當前，由于大量化石燃料的使用，導致環(huán)境污染和氣候變化，使現有的各種資源如水、糧食、土地以及能源等都面臨著風險，并對我國農業(yè)生產和農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成了重大影響．密集烤房是現代煙草農業(yè)建設的重要基礎設施．密集烤房的集群連體建設不僅實現了現代煙草對規(guī)?；I(yè)化烘烤的要求，而且烘烤用工明顯減少，煙葉質量得到穩(wěn)步提高，10座、50座甚至200座以上的烤房群已成為我國當前烤煙烘烤的主體．目前，我國煙葉烘烤的熱量來源以煤炭為主．相關研究認為，煙葉烘烤是大量耗熱的過程，密集烤房在燃煤供熱過程中會產生大量粉塵、碳氧化合物、硫化合物等，造成環(huán)境污染，硫生成的SO2或硫酸會對燃燒設備的金屬表面造成腐蝕;空氣中SO2濃度偏高對作物生長發(fā)育和產品質量以及人體健康均有不利影響;其排放后的酸沉降對土壤結構、微生物以及森林植被等產生不利影響．“節(jié)能減排、省工降耗"已成為相關研究者的關注焦點．以集中供熱技術代替“一房一爐、單爐單烤"可以減少燃煤量控制污染氣體排放;利用太陽能、電能和生物能(沼氣)等潔凈能源代替煤炭燃燒的供熱方式可以實現碳的．以往的研究主要集中在探索可再生資源或清潔能源以實現煙葉烘烤的節(jié)能減排，但由于各方面原因，其一直處于試驗示范階段，并不能全面推廣．而且關于烤煙烘烤過程中密集烤房燃煤污染氣體排放及其對周圍環(huán)境的影響鮮有報道．因此，本試驗在2010年對單座密集烤房煙囪氣體成分及其含量進行了分析，2011年以密集烤房群為基點，對燃煤添加固硫劑后SO2排放和擴散規(guī)律，以及烤房群周圍空間環(huán)境SO2濃度變化進行研究，旨在探索高效可行的“節(jié)能減排"方式，為建設環(huán)境友好型現代煙草農業(yè)提供理論依據．
1材料與方法
1.1試驗環(huán)境試驗于2010—2011年7—10月在云南省曲靖市羅平縣羅雄鎮(zhèn)烘烤四工場進行．該工場共有密集烤房220座，并排連體布局，占地面積3．33×104m2．每年7—10月為烤煙烘烤期，烤房運行率90%以上．
1.2試驗設計
1.2.1密集烤房煙囪出口氣體監(jiān)測2010年對正在烘烤的標準密集烤房(規(guī)格8．0m×2．7m×3．6m)周圍空氣溫度、煙囪出口氣體溫度、O2、CO2、NO、NO2、NOx、SO2質量濃度等進行測定;2011年，采用標準密集烤房2座，共設置2個處理:對照(CK)，燃料為型煤;處理T，燃料為添加固硫劑的型煤，其中，固硫劑的添加比例為4．0%．各處理煤質和煙葉素質基本一致，裝煙密度65kg·m－3，采用三段式烘烤工藝正常烘烤．在中部葉(9～12位葉)進行烘烤時，分別于烘烤過程中的關鍵溫度點(變黃期38℃和42℃、定色期47℃和54℃以及干筋期68℃穩(wěn)溫時)對空氣溫度、煙囪出口氣體溫度、O2、CO2、NO、NO2、NOx、SO2質量濃度等進行測定．
1.2.2密集烤房群周圍環(huán)境監(jiān)測點設置根據羅平縣2011年7—10月的風向玫瑰圖可知:靜風的頻率為10．4%，風向主要為東北和東南，風速為2.6m·s－1，主導風向不明顯．因此，本研究的監(jiān)測點設置在烤房群的西北方向，基本覆蓋烤房群的下風向．按照《環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》規(guī)定的布點原則，并結合環(huán)境功能區(qū)為主、兼顧均布性，在密集烤房群西北方向的水平距離10、30和50m處設置3個水平監(jiān)測位點．為了尋求烘烤季節(jié)烤房群運行對周圍農作物的影響，在水平方向距離烤房群100m、150m、200m(敏感區(qū))、300m(敏感區(qū))、400m(敏感區(qū))處再設置5個水平位點．在烤房群50m處設置3個監(jiān)測點，在此3個監(jiān)測點上分別設置5個垂直位點，即距離地面0．3、0．5、1．0、1．6和2．0m．同時在烤房群上風向設置1個監(jiān)測位點，作為空白對照．于2011年8月每天8:00、10:00、14:00、16:00進行監(jiān)測，每個時間點連續(xù)監(jiān)測50min．
1.3測定項目與方法采用德國ecom-J2KN多功能煙氣分析儀對密集烤房運行時煙囪氣體進行檢測;由河南省煤炭科學研究院有限公司對所用煤炭煤質進行分析;固硫劑固硫效率的計算公式為:固硫效率=(對照SO2排放量－處理SO2排放量)/對照烤房SO2排放量×99%．采用大氣采樣器(多孔玻璃吸收管)現場采樣，根據文獻對監(jiān)測點大氣SO2含量進行檢測．
1.4數據處理采用MicrosoftExcel2003和SPSS17．0軟件分別進行繪圖和數據統(tǒng)計分析;采用大氣環(huán)境影響評價系統(tǒng)1．3．1．0Aermod空氣擴散模型測算SO2質量濃度;采用大氣環(huán)境防護距離標準計算程序(Ver1.1)計算大氣環(huán)境防護距離．
2結果與分析
2.1密集烤房烘烤過程煙囪出口氣體成分的變化
密集烘烤過程烤房外空氣溫度范圍為28．64～33．60℃;煙囪出口排放的氣體溫度為52．94～63．37℃，隨著烘烤的進行呈先增加(值為54℃)后下降的趨勢．煙囪排放出的氣體中，O2含量在38℃時，42℃及以后各溫度點之間差異不明顯．CO2含量在38℃穩(wěn)溫時，隨后呈先下降然后略有上升而后再下降的趨勢．氮氧化物質量濃度隨著烘烤的進行均呈先上升后下降然后上升而后再下降的趨勢，且在42℃穩(wěn)溫時均達到;但各溫度點的NO含量明顯高于NO2含量．在原煤含硫量維持在1．4%的平均水平時，不同烘烤階段SO2排放濃度不同，由變黃期到干筋期，SO2排放濃度逐漸降低．其中，變黃期38℃穩(wěn)溫時SO2排放濃度，平均為2218．40mg·m－3;干筋期68℃穩(wěn)溫時SO2排放濃度，其平均值為1327.6mg·m－3．根據《中華人民共和國大氣污染物綜合排放標準(GB16297—1996)》，氮氧化物排放濃度顯著低于允許排放濃度(420mg·m－3)，但SO2濃度明顯高于其允許排放濃度(1200mg·m－3)．
2.2密集烤房群運行中SO2排放及其擴散規(guī)律
2.2.1密集烤房烘烤過程中煙囪SO2排放規(guī)律密集烘烤在燃煤中添加固硫劑(處理T)與未添加固硫劑(CK)之間，煙囪排放的SO2濃度變化規(guī)律略有差異．其中，CK的SO2濃度呈先增加后下降的變化趨勢，而處理(T)在47～54℃穩(wěn)溫時略有增加;但兩者在47和54℃穩(wěn)溫時的SO2濃度差異不顯著;且兩者SO2濃度排放點均在42℃穩(wěn)溫時．處理T在烘烤各關鍵溫度點的SO2濃度均極顯著低于CK，其中，CK在38～54℃穩(wěn)溫時SO2濃度均顯著高于允許排放濃度(1200mg·m－3);處理T只在42℃穩(wěn)溫時SO2濃度略高于1200mg·m－3，但較CK減少SO2排放49．4%．整體上，與CK相比，處理T的密集烤房煙囪SO2排放濃度大幅降低，整個烘烤過程可減少SO2排放49．7%．
2.2.2密集烤房群運行時周圍SO2擴散規(guī)律
由于密集烤房煙囪低矮密集，煤炭燃燒產生的氣體未經過排氣筒而直接排放到大氣中，構成了無組織排放源．因此，根據煙囪出口處的煙氣質量濃度以及煙氣流速、煙氣溫度和密集烤房群占地面積，利用大氣環(huán)境影響評價系統(tǒng)(Aermod)中的大氣估算工具，按照烘烤三段式烘烤工藝分為:變黃期(38和42℃)、定色期(47和54℃)和干筋期(68℃)，對密集烤房群運行時SO2在水平方向上的擴散進行測算．
密集烤房群運行時，隨著距烤房群水平方向距離的增加，SO2濃度均呈先增加后下降的趨勢．其中，在未使用固硫劑(CK)條件下，密集烤房變黃期煙囪排放的SO2擴散到地面的質量濃度是0.83mg·m－3，出現的位置是距離烤房群58m處;定色期SO2地面質量濃度為0．60mg·m－3，出現的位置是距離密集烤房64m處;干筋期地面質量濃度為0．46mg·m－3，出現的位置是距離烤房群64m處．型煤中加入4．0%的固硫劑(處理T)后，變黃期煙囪排放的SO2擴散到地面的質量濃度是0．26mg·m－3，出現的位置是距離烤房群69m處;定色期地面質量濃度為0．22mg·m－3，出現的位置是距離烤房群68m處;干筋期地面質量濃度為0．13mg·m－3，出現的位置是距離烤房群51m處．烘烤過程中，添加固硫劑的烤房群周圍SO2地面質量濃度出現的位置與對照之間差異雖然不明顯，但SO2質量濃度顯著降低．整個烘烤進程中質量濃度平均降低0．43mg·m－3．
2.3密集烤房群運行對周圍空間環(huán)境SO2濃度的影響
烘烤季節(jié)烤房運行率90%以上時，對其下風向周圍空間環(huán)境中的SO2濃度具有明顯影響．在水平方向上，距離烤房群50m范圍內，隨著距離的增加，SO2濃度顯著增加;在50m時SO2濃度達到，為0．57mg·m－3;50m之后隨著距離的增加，SO2濃度呈降低趨勢．在距離烤房群水平方向50m處的垂直方向上，距離地面0．5m范圍內，隨著高度的增加，SO2濃度呈急速下降趨勢;在0．5～1．6m范圍內，隨著高度的增加，SO2濃度呈增加趨勢;在1．6m以上SO2濃度呈下降趨勢，其中在1．6m處達到值(0．65mg·m－3)．根據烤房群周圍空間環(huán)境SO2濃度實測情況，對SO2濃度隨水平和垂直空間距離的變化進行回歸分析，建立SO2質量濃度與烤房群周圍空間位置的回歸方程(表2)．結果表明，水平方向平均相對誤差為13．2%，其中0～100m范圍內為9．8%;垂直方向的平均相對誤差為0．1%;回歸方程擬合度均較好．通過回歸方程計算可知，距離烤房群43～80m范圍內，SO2質量濃度超出0．5mg·m－3;以地面為參照物，距離地面0.9～1．8m高處，SO2質量濃度超出0．5mg·m－3．根據烤房的高度、寬度、長度和煙氣流速，利用大氣環(huán)境防護距離標準計算程序(Ver1．1)估測出以密集烤房群為中心，在烤房群下風向水平距離120m范圍內屬于大氣環(huán)境防護距離．
3討論
烘烤過程中，烘烤不同階段所需熱量不同，各種類型燃煤火爐在燃燒過程中均存在燃燒不穩(wěn)定、不充分以及產生的氮氧化物、SO2和粉塵等排入大氣造成環(huán)境污染的問題．本研究結果表明，烤煙烘烤過程煙囪煙氣中CO2、氮氧化物和SO2的排放量均在變黃期(38和42℃)，隨著烘烤進程的推進均有所降低;但CO2和SO2均在38℃穩(wěn)溫時，氮氧化物在42℃穩(wěn)溫時，這與黃維等的研究結果基本一致．但是，根據《中華人民共和國大氣污染物綜合排放標準(GB16297—1996)》，烤煙烘烤過程排放的煙氣中SO2濃度明顯偏高．目前，煙氣脫硫主要為燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫．蔣篤忠等認為，在煙葉烘烤過程中向燃煤中加入3．0%的除硫劑能有效降低燃煤燃燒時產生的碳氧化物、氮化物和硫化物．針對密集烘烤氣態(tài)污染物排放特性，在烘烤過程中向燃煤加入4.0%的固硫劑，密集烤房煙囪SO2排放濃度大幅降低，可平均減少SO2排放49．7%．
近年來，隨著現代煙草農業(yè)的推進，密集烤房建設逐步重視布局規(guī)劃，密集烤房群已成為烤煙烘烤的主體單元．利用大氣環(huán)境影響評價系統(tǒng)(AermodSystem)中的大氣估算工具對密集烤房群運行時SO2在水平方向上的擴散進行測算，結果表明，無論燃煤中是否添加固硫劑，SO2地面濃度值均出現在變黃期，出現的位置在距離烤房群50～70m范圍內;但通過添加固硫劑，烘烤過程中質量濃度平均降低0．43mg·m－3．烤房群下風向周圍空間環(huán)境的SO2質量濃度實際監(jiān)測結果表明，實際生產中，SO2濃度擴散趨勢與預測趨勢基本一致，水平方向上距離烤房群50m左右的空氣中SO2濃度值;在距離烤房群50m的垂直方向上，1．6m高處的SO2濃度達到值，為0．65mg·m－3．根據《中華人民共和國環(huán)境空氣質量標準(GB3095—2012)》，密集烤房群及其周圍空間環(huán)境屬于二類環(huán)境空氣功能區(qū)，其SO2的小時質量濃度限值平均為0．5mg·m－3．回歸分析擬合和大氣環(huán)境防護距離測算表明，距離烤房群43～80m的范圍內，SO2質量濃度超出0.5mg·m－3;以地面為參照物，距離地面0．9～1．8m高處的SO2質量濃度超出0.5mg·m－3;在烤房群下風向水平距離120m范圍內屬于大氣環(huán)境防護距離，在未做任何處理的情況下，不建議在此范圍內長期居住．針對密集烤房群大氣防護距離內的SO2排放對周圍植物的影響，有必要進一步開展降低污染物排放的深入研究．
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