林宇，杨莹，李美玲，顾闻，姚海博

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

港口煤炭作业细颗粒物（PM2.5）排放特征研究

林宇，杨莹，李美玲，顾闻，姚海博

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

文章分析了港口煤炭作业细颗粒物（PM2.5）的主要来源，采用天津港主要煤炭作业货种粒径筛分实验、煤炭起尘污染源样品再悬浮实验和天津港煤炭作业起尘（细颗粒物）监测等技术手段开展研究，基于已取得的实验和监测数据，对港口煤炭作业细颗粒物（PM2.5）的排放特征、排放强度展开讨论，并根据讨论结果提出了港口煤炭作业PM2.5的源强估算方法。

PM2.5；港口；煤炭；大气污染

港口大宗干散货（矿石、煤炭等）在堆存、装卸、运输过程中排放的PM2.5是所在地大气细颗粒物污染的主要来源之一。目前我国半数以上港口货物吞吐量都是由分布在京津冀、长三角、珠三角等大气重污染区域的港口完成［1］，随着近年来铁矿石、煤炭等易起尘货种吞吐量的快速增长，作业量大幅度增加，港口散货作业排放细颗粒物（PM2.5）污染控制的难度和压力进一步加大。交通运输部天津水运工程科学研究所从2013年开展以煤炭港口为代表的典型散货港口细颗粒物（PM2.5）污染排放研究工作，充分利用粒径筛分、再悬浮模拟实验、环境实测等多种技术手段，取得了包括港口煤炭作业细颗粒物（PM2.5）排放源强估算方法等在内的阶段性成果。

1 煤炭港口作业主要细颗粒PM2 .5 排放源

煤炭港口PM2.5的主要排放源包括堆场扬尘、装卸过程扬尘、道路扬尘和船舶废气、港口机械废气、集疏运车辆尾气等，可分为粉尘类和废气类两类［2］。本文重点针对港口煤炭作业过程中产生的粉尘类PM2.5排放源开展讨论。

粉尘类PM2.5排放源以港口区域堆场静态起尘和装卸作业动态起尘为主，集疏港道路扬尘为辅［3］，煤炭堆放及装卸过程中粒径较小的粉尘在风力作用下漂移，对所在地大气环境造成不同程度的污染［4］。港口大宗干散货中矿石、煤炭等易起尘货种在堆存、装卸、运输过程中的尘源扩散是构成港口粉尘类PM2.5污染的主体，其产生的粉尘和扩散现象相当复杂，与装卸堆存转运物料的种类及含水量、堆放方式、粒径大小、周边地形以及气象条件等诸多因素有关。现有煤炭堆场大多为露天堆场，属于开放性尘源，产尘点多、涉及面广，粉尘受到风力和机械力时会产生很大浓度［4］。

对于港口干散货码头（矿石和煤炭等）在装、卸、堆、存和运输过程中产生的细颗粒物（PM2.5）面源污染的控制，多年以来国内外采取的措施以洒水抑尘为主，近年来新增了防风抑尘网，还有采取皮带密闭输送和进出车辆轮胎清洗及干法除尘等措施［5］。

2 港口煤炭作业典型货种粒径筛分实验研究

港口煤炭作业起尘中，TSP、PM10和PM2.5等颗粒物的排放情况及相对关系与煤炭的等效粒径（粒度）的分布密切相关，因此有必要开展针对煤炭粒径的检测实验。煤炭粒径筛分实验时，视同样品所有颗粒的真密度相同，颗粒物的重量分布和体积分布一致，采用粒度分析仪测试得出不同尺寸粒径的重量分布数据进行统计分析［6］。

2013年10 月，交通运输部天津水运工程科学研究所在天津港对其主要煤炭作业货种进行了样品采集，采用Microtrac S 3500激光分析仪开展粒径筛分实验，粒径测试范围为0.02～2 000 μm。该次实验的统计分析结果见表1。

由表1的统计分析结果可知，煤炭样品中粒径＜2.5 μm的颗粒物（与PM2.5排放密切相关）与粒径＜125 μm的颗粒物（与TSP排放密切相关）的重量比在1.5%～4%，均值在3%左右。该实验结果与下文中的再悬浮实验、污染源现场测试等得到的PM2.5/TSP重量比值数据有较大差异，说明煤炭作业TSP和PM2.5的起尘机理存在明显不同，需要开展深入研究。

表1天津港煤炭作业典型货种的粒径筛分实验数据统计结果Tab.1Particle size sieving experimental data for cargo types in coal terminal of Tianjin Port

3 港口煤炭作业尘污染源样品再悬浮实验研究

利用颗粒物再悬浮采样装置，可以将采集的污染源样品送入混合箱中再悬浮，并经箱底设置采样切割头获得分粒径的颗粒物样品。通过该实验方法，开展动态状态下的颗粒源粒径分布特征研究。交通运输部天津水运工程科学研究所于2014年9月～11月分批次采集了天津港煤码头不同起尘环节的污染源样品，委托南开大学采用自制的颗粒物再悬浮采样装置进行了再悬浮实验，实验数据统计分析结果见表2。

表2天津港煤码头不同起尘环节样品再悬浮实验数据Tab.2Resuspension experimental data for dust samples in coal terminal of Tianjin Port

天津港煤码头不同起尘环节样品再悬浮实验结果表明，煤炭码头起尘环节模拟的PM2.5和TSP排放重量比范围为19.2%～34.8%，均值为26.0%；其中动态起尘环节（煤码头作业面、堆场清扫等）PM2.5和TSP排放重量比范围为33.9%～34.8%，均值为34.4%；静态起尘环节（煤炭堆场）PM2.5和TSP排放重量比范围为19.2%～24.1%，均值为21.4%；煤炭港口道路扬尘样品PM2.5和TSP排放重量比范围为26.8%～28.4%，均值为27.7%。实验数据表明，不同起尘环节PM2.5的排放特征有所区别，基本规律是煤炭作业动态起尘PM2.5排放量＞煤炭运输道路起尘PM2.5排放量＞煤炭堆存静态起尘PM2.5排放量。

4 港口煤炭作业起尘（细颗粒物）现状监测

为深入研究分析港口煤炭作业细颗粒物（PM2.5）的排放特征，交通运输部天津水运工程科学研究所2014年1月～2015年6月对天津港神华煤码头和神华黄骅港开展了多期大气环境监测，监测点位布设包括煤炭堆场等静态起尘环节、煤码头作业区等动态起尘环节、筒仓作业区等环保设施处，监测时段为包括春季、夏季、秋季、冬季的完整周期，监测项目为TSP、PM2.5等。监测中采用TF150F大气中流量智能采样器等环保部门认可的监测仪器，现场监测采样和实验室分析工作严格执行《环境空气颗粒物（PM2.5）手工监测方法（重量法）技术规范》（HJ656-2013）、《环境空气总悬浮颗粒物的测定重量法》（GB/T15432-1995）等相关技术规范。港口煤炭作业起尘现场监测数据的统计分析结果如下：

（1）煤炭港口码头区域颗粒物现状监测结果统计分析。

交通运输部天津水运工程科学研究所2014～2015年期间在天津港神华煤炭码头和神华黄骅港等煤炭码头区域开展了TSP和PM2.5的同步监测，采集的28组监测数据的分析结果见图1（统计分析得出的散点图中，横轴为监测获得的PM2.5浓度（单位mg/m3），纵轴为对应该监测点的PM2.5浓度与TSP浓度的比值，后图同）。

监测期间获得的港口煤炭码头作业区域PM2.5的浓度范围为0.058～1.197 mg/m3，均值为0.275 mg/m3；TSP的浓度范围为0.096～2.131 mg/m3，均值为0.651 mg/m3；PM2.5和TSP排放监测浓度比值的范围为21.3%～80.3%，均值为46.3%；PM2.5监测浓度平均值与TSP监测浓度平均值的比值为42.2%。由散点图统计分析可知，PM2.5和TSP排放重量比的主要分布在30%～60%，对这一区间的监测数据计算平均值为45.7%。码头监测点位均为露天监测点，采集样品中的PM2.5和TSP大部分来自码头装卸作业排放起尘，同时也受该区域其他污染源（机动车和机械废气、锅炉废气等）贡献的PM2.5和TSP的影响，装卸作业起尘量又与监测时段的气象条件（风速、湿度等）以及码头装卸作业的强度密切相关，因此PM2.5和TSP排放重量比波动较大。

（2）煤炭港口堆场区域颗粒物现状监测结果统计分析。

交通运输部天津水运工程科学研究所2014～2015年期间在天津港神华煤炭码头和神华黄骅港等处的煤炭堆场区域开展了TSP和PM2.5的同步监测，采集的68组监测数据的分析结果见图2。

监测期间获得的港口煤炭码头作业区域PM2.5的浓度范围为0.081～0.618 mg/m3，均值为0.220 mg/m3；TSP的浓度范围为0.119～1.952 mg/m3，均值为0.591 mg/m3；PM2.5和TSP排放监测浓度比值的范围为16.5%～78.2%，均值为41.4%；PM2.5监测浓度平均值与TSP监测浓度平均值的比值为37.2%。由散点图统计分析可知，PM2.5和TSP排放重量比的主要分布在25%～50%，对这一区间的监测数据计算平均值为39.2%。在煤炭堆场布设的监测点位均为露天监测点，采集样品中的PM2.5和TSP大部分来自煤炭堆存静态起尘和堆场煤炭装卸作业动态起尘，同时也受该区域其他污染源（机动车和机械废气、锅炉废气等）贡献的PM2.5和TSP的影响，起尘量又与监测时段的气象条件（风速、湿度等）以及煤炭堆场的工况（是否有堆取料作业等）密切相关，因此PM2.5和TSP排放重量比波动较大。

图1港口煤炭作业码头区域颗粒物监测结果统计分析Fig.1Statistical analysis for monitoring results of particulates in the pier of coal ports

图2港口煤炭作业堆场区域颗粒物监测结果统计分析Fig.2Statistical analysis for monitoring results of particulates in the yard of coal ports

图3港口煤炭作业装卸机械作业状态下颗粒物监测结果统计分析Fig.3Statistical analysis for monitoring results of particulates of loading and unloading in coal ports

（3）煤炭港口作业机械旁颗粒物现状监测结果统计分析。

交通运输部天津水运工程科学研究所2014～2015年期间在天津港神华煤炭码头和神华黄骅港等煤炭码头的堆取料机、装船机、翻车机等动态起尘的污染源出开展了TSP和PM2.5的同步监测，采集到12组监测数据的分析结果见图3。

监测期间获得的港口作业机械作业状态下PM2.5的浓度范围为0.107～34.004 mg/m3，均值为5.578 mg/ m3；TSP的浓度范围为0.162～103.983 mg/m3，均值为15.580 mg/m3；PM2.5和TSP排放监测浓度比值的范围为28.1%～76.9%，均值为52.7%；PM2.5监测浓度平均值与TSP监测浓度平均值的比值为35.8%。由于获得的作业机械旁监测数据量较小，仅作为其他监测数据分析时的参考。

5 港口煤炭作业细颗粒（PM2 .5 ）排放源强估算方法

细颗粒物（PM2.5）的起尘过程非常复杂，其机理目前主要通过一些风洞模拟实验，了解平均风速、湿度、粒径等对其的影响程度［7］。国内外对PM2.5的传输过程及沉降过程进行了很多数值模拟研究［8］，但是港口煤炭堆存和装卸作业属于开放性尘源，具有源强不确定性，因此对其动力学过程以及PM2.5排放的源强分布特征研究基本未见于文献，目前也尚无针对港口煤炭作业细颗粒物（PM2.5）排放源强的相对成熟的计算方法。国内要求计算PM2.5排放源强的环境评价项目，曾经采用现有TSP起尘公式计算得出的源强乘以煤炭粒径筛分PM2.5/TSP重量比值的方式来估算。但根据前述交通运输部天津水运工程科研所的研究结果，煤炭粒径筛分PM2.5/TSP重量比值与实际煤炭作业起尘中PM2.5/TSP重量比值相差甚远，煤炭作业过程中PM2.5的起尘方式应与TSP起尘方式有很大差异。采用现有TSP起尘公式计算得出的源强乘以煤炭粒径筛分PM2.5/TSP重量比值的方式来估算的方式得出的PM2.5源强计算结果是不可靠的。

考虑到包括港口建设项目环境影响评价在内的很多领域急需一种港口煤炭作业起尘PM2.5源强的计算方法，在煤炭作业起尘PM2.5污染排放机理得到进一步深入研究之前，基于现有的监测数据及其统计分析结果，提出以下港口煤炭作业起尘PM2.5源强估算方法。

（1）港口煤炭堆场堆存静态起尘。

根据前述环境现状监测和再悬浮等试验模拟结果，取煤炭堆存静态起尘PM2.5/TSP的修正系数为0.2，基于现有2011年发布的《港口建设项目环境影响评价规范（JTS105-1-2011）》［9］中煤堆场风蚀TSP源强公式得到港口煤炭堆场堆存PM2.5静态起尘公式为

式中：Q2x为堆场起尘量，kg/a；α为起尘的物料调节系数（取值范围0.6～1.6）；S为堆表面积，m2；Ux为风速，m/s，U0为混合粒径颗粒的起动风速，m/s；w为含水率，%。堆场内的风速是最大作业风速的89%。A为煤炭堆存静态起尘PM2.5/TSP修正系数，暂定为0.2。

（2）港口煤炭装卸作业动态起尘。

根据前述环境现状监测和再悬浮等试验模拟结果，取煤炭装卸作业动态起尘PM2.5/TSP的修正系数为0.4，基于现有2011年发布的《港口建设项目环境影响评价规范（JTS105-1-2011）》［9］中煤炭装卸作业动态TSP源强公式得到港口煤炭装卸作业PM2.5动态起尘公式为

式中：Q2为作业起尘量，kg；U为堆场内平均风速，为堆场外风速的0.89，m/s；Y为作业量，t；H为作业高度，m；w为含水率，%；α为散货类型调节系数，该值同堆存起尘；β为作业方式系数，装堆（船）时，β=1，堆、取料时，β=1；ω2为水分作用系数，与散货性质有关，散货为0.45；w0为水分作用效果的临界值，即含水率高于此值时水分作用效果增加不明显，与散货性质有关，散货的w0值为6%；ν2为作业起尘量达到最大起尘量一半的风速，与粒径分布和颗粒物密度有关，一般散货取16 m/s。B为煤炭装卸动态起尘PM2.5/TSP修正系数，暂定为0.4。

6 小结

（1）煤炭粒径筛分获得的PM2.5/TSP重量比值与实际煤炭作业起尘监测获得的PM2.5/TSP重量比值相差甚远，说明煤炭作业过程中PM2.5的起尘方式应与TSP起尘方式存在很大差异，下阶段需要针对煤炭作业过程中PM2.5的起尘机理，结合风洞试验等技术手段开展针对性的深入研究。

（2）环境现状监测数据和实验模拟结果表明，港口煤炭装卸作业过程中，煤炭作业动态起尘PM2.5排放量＞煤炭运输道路起尘PM2.5排放量＞煤炭堆存静态起尘PM2.5排放量，今后的工作中，要高度重视包括煤炭运输道路起尘、煤堆场清扫起尘等在内的二次环节起尘的污染机理及减排措施的研究。

（3）现阶段为解决环评等工作需要，可暂采用既有TSP起尘公式乘以不同工况修正系数（煤炭堆场静态堆存0.2、码头等装卸作业动态起尘0.4）的方式，估算港口煤炭作业PM2.5排放源强；待后续深入研究成果成熟后，可将前述修正系数结合天气条件、煤炭含水率、不同作业方式等进一步细化，乃至给出完全不同于TSP起尘公式形式的源强计算方法。

（4）下阶段研究工作中，应继续开展现场监测工作，增加现场监测点位，加强现场监测工况的控制。考虑到PM2.5与PM10的联系比其与TSP的联系更加密切，下阶段研究增加关注同工况下PM10的污染特征。

［1］中华人民共和国交通运输部.2012中国交通运输统计年鉴［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［2］杨柳，徐洪磊.港口营运期PM2.5环境影响评价方法研究［J］.安全与环境工程，2014（4）：85-90. YANG L，XU H L.Research for environmental impact assessment of PM2.5in port［J］.Safety and Environmental Engineering，2014（4）：85-90.

［3］张晋恺.港口散货堆场起尘规律研究［D］.天津：天津大学，2012.

［4］何晓云.曹妃甸港口码头煤炭与矿石粉尘污染特性研究［D］.石家庄：河北科技大学，2011.

［5］辛庚华.露天堆场起尘与防风网遮蔽效果机理研究及现场实测分析［D］.大连：大连理工大学，2010.

［6］聂玮.我国典型地区大气颗粒物测量技术、粒径分布及长期变化趋势［D］.山东：山东大学，2012.

［7］Xuan J，Robins A.The effects of turbulence and complex terrain on dust emissions and depositions from coal stockpiles［J］.Atmo⁃spheric Environment，1994，28（11）：1 951-1 960.

［8］Kang S.Longrange transport of air pollutants in the East Asia during the yellow sand events［C］//Proc.3rd International Joint Seminar on the Regional Deposition Processes in the Atmosphere，1997（527）：131.

［9］JTS105-1-2011，港口建设项目环境影响评价规范［S］.

Study on emission characteristics of fine particulate matter(PM2.5)in coal port

LIN Yu,YANG Ying,LI Mei⁃ling,GU Wen,YAO Hai⁃bo
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In this paper,the main sources of fine particulate matter(PM2.5)in coal port were analyzed.Using a variety of techniques including particle size screening test,resuspension experiment and environmental monitoring, the emission characteristics and emission intensity of fine particulate matter(PM2.5)in coal port were discussed,and the estimation method for source strength of fine particulate matter(PM2.5)in coal port was proposed.

PM2.5;port;coal;air pollution

U 656.1；X 513

A

1005-8443（2015）06-0578-05

2015-08-10；

2015-11-02

交通运输部应用基础研究项目：典型散货港口PM2.5污染机理及其减排技术研究（2013 329 224 310）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目：天津港地区PM2.5污染特征研究（TKS140216）

林宇（1973-），女，天津市人，高级工程师，主要从事交通工程环保研究。

Biography：LIN Yu（1973-），female，senior engineer.