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朝阳科技大学 环境工程与管理系 专题期末报告 工业锅炉细悬浮微粒排放特性与化学成份分析研究 Research on industrial boilers fine suspended particles emission characteristics and chemical composition analysis 指导教授:杨锡贤 博士 专题生:10025088 陈俐祯

10025010 陈恩谕

10025112 萧亦辰

10025120 徐嘉佑 中华民国

103 年12 月19 日 朝阳科技大学环境工程与管理系 Department of Environmental Engineering and Management, Chaoyang University of Technology 专题期末报告 Final Report for Special Topics 工业锅炉细悬浮微粒排放特性与化学成份分析研究 Research on industrial boilers fine suspended particles emission characteristics and chemical composition analysis 指导教授:杨锡贤 博士 (Hsi-Hsien Yang) 专题生:10025088 陈俐祯 (Li-Chen Chen)

10025010 陈恩谕 (En-Yu Chen)

10025112 萧亦辰 (Yi-Chen Shiau)

10025120 徐嘉佑 (Jia-You Shiu) 中华民国

103 年12 月19 日Dec 19,

2014 I 摘要 环保署於民国

101 年5月14 日将细悬浮微粒(PM2.

5)列入空气品质标 准,迈开了 PM2.5 管制的重要一步.固定污染源是 PM2.5 的来源之一,充 分掌握各类固定污染源 PM2.5 排放量与化学组成特徵,有助於了解各种固 定污染源对大气 PM2.5 的贡献,以进一步推动各项减量管制措施.本研究 分别使用美国环保署公告之 USEPA Method201A 与Method

202 进行工业 锅炉烟道中过滤性微粒(Filterable Particulate Matter, FPM)与凝结性微粒 (Condensable Particulate Matter, CPM)之采样与分析,并进行过滤性 PM2.5 化学成份组成分析 . 本研究所采样之烟道废气温度皆超过 30℃ , 依Method

202 规定须进行凝结性微粒检测.本研究工业锅炉采样依使用燃料分为烟 煤、重油锅炉,结果显示 PM2.5 平均浓度以燃油锅炉(486 mg/m3 )较高,其 次为燃煤锅炉(34.7 mg/m3 ).在FPM 与CPM 的比例中,大部分以 CPM 大於FPM.也可从本研究比较两座同样以重油为燃料之锅炉,其中一座锅 炉设有袋式集尘器,其PM2.5 排放系数为 30.9 g/ton;

另一座未装设任何防 制设备的重油锅炉 PM2.5 排放系数为 72.7 g/ton,由此显示袋式集尘器可大 幅降低 PM2.5 的排放. 关键字:固定污染源 PM2.

5、Method 201A、Method

202、过滤性与凝结性 微粒 II 致谢 本研究报告的顺利完成,首先要感谢指导教授杨锡贤博士,从研究题 目探讨及决定,杨博士给予很多的建议及思考方向,得以确定此研究题目 及研究方向,而本研究的过程及编写,也在杨博士的指导及不断修正下, 不只在撰写论文的能力有所成长,对於做事情与求知的态度也变得更加积 极,才让研究初稿顺利完成. 研究期间,非常感谢李奎廷学长与罗绍玮学长,你们总是不厌其烦的 教导我们,在研究方面总是给予我们很大的帮助,也在这期间所提出诸多 问题指正,并且在杨博士的指导下修正其指正问题,得以让此研究报告更 为完善,此恩情永远铭记於心. 最后要感谢每位组员的家人,不论我们遭遇任何挫折都在我们身边给 予我们鼓励与支持,虽然这段期间少了许多与他们相处的时间,但是他们 却不曾抱怨,家人的鼓励是我们勇於挑战的原动力,有家人的支持才使我 们更加坚强. 另外还有许多在这期间帮助我的人,虽然在此致谢未被提及,对於你 们的协助恩情,我们都会铭记於心,在此祝福你们平安、快乐、顺心. III 总目录 摘要.I 致谢.II 总目录.III 表目录.V 图目录.VI

第一章 前言.1 1.1 研究背景.1 1.2 研究目的.2

第二章 文献回顾.3 2.1 悬浮微粒特性

3 2.2 烟道排放 PM2.5 型态.3 2.3 细悬浮微粒之危害

4 2.4 粒状物化学组成

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第三章 实验设备与方法.7 3.1 烟道采样规划.7 3.2 采样设备.8 3.3 采样方法.9 3.4 烟道 PM2.5 分析方法

10 IV 3.5 烟道排放系数

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第四章 结果与讨论.14 4.1 各采样点排气温度与水份.14 4.2 各采样点排气气体组成.14 4.3 各采样点过滤性 PM2.5 浓度

15 4.4 各采样点 FPM 滤纸与 PM2.5 旋风分径器微粒分布比例.16 4.5 各采样点凝结性 PM2.5 浓度

17 4.6 各采样点 CPM 无机、有机、滤纸比例

18 4.7 各采样点 FPM 及CPM 微粒分布比例

19 4.8 各采样点碳成份浓度.19 4.9 各采样点水溶性离子浓度.20 4.10 各采样点金属元素浓度.21 4.11 各采样点各成份分析.22 4.12 各采样点排放系数.23

第五章 结论.25 参考文献.26 附录

102 年度专题报告意见回覆.28 V 表目录 表3.1 本研究固定污染源 PM2.5 采样点基本资料.7 表4.1 各采样点排放系数.24 附表

1 期中报告意见回覆.28 附表

2 期末报告意见回覆.28 VI 图目录 图2.1 烟道粒状物排放型式.4 图4.1 各采样点排气温度与水份.14 图4.2 各采样点排气气体组成.15 图4.3 各采样点过滤性 PM2.5 浓度

16 图4.4 各采样点 FPM 滤纸与 PM2.5 旋风分径器微粒分布比例.17 图4.5 各采样点凝结性 PM2.5 浓度

18 图4.6 各采样点 CPM 无机、有机、滤纸比例

18 图4.7 各采样点 FPM 及CPM 分布比例

19 图4.8 各采样点碳成份浓度.20 图4.9 各采样点水溶性离子浓度.21 图4.10 各采样点金属元素浓度.22 图4.11 各采样点各成份分析.23

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第一章 前言 1.1 研究背景 随著工业发展,国内主要都会区的空气品质受到明显的冲击,根 保署统计,近十年来工厂之成长幅度为 31%,每年排放至大气之悬浮微粒 占全国排放量的 11%,亦是造成台湾地区空气品质不良之一(陈,2003), 其中又以大气气胶(或称悬浮微粒)及臭氧的污染情况最为严重.大气气胶 (aerosols)是指悬浮在空气中的细小颗粒,其来源可分为自然产生及人为排 放两类,前者如火山爆发、森林火灾、海水飞沫、生物作用等;

后者则以 工业污染及车辆废气为主. 工业化的需求,使人类大量燃烧石化燃料以提供动力来源,燃烧源可 分为固定或移动的来源等,移动污染源主要是机动车、飞机和船只等,固 定污染源是工业厂房、发电厂、炼油厂、锅炉等.目前国内大小锅炉预估 约有上万座,依燃料的使用又可分为燃煤锅炉、燃油锅炉、木材锅炉及天 然气锅炉等,燃烧过程中会产生大量污染物造成空气污染. 为了改善大气中PM2.5污染状况 , 须针对排放源头进行有效减量管制. 在环保署与各县市单位积极努力之下,许多改善空气品质的计画相继进行 中.我国於

102 年6月15 日公告 「排放管道中细悬浮微粒 PM2.5 检测方法」 (NIEA A212.10B),目的是为了了解固定污染源 PM2.5 排放之现况.目前我

2 国固定源 PM2.5 指纹资料库相当缺乏,欲进行固定源 PM2.5 排放组成特性 资料库建立,须针对国内重大固定源进行烟道 PM2.5 采样. 1.2 研究目的 本研究针对台湾地区锅炉进行固定源 PM2.5 采样,采样方法参照环检 所公告之「排放管道中细悬浮微粒(PM2.5)检测方法(NIEA A212.10B)」. 内容主要参考美国环保署之 Determination of PM10 and PM2.5 Emissions from Stationary Sources (USEPA Method 201A),但标准方法内容仅进行过 滤性微粒之采样分析,未包含凝结性微粒.根拦繁Ｊ鸸嬷痰 PM2.5 采样方法,当烟道废气温度超过 30℃须进行凝结性微粒检测.为完 整进行 PM2.5 之检测 , 故本研究分别依拦繁Ｊ鸸嬷 USEPA Method 201A 与 Dry Impinger Method for Determining Condensable Particulate Emissions from Stationary Sources (USEPA Method 202)进行烟道中过滤 微粒(FPM)与凝结性微粒(CPM)之采样与分析.并进行固定污染源过滤性 PM2.5 排放化学成份组成分析,分析项目包括碳成份、阴阳离子与金属元 素.并建立台湾地区固定污染源工业锅炉燃烧排放 PM2.5 微粒化学组成资 料,t解其本土化锅炉烟道排放特徵,并建立指纹图谱.

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第二章 文献回顾 2.1 悬浮微粒特性 PM2.5的定义为粒径小於等於2.5 μm之悬浮微粒 , 又称为细悬浮微粒. PM2.5 之主要来源包括经大气化学反应所形成及经由燃烧后所排放之微粒. 可归类成衍生性及原生性两大类. 细悬浮微粒来源有:自然源悬浮微粒:火山灰、尘灰、海盐悬浮微粒 等(占极少数),原生性细悬浮微粒:火力发电厂、石化工厂、一般工厂燃 烧不完全所产生的,包括重金属、戴奥辛、多环芳香烃、及柴油车燃烧不 完全的有机碳,衍生性细悬浮微粒:工厂、汽机车、石化业排放之硫氧化 物或氮氧化物、有机碳化合物,受到日光照射后所产生的硫酸盐、硝酸盐 及有机碳等细悬浮微粒. 2.2 烟道排放 PM2.5 型态 过滤性微粒(Filterable Particulate Matter, FPM) :在烟道直接排放中粒状物 以固态或液态微粒的型态排放,可以滤纸所收集之粒状物;

凝结性微粒 (Condensable Particulate Matter, CPM) :指烟道中之气相物质排放於大气 后,经冷却形成固态或液态之微粒.所有凝结性微粒为 PM2.5 的一部分;

分析凝结性 PM2.5 之重要性:CPM 占PM2.5 组成比例相当高,视排放源类 别、温度与控制设备而异,燃烧源及冶炼等行业产生大量气体可凝结成

4 PM2.5. 图2.1 烟道粒状物排放型式 2.3 细悬浮微粒之危害 PM2.5 对人体健康的影响:空气中的悬浮微粒会经由鼻、咽及喉进入 人体,PM10 可由鼻腔去除 PM2.5 则会经由气管、支气管进入人体内部,气 喘及过敏(如:过敏性鼻炎)、呼吸系统疾病(如:气管炎或支气管炎)、心 血管疾病(如:心脏病)、眼科疾病(如:结膜炎)、皮肤疾病(如:皮肤炎) 甚至是死亡. PM2.5 悬浮微粒易附著戴奥辛、多环芳香烃以及重金属等有毒物质, 长期吸入会引起过敏、气喘、肺气肿、肺癌、心血管疾病、肝癌、血液疾 病等.根拦д卟ㄆ盏鹊难芯:每立方公尺增加十微克(10 μg/m3 )的PM2.5,就会增加疾病的死亡率,而浓度的减少就会增加寿命.

5 2.4 粒状物化学组成 2.4.1 元素碳/有机碳 碳元素微粒是都会及重工业都会区的细粒径气胶的主要化学组成之 一,碳元素微粒从许多逸散源所排放的,包含汽车运输工具、燃料燃烧及 工业程序(如有机溶剂的使用、化学药品、冶金及废弃物燃烧等)(Park et al., 2001). 大气微粒中的碳元素的组成主要包含两种主要组成黑碳(或称之为元 素碳)及各种有机物质(有机碳).元素碳(EC)只有在燃烧程序才会产生,因 此元素碳都是属於一次气胶.元素碳在减低视程的危害上特别有作用,因 为它具有吸收光的性质;

元素碳也扮演著大气中的二次气胶形成程序的重 要角色(Chang et al., 1982);

元素碳同时也被认为是携带有毒物质到人体或 动物呼吸系统的潜在媒介物,而且有可能是造成癌症的潜在原因之一. 有机碳(OC)主要分成两种:有些是直接由污染源所逸散出来的(一次 有机碳),另外一些是经气相前驱物的大气反应所产生的有机碳(二........