全 文 ：二氧化硫在烤烟密集烤房群周围的空间分布*
贺摇 帆1 摇 王摇 梅2 摇 王摇 涛3 摇 孙建锋4 摇 黄五星1 摇 田斌强1 摇 宫长荣1**
( 1河南农业大学烟草学院, 郑州 450002; 2铁岭市烟草公司昌图分公司, 辽宁铁岭 112000; 3曲靖市烟草公司师宗分公司, 云
南曲靖 655000; 4云南省烟草公司, 昆明 650000)
摘摇 要摇 为实现 “节能减排、省工降耗冶,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鄄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 SO2浓度变化进行研究.结果表明: 烤烟
烘烤过程烟囱烟气中 CO2和 SO2均在 38 益稳温时最大,氮氧化物在 42 益稳温时最大;SO2排
放浓度范围为 1327. 60 ~ 2218. 40 mg·m-3;通过添加 4. 0%的固硫剂,平均 SO2排放可减少
49. 7% .对烤房群下风向 SO2扩散的测算表明,SO2地面浓度最大值出现在变黄期;水平方向
43 ~ 80 m范围内,SO2质量浓度超出 0. 5 mg·m-3,其中 50 m处的空气中 SO2浓度值最高,为
0. 57 mg·m-3;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 SO2质量浓度
均超出 0. 5 mg·m-3,其中 1. 6 m高处的 SO2浓度达到最高,为 0. 65 mg·m-3;通过添加固硫
剂,可使 SO2质量浓度平均降低 0. 43 mg·m-3 .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.
关键词摇 二氧化硫摇 烤烟摇 密集烤房群摇 空间分布
文章编号摇 1001-9332(2014)03-0857-06摇 中图分类号摇 S19摇 文献标识码摇 A
Spatial distribution of sulfur dioxide around a tobacco bulk鄄curing workshop cluster. HE
Fan1, WANG Mei2, WANG Tao3, SUN Jian鄄feng4, HUANG Wu鄄xing1, TIAN Bin鄄qiang1, GONG
Chang鄄rong1 ( 1 College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, Chi鄄
na; 2Changtu Branch, Tieling Tobacco Company, Tieling 112000, Liaoning, China; 3Shizong
Branch, Qujing Tobacco Company, Qujing 655000, Yunnan, China; 4Yunnan Tobacco Company,
Kunming 650000, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(3): 857-862.
Abstract: In order to manifest lower energy consumption and less labor employment, and provide
the theoretical basis for constructing environmentally friendly modern tobacco agriculture, this paper
analyzed gas composition of the chimney from a bulk鄄curing barn and the dispersion of sulfur dioxide
(SO2) around the workshop cluster using ecom鄄J2KN flue gas analyzer and air sampler. During cu鄄
ring, the concentrations of carbon dioxide (CO2) and SO2 in the chimney were both highest at 38
益, while the concentration of nitrogen oxides (NOx) was highest at 42 益 . The emission concen鄄
tration of SO2 from the chimney was 1327. 60-2218. 40 mg·m-3 . Average SO2 emission would de鄄
crease by 49. 7% through adding 4. 0% of a sulfur鄄fixed agent. The highest concentrations of SO2
in the surface soil appeared at the yellowing stage. SO2 concentration in horizontal direction loca鄄
lized at 43-80 m exceeded 0. 5 mg·m-3 . The highest concentration of SO2(0. 57 mg·m-3) was
observed at 50 m. At 50 m in the downstream wind direction of the workshop cluster, SO2 concen鄄
tration in vertical direction localized at 0. 9-1. 8 m exceeded 0. 5 mg·m-3, and the highest con鄄
centration of SO2 in vertical direction was 0. 65 mg·m-3 at 1. 6 m. During curing, the average con鄄
centration of SO2 was decreased by 0. 43 mg·m-3 by using the sulfur鄄fixed agent. The polluted
boundary was localized at 120 m in the downstream wind direction of the workshop cluster.
Key words: SO2; flue鄄cured tobacco; bulk鄄curing barn cluster; spatial distribution.
*国家烟草专卖局科技重大专项(Ts鄄01鄄2011006)资助.
**通讯作者. E鄄mail: gongchr009@ 126. com
2013鄄07鄄15 收稿,2013鄄12鄄04 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 3 月摇 第 25 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2014, 25(3): 857-862
摇 摇 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 SO2或硫酸会对燃烧设备的金属表面造成
腐蚀[4-7];空气中 SO2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[12] . “节能减排、省工降耗冶已成为相关研
究者的关注焦点.以集中供热技术代替“一房一炉、
单炉单烤冶可以减少燃煤量控制污染气体排放[13];
利用太阳能、电能和生物能(沼气)等洁净能源[14-15]
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
SO2排放和扩散规律,以及烤房群周围空间环境 SO2
浓度变化进行研究,旨在探索高效可行的“节能减
排冶方式,为建设环境友好型现代烟草农业提供理
论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验环境
试验于 2010—2011 年 7—10 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伊104 m2 .
每年 7—10 月为烤烟烘烤期,烤房运行率 90%
以上.
1郾 2摇 试验设计
1郾 2郾 1 密集烤房烟囱出口气体监测摇 2010 年对正在
烘烤的标准密集烤房(规格 8. 0 m伊2. 7 m伊3. 6 m)
周围空气温度、烟囱出口气体温度、O2、CO2、NO、
NO2、NOx、SO2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煤,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 kg·m-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 益和
42 益、定色期 47 益和 54 益以及干筋期 68 益稳温
时)对空气温度、烟囱出口气体温度、O2、CO2、NO、
NO2、NOx、SO2质量浓度等进行测定.
1郾 2郾 2 密集烤房群周围环境监测点设置摇 根据罗平
县 2011 年 7—10 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郾 6
m·s-1,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摇 烘烤季节罗平县风向玫瑰图
Fig. 1摇 Rose graph of wind direction during curing season at Luoping Town.
C: 静风 Calm wind.
858 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 2摇 烤房群监测位点相对设置
Fig. 2摇 Relative position of monitoring sites around the bulk鄄cu鄄
ring barn cluster.
摇 摇 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 50 m 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 100
m、150 m、200 m(敏感区)、300 m(敏感区)、400 m
(敏感区)处再设置 5 个水平位点. 在烤房群 50 m
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. 0
m.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郾 3摇 测定项目与方法
采用德国 ecom鄄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 SO2排
放量 -处理 SO2排放量) /对照烤房 SO2排放量 伊
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 SO2含量进行
检测.
1郾 4摇 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 SO2质量
浓度;采用大气环境防护距离标准计算程序(Ver
1郾 1)计算大气环境防护距离.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 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 益;烟囱出口排放的气体温度为
52. 94 ~ 63. 37 益,随着烘烤的进行呈先增加(最大
值为 54 益)后下降的趋势. 烟囱排放出的气体中,
O2含量在 38 益时最低,42 益及以后各温度点之间
差异不明显. CO2含量在 38 益稳温时最高,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 益稳温时均达到最
高;但各温度点的 NO含量明显高于 NO2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 SO2排放浓度不同,由变黄期到干筋期,SO2排放
浓度逐渐降低.其中,变黄期 38 益稳温时 SO2排放
浓度最高,平均为 2218. 40 mg·m-3;干筋期 68 益稳
温时 SO2 排放浓 度 最 低,其 平 均 值 为 1327郾 6
mg·m-3 .根据《中华人民共和国大气污染物综合排
放标准(GB 16297—1996)》 [19],氮氧化物排放浓度显
著低于最高允许排放浓度(420 mg·m-3),但 SO2浓
度明显高于其最高允许排放浓度(1200 mg·m-3).
2郾 2摇 密集烤房群运行中 SO2排放及其扩散规律
2郾 2郾 1 密集烤房烘烤过程中烟囱 SO2排放规律摇 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 SO2浓度变化规律略有差
异.其中,CK 的 SO2浓度呈先增加后下降的变化趋
势,而处理(T)在 47 ~ 54 益稳温时略有增加;但两
者在 47 和 54 益稳温时的 SO2浓度差异不显著;且
两者 SO2浓度排放最高点均在 42 益稳温时(图 3).
处理 T在烘烤各关键温度点的 SO2浓度均极显著低
于CK,其中,CK在38 ~ 54 益稳温时SO2浓度均显
表 1摇 未添加固硫剂时密集烤房烟囱出口气体排放
Table 1摇 Gas emission from chimney of bulk鄄curing barn with no sulfur鄄fixing agent (mean依SD )
温度点
Temperature
points
(益)
空气温度
Air
temperature
(益)
烟气温度
Gas
temperature
(益)
O2
(% )
CO2
(% )
NO
(mg·m-3)
NO2
(mg·m-3)
NOx
(mg·m-3)
SO2
(mg·m-3)
燃煤含硫量
Sulfur content
of coal
(% )
38 33. 60依2. 05 52. 94依1. 19 13. 2依0. 6 6. 3依0. 5 27. 70依0. 95 14. 70依0. 48 42. 80依 1. 55 2218. 40依298. 85
42 33. 19依2. 55 54. 12依1. 66 16. 8依0. 3 2. 1依0. 3 36. 50依3. 92 21. 60依2. 01 58. 10依 5. 30 1825. 10依292. 13
47 30. 19依2. 45 61. 33依4. 35 17. 9依0. 8 1. 9依0. 1 22. 37依9. 94 10. 32依5. 17 32. 08依15. 78 1500. 60依166. 15 1. 4
54 30. 91依2. 70 63. 37依3. 15 16. 9依0. 4 4. 3依0. 6 24. 00依9. 07 13. 00依4. 84 37. 00依13. 27 1500. 89依119. 95
68 28. 64依2. 89 59. 18依6. 89 17. 1依1. 0 1. 9依0. 2 17. 00依8. 00 10. 00依4. 00 27. 00依12. 00 1327. 60依95. 99
9583 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 贺摇 帆等: 二氧化硫在烤烟密集烤房群周围的空间分布摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 不同处理密集烤房烟囱 SO2排放
Fig. 3 摇 SO2 emission from chimney of bulk鄄curing barn under
different treatments (mean依SD).
CK: 对照 Control; T:处理 Treatment; E:固硫效率 Sulfur fixation effi鄄
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郾 05) Different small letters of the same curing temperature indicated
significant difference among treatments at 0. 05 level.
著高于最高允许排放浓度(1200 mg·m-3);处理 T
只在 42 益稳温时 SO2 浓度略高于 1200 mg·m-3,
但较 CK减少 SO2排放 49. 4% .整体上,与 CK相比,
处理 T的密集烤房烟囱 SO2排放浓度大幅降低,整
个烘烤过程可减少 SO2排放 49. 7% .
2郾 2郾 2 密集烤房群运行时周围 SO2扩散规律摇 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 益)、定
色期(47 和 54 益)和干筋期(68 益),对密集烤房群
运行时 SO2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,SO2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 SO2扩散到地面的最大质量浓度是 0郾 83
mg·m-3 ,出现的位置是距离烤房群58 m处;定色
图 4摇 密集烤房群运行时周围 SO2扩散规律
Fig. 4 摇 Diffusion pattern of SO2 around the bulk鄄curing barn
cluster during curing.
1)变黄期 Yellowing stage; 2)定色期 Leaf鄄drying stage; 3)干筋期
Stem鄄drying stage.
期 SO2地面最大质量浓度为 0. 60 mg·m-3,出现的
位置是距离密集烤房 64 m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 64
m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 SO2扩散到地面的最大质量
浓度是 0. 26 mg·m-3,出现的位置是距离烤房群 69
m处;定色期地面最大质量浓度为 0. 22 mg·m-3,
出现的位置是距离烤房群 68 m处;干筋期地面最大
质量浓度为 0. 13 mg·m-3,出现的位置是距离烤房
群 51 m处(图 5). 烘烤过程中,添加固硫剂的烤房
群周围 SO2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 SO2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 mg·m-3 .
2郾 3摇 密集烤房群运行对周围空间环境 SO2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 SO2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,SO2浓度显著增加;在 50 m时 SO2浓
度达到最高,为0. 57 mg·m-3;50 m之后随着距离
图 5摇 SO2地面质量浓度实测
Fig. 5摇 Measured value of the ground sulfur dioxide concentration (mean依SD).
068 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 2摇 SO2质量浓度的回归方程
Table 2 摇 Regression equation of sulfur dioxide concentra鄄
tion
取值范围
Value range
回归方程
Regression equation
R2
0臆Xh臆100 Y=-0. 0003Xh 2 +0. 0331Xh-
0郾 2647
1. 0000
100< Xh臆400 Y=3. 0000伊10-6Xh 2 -0. 0029Xh+
0. 7166
0. 9982
0臆Xv臆2 Y=0. 5960Xv 4 -3. 6529Xv 3 +
7郾 4511Xv 2 -5. 6621Xv+
1. 6878
1. 0000
Xh: 密集烤房群下风向的水平距离 Distance in horizontal direction
(m); Xv: 烤房群下风向 50 m处的垂直距离 Distance in vertical direc鄄
tion (m); Y: SO2质量浓度 Sulfur dioxide concentration (mg·m-3).
的增加,SO2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. 5 m 范围内,
随着高度的增加, SO2 浓度呈急速下降趋势;在
0. 5 ~ 1. 6 m范围内,随着高度的增加,SO2浓度呈增
加趋势;在 1. 6 m以上 SO2浓度呈下降趋势,其中在
1. 6 m 处达到最高值(0. 65 mg·m-3).根据烤房群
周围空间环境 SO2浓度实测情况,对 SO2浓度随水平
和垂直空间距离的变化进行回归分析,建立 SO2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 ~ 100 m 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 ~ 80 m范围内,SO2质量浓
度超出 0. 5 mg·m-3;以地面为参照物,距离地面
0郾 9 ~ 1. 8 m高处,SO2质量浓度超出 0. 5 mg·m-3 .
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 120 m
范围内属于大气环境防护距离.
3摇 讨摇 摇 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、SO2和粉尘等排入大气
造成环境污染的问题[7,20] .本研究结果表明,烤烟烘
烤过程烟囱烟气中 CO2、氮氧化物和 SO2的排放量
均在变黄期(38 和 42 益)最大,随着烘烤进程的推
进均有所降低;但 CO2和 SO2均在 38 益稳温时最
大,氮氧化物在 42 益稳温时最大,这与黄维等[21]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 SO2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郾 0%的固硫剂,密集烤房烟囱 SO2排放浓度大幅降
低,可平均减少 SO2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(Aermod
System)中的大气估算工具对密集烤房群运行时
SO2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,SO2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 ~ 70 m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 mg·m-3 .烤房群下风向周围空间环
境的 SO2质量浓度实际监测结果表明,实际生产中,
SO2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左右的空气中 SO2浓度值最高;
在距离烤房群 50 m 的垂直方向上,1. 6 m 高处的
SO2浓度达到最高值,为 0. 65 mg·m-3 . 根据《中华
人民 共 和 国 环 境 空 气 质 量 标 准 ( GB 3095—
2012)》 [24],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 SO2的小时质量浓度限值平均
为 0. 5 mg·m-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 ~ 80 m的范围内,SO2质
量浓度超出 0郾 5 mg·m-3;以地面为参照物,距离地
面 0. 9 ~ 1. 8 m 高处的 SO2 质量浓度超出 0郾 5
mg·m-3;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居住[25-26]. 针对密集烤
房群大气防护距离内的 SO2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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作者简介 摇 贺 摇 帆,男,1975 年生,博士,副教授. 主要从事
烟草调制与加工研究. E鄄mail: hefanyc@ 163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
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