p t u r ew a sd e v e l o p e d , a n dt h e e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to l lt h em a c r a s c o p i c a la n dm i c r o c o s m i cp l a t f o r m so fc a p t u r i n gc o a l f i r e dP M j 0w i t hm a g n e t i cm e d i u mi nh i g hg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d ．T h em e c h a I l i s mo fp a r t i c l e c a p t u r ew a si n v e s t i g a t e df o r t h ep r o p o s eo f g i v i n gd i r e c t i o n sf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ． F i r s t ，c h a r a c t e r i s t i co f P M i 0i na t m o s p h e r ea n dm a g n e t i cp e r f o r m a n c eo f c o a lf i r e dP M i ow e r e t e s t e ds y s t e m a t i c a l l y ．T h ed a i l yv a r i a t i o no fP M l oc o n c e n t r a t i o na n dp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i cw e r e o b t a i n e d ．P M 25h a sag r e a tp o t e n t i a lh a z a r db e c a u s eo fi t sh i g hn u m b e rc o n c e n t r a t i o na n dl a r g e s p e c i f i cs u r f a c ea r e a ．P a r t i c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni ss t r o n g l ya f f e c t e db yh u m i d i t y ． T h e n u m b e r f r d _ c t i o no f s p h e r i c i t y p a r t i c l e s i s t h eh i g h e s t ．t h a to f f l o c e n l a t i o n a n d f a s c i c l e d p a r t i c l e s i sn e x t , a n df l m to f p o r o u sa n ds t i c kp a r t i c l e si st h el e a s t ．I tw a sf o u n dt h a tt h o s es p h e r i c a lp a r t i c l e s Ⅵ，e 咒g e n e r a t e df r o mc o a lc o m b u s t i o nt h r o u g hS E M E D Xd e t e c t i n g ．C o a lf i e r dP M t 0c a nb e m a g n e t i z e d a n d t h es a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o n i sa b o u t0 ．7 x l O ～．5 x 1 C A ／r e ．T h ee x i s t e n c e o f y - F e e 0 3 a n dF e 3 0 4i nc o a lf i r e dP M j 0i st h em a i nr e a s o no fi t sm a g n e t i cp e r f o r m a n c e ．T h ee q u i v a l e n tc o n t e n t p a r a m e t e r F e o fF ew a se m p l o y e dt o d e s c r i b em a g n e t i cp e r f o r m a n c eo fc o a lf i r e dP M t 0 ，t h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n 彘a n dp a r t i c l es a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o ni s0 ．9 8 5 ． T h ed y n a m i cm o d e lf o rc a p t u r i n gi n h a l a b l ep a r t i c l e sf r o mc o a lc o m b u s t i o nw i t hh i g l lg r a d i e n t m a g n e t i cf i e l dw a sp r o p o s e db a s e do nE u l e r ／L a g r a n g em e t h o d ．T h r o u g ha n n l y s i n gh i g hg r a d i e n t m a g n e t i cf i e l da n dg a sf l o wf i e l d , t h eb a s i ct h e o r yo fc a p t u r i n gc o a lf i m di n l m l a b l ep a r t i c l e sw i t h h i g hg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l dw a so b t a i n e db a s e d0 1 1c a l c u l a t i n gp a r t i c l et r a j e c t o r y ．T h em a g n e t i c f o r c e , d r a gf o r c ea n dB r o w n i a nm o t i o nw e r ec o n s i d e r e d ．I nt h ep r o c e s so f p a n i c l ec a p t u r e ．m a g n e t i c f o r c e ．f l o wd r a gf o r c ea n dB r o w n i a nf o r c ea r et h ed o m i n a t i n gf o r c e s ．R e m a r k a b l et r a j e c t o r y v a r i a t i o nw a sf o u n di nt h ep a r t i c l e sw i t hh i g h e rm a g n e t i z a t i o no rb i g g e rs i z e ．b e c a u s eo f t h es t r o n g e r m a g n e t i cf o r c ee f f e c t ．T h ei n f l u e n c eo fB r o w u i a nd i f f u s i o nb e c o m e ss t r o n g e rf o rs m a l l e rs i z e p a r t i c l e ，a n dt h e i rt r a j e o o r i e sv a r yc o r r e s p o n d i n g l y ． T h em a c r o s c o p i c a l p l a t f o r mo f c a p t u r i n gc o a lf i r e di n h a l a b l ep a r t i c l e sw i t hm a g n e t i cm e d i u mi n h i g hg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l dw a se s t a b l i s h e df o rt h er e s e a r c ho f p a r t i c l ec a p t u r ee f f e c t ．E x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sa n dt h ee f f e c t so np a r t i c l ec a p t u r ee f f i c i e n c yW l e a n a l y z e di nd e t a i l ．T h r e et y p i c a lt i m es e r i e so fp a r t i c l ec a p t u r ee f f i c i e n c yw e r ef o u n d ．T h ep a r t i c l e w i t he i t h e rl a r g e ro rs m a l l e rs i z eh a sh i 曲e rc a p t u r ee f f i c i e n c y , a n dt h ep a r t i c l ew i t hm e d i u ms i z e 1 岬p 3 岬 h a sl o w e rc a p t u r ee f f i c i e n c y ．T h ep a r t i c l ec a p t u r ee f f i c i e n c yr i s e sw i t hi n c r e a s ei nt h e p a r t i c l em a g n e t i z a t i o n , p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n , m a g n e t i cf l u xd e n s i t y , m a g n e t i z a t i o na n dt h ef i l l i n g ⅡI 垒 堡垒 r a t i oo fm a g n e t i cm e d i u m , a n di tr e d u c e sw i t hi n c r e a s ei na e r o s o lv e l o c i t ya n dm a g n e t i cm e d i u m d i a m e t e r ．W h i l es e l e c t i n gh i g l Im a g n e t i cf l u xd e n s i t yo rs m a l lm a g n e t i cm e t h u md i a m e t e r , i th a s m o r ea c t i v ee f f e c to nc a p t u r ee f f i c i e n c yf o rt h ep a r t i c l e sw i t hl a r g e ro rs m a l l e rd i a m e t e r ．I th a sa c t i v e e f f e c to nc a p t u r ee f f i c i e n c yf o ra l lk i n d so fp a r t i c l e sw h i l es e l e c t i n gm a g n e t i cm e d i u mw i t hh i i g h m a g n e t i z a t i o nI th a sn 均r ℃a c t i v ee f f e c to nc a p t u r ee f f i c i e n c yf o rp a r t i c l e sw i t hb i g g e rd i a m e t e rb u t l e s sa c t i v ee f f e c to nc a p t u r ee f f i c i e I l c yf o rp a r t i c l e sw i t hs m a l l e rd i a m e t e rw h i l es e l e c t i n gh i g ht i l l i n g r a t i oo fm a g n e t i cm e d i u m ．P a r t i c l ec a p t u r ee f f i c i c I l c yi n c r e a s e sr e m a r k a b l yw h i l ea d d i n gm a g n e t i c s e e d s ．a n dt h ei n c r e m e n to f c a p t u r ee f f i c i e n c yi sh i g h e rf o rp a r t i c l e sw i t hd i a m e t e ro f 0 ．1 l t m ～l l m a ． A n dt h ep a r t i c l ec a p t u r ee f f i c i e n c yr e a c h e s7 0 ．2 ％i nt h ee x p e r i m e n t s ． P a r t i c l ec a p t u r em e c h a n i s mW a sf o u n dt h r o u g hi n v e s t i g a t i o no np r o c e s so f p a r t i c l eb u i l d u p0 1 1 S H l f a c eo fm a g n e t i cm e d i u mo nm i c r o c o s m i cp l a t f o r m ．I nt h ec a p t u r ep r o c e s s ，p a r t i c l ec h a i n sw i t h b r a n c h e sw e r ef o u n da n dp a r t i c l ec h a i n sf o r m e d ，g r e w1 | pa n dc o l l a p s e dc i r c u l a r l y ．P a r t i c l ec a p t u r ei s c o n t r o l l e db ym a g n e t i cm e d i u ma t t r a c t i o n , p a r t i c l ec h a i n sh o l d i n gu pa n df l o w a g g i n g ．T h ec h a i n s o fp a r t i c l e sw i t hh i g hm a g n e t i z a t i o ng r o wu pq u i c k l y ．P a r t i c l ec h a i n sg r o wu pq u i c “yw h i l e ∞l e e t i n gh i g hm a g n e t i z a t i o no rt h i nm a g n e t i cm e d i u m ．H i g bp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nh a sa c t i v ee f f e c t 0 1 1p a r t i c l eb u i l d u p ．T h ep a r t i c l ec a p t u r er u l e so b t a i n e df r o mm a c r o s c o p i c a le x p e r i m e n t sa x ew e l l e x p l a i n e db yt h em i c r o c o s m i ce x p e r i m e n t sr e s u l t s ． T h ep r e s e n ts t u d yi n d i c a t e st h a th i l g h 笋a d i e n tm a g n e t i cs e p a r a t i o ni sa ne f f e c t i v ew a yt oc o n t r o l f m ep a r t i c l ee m i s s i o nf r o mc o a lc o m b u s t i o n ．A n dt h er e s e a r c hr e s u l t sc a l lb er e f e r e n c e dt op r a c t i c a l a p p l i c a t i o no f t h et e c h n i q u e ． K e yw o r d s i n h a l a b l ep a r t i c l e ，c o a lc o m b u s t i o n , h i g hg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d ；m a g n e t i cp e r f o r m a n c e ， d y n a m i c ，c a p t u r eb ym a g n e t i cm e d i u m ． 符号表 符号表 口 纤维丝的半径，n H n 一 颗粒表面积，m 2 B 磁感应强度，T C 总颗粒数浓度，c m - 3 C 坎宁安修正系数 c j 分级颗粒数浓度，c m - 3 面 颗粒空气动力学粒径，I I n l 毋磁介质直径，m 西颗粒真实粒径，u m F D颗粒所受流体曳力，N ，k颗粒所受磁力，N 如 结构振幅 日 磁场强度，G s k 玻尔兹曼常量 工 格栅总长度，m 工∞ 颗粒簇平均厚度，p a n ￡女 a 相的洛仑兹因子 m 粒子磁矩，A m 2 ％ a 相的质量，l 【g 怖颗粒质量，k g 鹄粒子磁化强度，A i m 必 粒子饱和磁化强度，A ／m 岣磁介质磁化强度，A ／m 尬气体分子量 P 压力，P a P a t a 相k 衍射的多重性因子 P M I o 空气动力学直径小于1 0 t t m 的颗粒 P M z5 空气动力学直径小于2 ．5 t u n 的颗粒 q 为各粒径档颗粒数目百分比 置 气体常数 毋磁介质填充率 S 斯托克斯准数 r 绝对温度，K 气体流速，m ／s 径向气体流速，m ／s 切向气体流速，m ／s 颗粒速度，m ／s 颗粒体积，矗 a 相在混和物中的体积，m ， a 相的晶胞体积，n 1 3 计算衍射峰强度，C P S 实验衍射峰强度，C P S 高斯随机数 时间步长，s 希腊字母 磁介质的退磁因子 粒子退磁因子 曳力系数 过滤器的空隙率 颗粒物总捕集效率 颗粒物分级捕集效率 气体平均自由程 捕集系数 气体动力粘度 真空导磁因数，T m A 流体导磁因数，T m A 流体密度，k g ／m 3 粒子密度，k g ／m 3 粒子驰豫时间 磁标势 磁化率，c m 3 ／g 粒子磁化率，C m 3 ／g 流体磁化率，c m 3 ／g 流函数 Ⅳ‰}v硌％‰％％乃， ％唧，占 玎聃l七∥肋缈办办f中 z 而影y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅，可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容。论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名导师签名缒日期翟业万 第一章绪论 1 ．1 本文研究背景及意义 第一章绪论 煤炭是我国主要的一次能源，约占一次能源的7 5 ％E 1 1 。燃煤过程会造成严重的污染，燃煤 排放的二氧化硫 s 0 2 、二氧化碳 C O 、氮氧化物 N O x 和粉尘分别占我国排放量的8 7 ％、 7 1 ％、6 7 ％和6 0 0 ／, 【2 】。燃煤电厂污染控制对于改善我国大气环境质量，保持电力行业的可持续 发展意义重大。 我国是世界上第二大能源消费国和第三大能源生产国，目前正处于经济发展高速增长时 期，可持续发展的能源供应正面临着巨大挑战。根据国家统计局的统计p 】，2 0 0 1 ～2 0 0 3 年我国 能源消费总量折合分别为1 3 ．5 亿、1 4 ，8 亿和1 6 ．8 亿标准煤，其中煤炭消费占其中的平均值6 6 ％， 7 5 ％煤炭被用于发电。在过去2 0 年，我国的发电量以每年8 ％至9 ％的速率增长。在今后相当 长的时期内，我国的能源结构中以煤为主的格局不会改变，煤炭仍然是我国的主要能源，据 估计在未来2 0 年，我国能源需求还将显著增长，到2 0 2 0 年我国的能源需求将达到3 l 亿吨标 准煤左右，占全球的1 3 ．2 ％。 巨大的能源消耗带来燃烧污染物的大量排放和自然环境的日益恶化，大气能见度、酸雨、 光化学烟雾，大气颗粒物污染等问题越来越突出，引起世界各国的高度关注。仅大气颗粒物 污染方面，据统计2 0 0 4 年我国的烟尘排放量已达1 0 9 5 万吨【4 J ，比上年增加4 ．4 ％。其中工业 烟尘排放量8 8 6 ．5 万吨，占烟尘捧放总量的8 1 ，O ％，比上年增加4 ．8 ％；生活烟尘排放量2 0 8 ．5 万吨，占烟尘排放总量的1 9 ．O ％，比上年增加3 ．0 ％。颗粒物的大量排放，对于环境及人类健 康造成很大危害。 大气颗粒物 A i r b o m e P a r t i c u l a t e M a t t e r 指的是分散在大气中的固态或液态颗粒状物质， 颗粒的大小直接影响到颗粒的性质及其对环境和生物的影响。粒径的测定方法不同，其定义 方法也不同，得到的粒径数值往往差别很大，很难进行比较。在除尘技术中为考查颗粒在流 体中的动力学行为，通常用斯托克斯 S t o k e s 直径4 和空气动力学直径磊来表征颗粒的大小。 斯托克斯直径是指在同一流体中与颗粒的密度相同和沉降速度相等的球的直径，而空气动力 学直径是指在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度如 1 9 ，c 矗 的球的直径p J 。 不同粒径颗粒物的定义如下[ 6 】。降尘 d u s tf a n 较粗的粒子，靠自身的重量即可较快沉降 到地面上的颗粒物，其粒径范围大约为l O O g m ～1 0 0 0 p m 。大气颗粒物中总悬浮颗粒物T S P T o t a l S u s p e n d e dP a r t i c l e 空气动力学直径小于l O O p m a 的颗粒的总称。P M l o i n h a h b l ep a r t i c u l a t e m a t t 0 0 空气动力学直径小于1 0 1 a n 的颗粒物，能在空气中长时间悬浮，它可以通过呼吸进入 人体的上、下呼吸道，故又名可吸入颗粒物。P M 2 } l o c o a r s ep a r t i c u l a t e 空气动力学直径小 于1 0 m 并且大于等于2 ．5 1 m a 的颗粒物，俗称粗粒。P M 25 f r e ep a r t i c u l a t e 空气动力学直径 小于2 ．5 1 a m 的颗粒物，通常称为细粒。 随着对大气颗粒物研究的深入，人们认识到粒径在l O l a n 以下的颗粒物是对环境和人体健 康危害最大的一类污染物，并且细颗粒的危害性比粗颗粒更加严重。现代医学和大气学科研 究表明，空气动力学尺度大于l O I t m 的颗粒物，基本上可以被人类鼻腔拦截；而2 p n v ．- l O v u n 的 东南大学博士学位论文 颗粒，可进入人体咽喉，约9 0 ％可进入并沉积于呼吸道，1 0 ％可以到达肺的深处，并沉积于 肺中；小于2 岬的颗粒，1 0 0 ％可以吸入肺泡中，进而进入人体血液循环【7 】。图1 ．1 给出了可 吸入颗粒物在人体肺泡处沉积比例。其中粒径在l g r n 左右的颗粒沉积的比例较大大气颗粒 物对人体的危害程度主要取决于其成分、浓度和粒径。成分是主要的致病因子，决定是否有 害和引起何种疾病浓度和暴露时间决定了吸入剂量，浓度越高、暴露时间越长，则危害越 大而颗粒物粒径与其在呼吸道内沉着、滞留和清除有关。 籁 求 遨 避 颗粒直径d ／p 1 1 1 图1 ．1 可吸入颗粒物在肺泡处的沉积概率‘8 1 由于可吸入颗粒粒径小、比表面积大，因而其吸附性很强，容易成为空气中各种有毒物 质的载体，特别是容易吸附多环芳烃、多环苯类和重金属及微量元素等阻⋯，使得致癌、致畸、 致变的发病率明显升高“7 - 2 0 l 。P M l o 对人胚肺成纤维细胞 h u m ml u n gf i b r o b l a s t , H L F 死亡率的 影响如图1 ．2 所示。 浓度C ／峙m l “ ‘ 图1 ．2 不同浓度的P M I o 对H L F 的影响。 此外，可吸入颗粒物除对人体健康产生不良影响以外，还会对大气能见度、酸雨、大气 2 第一章绪论 的辐射平衡，平流层和对流层的化学反应等造成重要影响[ 2 2 。3 0 ] 。 【a c P M 25 8p g ／矗 b c P №5 4 0 p g ，m 3 图1 ．3 可吸入颗粒物对大气能见度影响示意图‘3 1 】 因此各个国家对颗粒物制定的排放标准日趋严格。美国国家环保局 E P A 首先在1 9 8 5 年将 原始颗粒物指示物质由T S P 项目修改为P M J o ，进而又于1 9 9 7 年修改了大气质量标准，增加 了P M 2s 的最高限值p “，以降低细颗粒物对人体健康、环境和气候等的危害；欧盟也于1 9 9 7 年提出了自己的P M 5 标准阱】，见表1 ．1 。我国在1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准