不同进料方式燃烧器对生物质燃料颗粒物排放特性的影响

合集下载

磷酸二氢钱对生物质燃烧过程中颗粒物排放特性的影响

磷酸二氢钱对生物质燃烧过程中颗粒物排放特性的影响摘要：使用立式管式炉燃烧装置研究不同添加比例的磷酸二氢氨对生物质燃烧过程中颗粒物（particulate matter，PM）排放特性的影响。

研究表明，NH4H2 PO4的添加可有效减少颗粒物总量PM10。

尤其是PM1的排放量，并且减排效果与P/K摩尔比密切相关。

当P/K摩尔比为1时，PM1和PM10。

的减排效果最好，分别达到44.43%和30.70%。

减排主要是由于NH4H2PO4与玉米秆中的K盐反应生成K-Ca磷酸盐，K-Mg磷酸盐化合物，将K固定在底灰中，有效抑制了K盐向气相中释放并最终达到降低PM排放的目的。

研究结果可为玉米秆燃烧过程中颗粒物减排提供理论支撑。

引言生物质作为一种可再生能源，具有资源储量丰富、分布广泛、环境友好和碳中性等优点，其大规模利用可有效缓解化石能源使用带来的能源危机和环境污染[1]。

我国是农业大国，秸秆资源储量丰富。

据统计我国每年新增约9亿吨农作物秸秆，目前得以有效处置的秸秆占比较低，大量的农作物秸秆由于处置不当造成了一系列的问题，如露天焚烧造成的大气污染，粉碎还田造成的病害增多和粮食减产等。

秸秆的能源化利用不仅可以有效的处置大量废弃秸秆，还可用于供热和发电，实现“能源与环境”的双赢。

目前国家十三五规划明确鼓励农业秸秆制备生物质成型燃料用于供热和发电，以部分替代燃煤。

但由于秸秆中碱金属和氯元素含量较高，导致燃烧过程颗粒物排放量高，在一定程度上加剧了雾霾、污染等环境问题，严重制约了生物质的大规模推广应用。

以往研究表明，生物质中碱金属的存在是燃烧过程中生成颗粒物的重要因素。

Yang等[2]研究了四种中国常见的生物质在燃烧过程中颗粒物的排放特性，发现秸秆类生物质燃烧产生的颗粒物主要由亚微米颗粒物（PM1）组成，且排放量明显高于林业废弃物，其中玉米秆燃烧产生的颗粒物总量高达88.35mg/m3。

研究表明[3]，生物质中碱金属含量对颗粒物的排放有显著影响，生物质在成型过程中常使用竣甲基纤维素钠（sodium carboxymethyl cellulose，CMC）作为黏结剂，由于引入了大量的Na，导致其在燃烧过程中颗粒物排放量大幅增加。

不同燃烧过程颗粒物粒径排放特征

不同燃烧过程颗粒物粒径排放特征张丹;赵丽;陈刚才;周志恩;殷宝辉;任丽红;袁睿【摘要】An electrical low-pressure impactor (ELPI) with an air dilution system was employed to investigate the PM emission characteristics of industry source, traffic source, biomass combustion and cooking fume. The result showed that, the particle number concentration of coal boilers and diesel traffic source presented one single peak with the range of 0.20 to 0.48µm, the biomass combustion and cooking fume presented double peak style, the peak appeared in the nuclei-mode (0.02~0.07µm) and accumulation mode (0.2µm) respectively, the cement kiln existed double peak too, at the round of 0.12µm and 1.23~1.96µm. The peak of mass concentration appeared in the coarse particle mode mostly in all source, and the diesel traffic source had higher level. The particle number concentration main accumulated in the accumulation mode, the fraction of coarse particle mode less than 1%, and the mass concentration major accumulated in the coarse particle mode, and the fraction of nuclei-mode less than 0.1%.%采用荷电低压颗粒物撞击器(ELPI)和稀释采样系统研究重庆市工业源、交通源、生物质燃烧以及餐饮业油烟等各类燃烧过程的颗粒物排放特征.结果表明：燃煤锅炉以及各类柴油交通源颗粒物数浓度峰值都表现出单峰型的变化特征，峰值主要出现在0.20~0.48µm之间；生物质燃烧和餐饮业油烟颗粒物的数浓度都呈现出双峰型的变化趋势，分别出现在核模态(0.02~0.07µm)和积聚态(0.2µm)；水泥窑炉的数浓度也出现双峰型变化特征，分别出现在积聚态(0.12µm)以及接近粗颗粒物态的1.23~1.96µm粒径范围处.各污染源颗粒物质量浓度峰值主要出现在粗粒径态，交通源排放的颗粒物质量浓度相对较高.各类污染源数浓度分布主要集中在积聚模态，粗颗粒态的数浓度累计贡献都不到1%；质量浓度主要分布在粗颗粒态，核模态的质量浓度贡献都小于0.1%.【期刊名称】《中国环境科学》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】8页(P3239-3246)【关键词】燃烧源;PM10;PM2.5;粒径分布【作者】张丹;赵丽;陈刚才;周志恩;殷宝辉;任丽红;袁睿【作者单位】重庆市环境科学研究院，重庆 401147;重庆市环境科学研究院，重庆 401147;重庆市环境科学研究院，重庆 401147;重庆市环境科学研究院，重庆401147;中国环境科学研究院，北京 100012;中国环境科学研究院，北京 100012;重庆市环境科学研究院，重庆 401147【正文语种】中文【中图分类】X513大气颗粒物是影响我国大气环境质量，引发区域雾霾天气，降低城市能见度水平的主要原因［1-3］.颗粒物的来源和组成极其复杂，产生的危害也十分巨大，被吸入人体的 PM10中，有接近50%的颗粒沉积在肺部，而粒径更小的细颗粒物会携带大量的微量金属、有机物、微生物等有害物质，引发呼吸系统、心血管系统、生殖系统等方面的疾病［4-7］.国内外各地颗粒物的来源解析结果表明，燃烧过程（工业燃煤及工业过程、机动车尾气、生物质燃烧、餐饮油烟等）不仅直接向大气排放一次颗粒物，同时排放的气态前体物会通过气粒转化形成二次颗粒物，是城市区域颗粒物的主要来源［8-12］.燃烧形成的气溶胶是由不同大小、不同成分以及不同特性的颗粒组成的混合物，其形成特征不仅与燃烧过程有关，所使用的燃料也是影响颗粒物数量和化学成分的主要因素［12］.国内外对燃烧过程颗粒物的研究主要侧重对工业锅炉、柴油发动机等单一来源的研究，缺少各类污染源之间的差异分析，因此开展燃烧源颗粒物排放特征的研究，了解颗粒物粒径排放特性，对于识别各类污染源以及各种燃料的排放规律，丰富颗粒物来源解析的手段，有着十分积极的意义.利用稀释通道（FPS-4000，Dekati）采样方法对工业固定源（燃煤锅炉、水泥窑炉）、交通移动源（机动车、船舶、施工机械）、餐饮油烟（川菜、火锅）以及生物质燃烧（木材、玉米秸秆）等四大类颗粒物污染源进行采样分析.稀释系统分为两级，一级系统利用一个扩散型穿孔管进行稀释，稀释倍数在3～20倍之间，二级系统为一个注射型稀释器，稀释倍数在5～10倍之间.二级稀释系统后有混合室，在进气流量 100L/min条件下，可保证约2s的停留时间.利用静电低压撞击器（ELPI，Dekati）对稀释后的烟气进行 12级分级采样，粒径范围在0.02～10μm之间（0.02、0.07、0.12、0.20、0.32、0.48、0.76、1.23、1.96、3.09、5.17、8.15、10.0），分析颗粒物粒径谱特征.工业源的采样点设置在脱硫、除尘后的排气烟道内；移动源采样点设置在尾气排放口；餐饮业采样点设置在集中排放的烟道中；生物质燃烧源的采样点设置在污染源的下风向口；每类污染源平行采集3组样品.稀释系统的采样示意见图1，各类污染源的基本采样信息见表1～表3.通常认为环境大气中的可吸入颗粒包括了3种模态的分布，包括0.1µm的核模态，0.1～2µm之间的积聚模态，以及大于2µm的粗粒子模态.核模态一般是由于高温过程或化学反应产生的蒸汽凝结而成；积聚模态主要是来源于核模态的凝聚，燃烧过程所产生的蒸汽冷凝，以及各种气体分子通过大气化学反应转化生成的二次气溶胶；粗粒子模态来源与机械过程有关，也包含扬尘、海水飞沫、植物粒子等［10-12］.由于燃料类型、燃烧方式的不同，各类源燃烧过程会造成颗粒物在个体形态、化学组成上以及气化凝结过程中的差异从而对排放特征产生影响［13-14］.2.1 工业污染源所选工业污染源包括燃煤电厂锅炉和水泥厂窑炉，均为重庆市主城区重点污染源.研究期间工业污染源的颗粒物数浓度和质量浓度特征见图2.3个水泥厂颗粒物数浓度变化趋势较为接近，表现出双峰型的对数分布特征.峰值主要出现在0.20µm以及1.23～1.96µm两个粒径区间，最大峰值分别为3.68×104个/cm3、8.58×104个/cm3和7.47×104个/cm3.积聚态数浓度峰值分布与韦琳等［15］研究结果相似，而接近粗粒子态的峰值可能与水泥孰料煅烧过程中的燃料以及原料的破碎、表面灰的聚合以及矿物转化有关［12］.水泥厂2采用的是电除尘，其数浓度要高于其他两个采用布袋除尘水泥厂，可能与布袋除尘的效率要优于电除尘有关.2个燃煤电厂的数浓度主要呈单峰型对数变化趋势，出现在 0.12～0.2µm的粒径区域，与文献报道的结果类似［16-21］.大型燃煤电厂1的数浓度水平要明显高于其他工业污染源，其峰值为2.2×106个/cm3，由于其采用石灰石-石膏湿法的脱硫工艺，采样位置在240m烟囱的底部，烟气中湿度较大（现场实测时含湿度达到15%），可能造成部分水汽被当作颗粒物检出，提升了数浓度整体水平.各工业源质量浓度都表现出双峰型对数变化特征，主要出现在积聚态的0.20µm 处，以及大于1.96µm的粗粒子区域.燃煤电厂1在积聚态的峰值出现在0.48µm 处，其最大峰值浓度为174.2mg/m3，明显高于其他工业污染源.燃煤锅炉的质量浓度分布特征与其他研究成果相比较为相似［16-18］，但是在积聚态颗粒物质量浓度水平相对较低.2.2 交通污染源从图3可以看出，轻型货车、中型货车、重型货车颗粒物数浓度都表现出对数单峰型的变化特征，峰值出现在 0.20～0.32µm 粒径范围，0.76µm以后各类车型颗粒物的数浓度开始显著下降，中型柴油车数浓度峰值最高（7.54×106个/cm3），重型柴油车与轻型柴油车相当.柴油燃烧产生的微粒主要是由高度凝聚的固体碳化物灰挥发性有机物以及含硫混合物等组分构成.其颗粒物排放与发动机的负荷以及转速有关，低负荷状态下，缸内温度低，燃烧效率低，未燃的或未完全燃烧的燃料会以未燃烃的形式排放产生细小的液态颗粒，易表现出核模态的单峰型数浓度变化趋势；在高负荷时燃烧充分，缸内温度高，颗粒碳烟在稀释和热排气通道中进一步凝结，挥发性物质完成表面增长过程，易表现出积聚态的单峰型的数浓度变化趋势［23-27］.本次测试结果数浓度峰值主要集中在积聚模态，测试结果为正常行驶工况下平均水平，重庆是典型的山城，路况条件复杂，道路起伏较大，发动机可能会经常在较大负荷情况下运行，从而提高了积聚模态颗粒物的排放水平.各类车型的质量浓度变化趋势基本相同，0.48µm前质量浓度上升趋势较快，此后变化趋势较为缓慢.重型柴油车的质量浓度峰值出现在1.96µm处，中型和轻型柴油车的质量浓度峰值出现在8.15µm处，中型柴油车的颗粒物质量浓度峰值排放水平最高，其峰值达到了1533mg/m3，本次测试的中型货车行驶里程要高于其他车辆，且执行的是国Ⅲ排放标准，因此排放水平相对较高.各类施工机械和船舶排放的颗粒物数浓度呈对数单峰型变化（图4），施工机械的数浓度峰值都出现在0.20µm处，挖掘机的排放水平要高于水泥罐车，其数浓度峰值分别为3.61×106个/cm3和1.29×106个/cm3；柴油货船的颗粒物数浓度峰值分别出现在0.20µm和0.48µm处，数浓度分别为7.55×105个/cm3和3.61×106个/cm3.货船数浓度排放特征与尹航等［28］关于行驶时过程中船舶颗粒物排放特征研究结果类似.柴油货船的质量浓度峰值出现在5.17µm处，峰值排放浓度分别为 1236mg/m3，挖掘机的质量浓度峰值为1202mg/m3，出现在8.15µm处，水泥罐车的质量浓度相对较低.柴油货船的数浓度水平要低于其他交通源，但是其质量浓度排放与其他污染源相当，可能与船舶所用的油品质量较差，增加了其粗粒径段颗粒物的排放［29］.2.3 生物质燃烧源生物质燃烧产生的颗粒物数浓度呈对数双峰型的变化趋势（图5），分别出现在核模态的0.02µm处，和积聚模态的0.20µm处，积聚模态的数浓度峰值要大于核模态，采样期间树枝与玉米秸秆的峰值分别为6.07×105个/cm3和3.26×105个/cm3，树枝燃烧时产生的颗粒物要大于玉米秸秆，此测试结果与张永亮等［30-32］对生物质燃料颗粒物排放特征的结果较为一致.木质燃料挥发分和含碳量比要高与玉米秸秆，因此燃烧时挥发分和碳粒碰撞的几率较高，积聚态和粗颗粒态的排放水平也相对较高［31］.生物质燃烧质量浓度呈单峰型的变化趋势，积聚态的质量浓度明显高于核膜态，1.96µm处出现了下行的趋势，此后粗颗态颗粒物质量浓度上升明显.2.4 餐饮油烟源各餐饮业污染源的数浓度表现出双峰型的变化趋势（图 6），峰值分别出现在核模态的0.07µm处以及积聚模态的0.20µm处，此后数浓度逐渐下降.2个川菜馆的最大数浓度峰值分别为2.30×105个/cm3和1.13×105个/cm3，火锅店的数浓度峰值为1.63×104个/cm3.川菜馆规模要大于火锅店，且川菜的烹饪主要以大火煎炒为主，火锅主要是以食物的涮煮为主，只有部分食材需要预先进行烹制，因此其排放水平要低于川菜馆.Yeung等［33］的研究发现在肉类煎扒的过程中颗粒物也会出现双峰型的分布特征.餐饮业油烟颗粒物质量浓度的排放也表现出对数双峰型的变化趋势，在0.07µm处出现第1个峰值，此后质量浓度迅速增加，在0.20µm处趋于缓和，在3.09µm处开始又表现出明显的增加趋势.与其他研究［33-35］相比本次采样的餐饮油烟的质量浓度相对偏低，可能与采样烟道高度较高，采样过程中由于管道输送排放造成了部分油烟的损失，对浓度产生了一定的影响.2.5 各类源排放比较将各类源的排放特征按照模态进行分类，其中核模态为 0.02～0.12µm之间的颗粒，积聚模态为 0.12～1.96µm之间的颗粒，粗颗粒态为 1.96～8.15µm之间的颗粒.采样期间各类污染源数浓度分布主要集中在积聚模态，生物质燃烧以及机动车等交通源的累计百分比都超过 90%；工业源和餐饮油烟在核模态的累积贡献要高于其他污染源；而粗颗粒态的数浓度累计贡献都不到 1%.各类污染源质量浓度主要分布在粗颗粒态，生物质燃烧和水泥窑炉在粗颗粒态的质量浓度累计都超过了70%；机动车尾气等交通源在积聚模态的相对较高；各类源核模态的质量浓度贡献都小于0.1%.3.1 水泥窑炉颗粒物数浓度表现出双峰型的对数分布特征，而燃煤电厂的数浓度主要呈积聚态单峰型变化趋势，各工业源质量浓度都表现出双峰型的变化特征，主要出现在积聚态的0.20µm处，以及大于1.96µm的粗粒子区域.3.2 交通源的颗粒物数浓度排放都表现出单峰型的变化趋势，峰值出现在0.20～0.48 µm粒径范围.其质量浓度也呈单峰型变化趋势，峰值主要出现在粗颗粒态，且排放水平高于其他污染源.3.3 生物质燃烧和餐饮业油烟颗粒物的数浓度都表现出双峰型的变化趋势，峰值分别出现在核模态和积聚态，生物质燃烧的质量浓度峰值出现在粗颗粒态，而餐饮油烟质量浓度则在核模态也出现了峰值.3.4 各类污染源数浓度分布主要集中在积聚模态，粗颗粒态的数浓度累计贡献都不到 1%.质量浓度主要分布在粗颗粒态，核模态的质量浓度贡献都小于0.1%.China Environmental Science， 2015，35（11）：3239～3246【相关文献】［1］唐孝炎，张远航，邵敏.大气环境化学［M］. 2版.北京，高等教育出版社， 2006.［2］ Wolf M E， Hidy G M. Aerosols and climate： anthropogenic emissions and trends for 50years ［J］. Journal of Geophysical Research， 1997，102（10）：11113-11121. ［3］赵普生，徐晓峰，孟伟，等.京津冀区域霾天气特征［J］. 中国环境科学， 2012，32（1）：31-36.［4］邵龙义，杨书申，时宗波，等.城市大气可吸入颗粒物物理化学特征及生物活性研究［M］. 北京：气象出版社， 2008：1-10.［5］黄德生，张世秋.京津冀地区控制PM2.5污染的健康效益评估［J］. 中国环境科学，2013，33（1）：166-174.［6］ Nemmar A， Hoet P H M， Vanquickenborne B， et al. Passage of inhaled particles into the blood circulation in humans ［J］. Circulation， 2002，105（4）：411-414.［7］ Penttinen P， Timonen K L， Tiittanen P， et al. Number concentration and size of particles in urban air： Effects on spirometic lung function in adult asthmatic subjects ［J］. Environmental Health Perspectives， 2001，109（4）：319-323.［8］徐昶，沈建东，何曦，等.杭州无车日大气细颗粒物化学组成形成机制及光学特性［J］. 中国环境科学， 2013，33（3）：392-401.［9］张丹，周志恩，张灿，等.重庆市主城区PM2.5污染源源成份谱的建立［J］. 三峡环境与生态， 2011，33（5）：14-18.［10］ Mcnallen M J， Yurek G J， Elliot J F. The formation of inorganic particulates by homogeneous nucleationin gases produced by the combustion of coal ［J］. Combustion and Flame， 1981，42（2）：45-60.［11］ Hildemann L M， Markowski G R， Cass G R. Chemical composition of emissions from urban sources of fine organic aerosol ［J］. Environ. Sci. Technol， 1991，25：744-759.［12］于敦喜，徐明厚，易帆，等.燃煤过程中颗粒物的形成机理研究进展［J］. 煤炭转化，2004，27（4）：7-12.［13］赵承美，李清飞，孙俊民.燃油和燃煤电厂排放可吸入颗粒物的物理化学特性［J］. 中国环境监测， 2011，27（6）：55-58.［14］耿春梅，陈建华，王歆华.生物质锅炉与燃煤锅炉颗粒物排放特征比较［J］. 环境科学研究，2013，26（6）：666-671.［15］韦琳，唐海龙，郭盈盈，等.水泥窑PM2.5排放特性及其PAHs风险分析［J］. 中国环境科学， 2014，34（5）：1113-1118.［16］张松松，路义萍，杜谦，等.工业锅炉 PM2.5产排特性试验研究［J］. 环境科学学报，2014，34（4）：843-848.［17］刘晓宇.典型固定燃烧源颗粒物排放特征研究［D］. 北京：中国环境科学研究院， 2007. ［18］李超，李兴华，段雷，等.燃煤工业锅炉可吸入颗粒物的排放特征［J］. 环境科学， 2009，30（3）：650-655.［19］ Linak W P， Miller C A， Sesames W S， et al. On trimodal particle size distributions in fly ash from pulverized-coal combustion ［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2002，29：441-447.［20］ Zhang C F， Yao Q， Sun J M. Characteristics of particulate matter from emissions of four typical coal fired power plants in China ［J］. Fuel Processing Technology， 2005，86（7）：757-768.［21］ Yu D X， Xu M H， Yao H， et al. Use of elemental size distributions in identifying particle formation modes ［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2007，31：1921-1928.［22］成晓北，黄荣华，陈德良.直喷式柴油机排放微粒尺寸分布特性［J］. 燃烧科学与技术，2006，12（4）：335-339.［23］刘双喜，陈杰峰，李孟良，等.ELPI在重型车车载PM测试中的应用研究［J］. 汽车工程，2007，29（7）：582-585.［24］李新令，黄震，王嘉松，等.柴油机排气颗粒浓度和粒径分布特征试验研究［J］. 内燃机学报， 2007，25（2）：113-117.［25］ Shi J P， Harrison R M. Characterization of Particles from a Current Technology Heavy Duty Diesel Engine ［J］. Environmental Science and Technology， 2000，34（5）：748-755.［26］ Schneider J， Hock N， Weimer S， et al. Nucleation Particles in Diesel Exhaust：Composition Inferred from In Situ Mass Spectrometric Analysis ［J］. Environmental Science and Technology， 2005，39（16）：6153-6161.［27］ vaaraslahti K， Vitanen A， Ristimaki J， et al. Nucleation mode formation in heavy duty diesel exhaust with and without a particulate filter ［J］. Environmental Science and Technology，2004，38（18）：4884-4890.［28］尹航，丁焰，葛蕴珊，等.内河船舶柴油机的实际排放特征［J］. 燃烧科学与技术， 2014，27（5）：470-476.［29］王猛，谭建伟，韩秀坤，等.非道路车用柴油机排放颗粒粒径分布特性研究［J］. 内燃机工程， 2010，31（3）：44-47.［30］张永亮，赵立欣，姚宗路，等.生物质固体成型燃料燃烧颗粒物的数量和质量分布特性［J］. 农业工程学报， 2013，29（19）：185-192.［31］张鹤丰.中国农作物秸秆燃烧排放气态、颗粒态污染物排放特征的实验室模拟［D］. 上海：复旦大学环境科学与工程系，2009.［32］ Johansson L S， Tullin C， Leckner B， et al. Particle emissions from biomass combustion in small combustors ［J］. Biomass and Bioenergy， 2003（25）：435-446. ［33］ L L Yeung， W M To. Size distributions of the aerosols emitted from commercial cooking ［J］. Indoor Built Environ， 2008，17（3）：220-229.［34］谭德生，邝元成，刘欣，等.餐饮业油烟的颗粒物分析［J］. 环境科学， 2012，33（6）：1958-1963.［35］ Li C S， Lin W H， Jenq F T. Size distributions of sub micrometer aerosols from cooking ［J］. Environ，Int， 1993（19）：147-154.。

生物质与煤混烧过程中细微颗粒排放特性研究

生物质与煤混烧过程中细微颗粒排放特性研究生物质与煤混烧可以利用生物质碳循环的优点，并适用于现有燃煤锅炉改造，有效地降低成本，提高燃烧效率，但是由于生物质相比于煤含有更高含量的碱金属，而这些碱金属矿物在燃烧过程中又极易发生气化从而造成燃烧后的设备安全及环境问题，如灰沉积及其腐蚀的加剧、飞灰颗粒物排放的环境危害等。

因此，合理全面的分析探讨生物质与煤混烧后细微颗粒物的形成与排放具有重要的科学与实际意义。

本论文主要通过在高温沉降炉和立式热天平炉上开展生物质与煤的混烧试验，分析不同试验条件下生物质与煤混烧时细微颗粒(PM10)形成与排放的主要影响因素，研究不同生物质中生物化学组分的含量以及对PM10排放的影响趋势，并深入探讨生物质中不同存在形式碱金属的迁移特性及其对混烧后细微颗粒生成与排放的作用规律。

本文研究的主要内容如下：试验工况对混烧PM10排放特性的影响。

试验结果表明：不同种类的煤样与生物质混烧后生成的PM10在其质量粒径分布上并无太大差异，且与单一原料燃烧时较为相似，均呈双峰分布。

生物质与煤混烧过程中，碱金属和元素S，Cl大部分富集在亚微米颗粒当中，并且主要以碱金属的氯酸盐和硫酸盐的形式存在。

随着氧气浓度的增加，亚微米颗粒（PM1）与超微米颗粒物(PM1-10)的排放浓度随之递增，但PM1在PM10中所占的比例却出现较大幅度的降低。

随着燃烧温度的升高，PM1和PM1-10排放上升，且PM1的增长幅度较大。

室内固体燃料燃烧产生的碳颗粒物和多环芳烃的排放因子及影响因素

室内固体燃料燃烧产生的碳颗粒物和多环芳烃的排放因子及影响因素室内固体燃料燃烧是一种常见的供暖和烹饪方式，然而，这种燃烧过程会产生大量的污染物，其中包括碳颗粒物和多环芳烃。

碳颗粒物是指固体燃料燃烧过程中产生的固体颗粒物，而多环芳烃是一类含有多个苯环的有机化合物。

首先，室内固体燃料的燃烧过程中产生的碳颗粒物和多环芳烃的排放因子是受多种因素影响的。

其中一个主要因素是燃料的种类。

不同种类的燃料燃烧产生的污染物排放量会有所不同。

例如，木材燃烧产生的碳颗粒物和多环芳烃排放量较高，而煤燃烧产生的排放量相对较低。

其次，燃烧条件也是影响排放因子的重要因素。

燃烧过程中的温度、氧气供应和燃料燃烧速率等条件会直接影响污染物的生成和排放量。

较高的温度和充足的氧气供应有助于碳颗粒物和多环芳烃的完全燃烧，减少其排放量。

此外，燃烧设备的质量和使用状况也会对排放因子产生影响。

燃烧设备的设计和维护情况直接影响燃料的燃烧效率和污染物的生成。

设备质量较差或使用老旧的设备可能会导致燃烧不完全，从而增加碳颗粒物和多环芳烃的排放量。

最后，燃烧过程中的操作和管理也是影响排放因子的关键因素。

合理的燃料使用量和燃烧时间能够减少污染物的排放。

此外，合理的通风和烟囱排放设计也可以有效降低室内固体燃料燃烧产生的碳颗粒物和多环芳烃的排放量。

综上所述，室内固体燃料燃烧产生的碳颗粒物和多环芳烃的排放因子受多种因素影响。

燃料种类、燃烧条件、燃烧设备质量和使用状况以及操作和管理都会对排放因子产生影响。

为了减少室内固体燃料燃烧带来的污染，应选择适当的燃料类型，改善燃烧条件，提高设备质量，合理进行操作和管理。

这样可以降低碳颗粒物和多环芳烃的排放量，保障室内空气质量，维护人们的健康。

不同煤粉燃烧对一次颗粒物排放特性的影响

Ｄｃｏ６ｅ．２０
不同煤粉燃烧对一次颗粒物排放特性的影响
吕黻，建李定凯
（．１清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京１０８；．００４２华北电力大学环境科学与工程学院，保定０１０）７０３
摘要：在实验室条件Ｆ以沉降炉作为燃烧设备，８Ａｄｒｎ，用级ｎｅｅ粒子撞击器分离并收集燃烧后的颗粒物，ｓ研究
ｃｎｅｔｏｓｉｅａｂｎ，ａｄｖｌｔｅｉｏ１ｏｔｎｆａｈ，ｆｄｃｒｏｘｎｏａｉｎｃａ．Ｒｏｉ— ｍｍｌｒｆｎｔｎｗａｄｐｅｏｓｍｕａｅｔｅｐｒｃｅｓｚｉｔ－ｌｓｎＲａｅｃｉｓａｏｔｄｔｉｌｔｈａｉｌｉｅｄｓｉｕｏｔｌ
ＥｍｉｓｏａｕｒｓｏｉｒｒｉｕａｅＭａｔｒｆｅｆｅｅｓｉｎＦｅｔｅｆＰｒｍａｙＰａｔｃｌｔｔｅｓａｔｒＤｉｒｎｔＰｕｖｒｚｄＣｏｌｍｂｕｔｏｌｅｉｅａｓＣｏｓｉｎ
ｗｓｕｅｏｓｐｒｔｎｏｌｃｈｒｍａｙｐｒｃｌｔｔｒｆｒｉｖｓｇｔｇｔｅｅｓｉｎｆａｕｅｆｉｈｌｂｅｐｒｃｌｔａｓｄｔｅａａｅａｄｃｌｔｅｐｅｔｉｒａｉｕａｅｍａｔｅｔａｉｈｍｉｓｏｔｒｓｏｎａａｌａｉｕａｅｔｅｏｎｉｎｅｔ
ｂｔｎｎｈａｕｆＰ／ｕｉ，ａｄｔｅｖｌｅｏＭ２ＰＭｌ，Ｐ／Ｍ２ｅｅａｓａｃｌｔｄｂｈｉｌｔｇＲｓｎＲｍｍｌｒｆｎｔｎＩｉｏ５０ＭｌＰｗｒｌｏｃｌｕａｅｙｔｅｓｍｕａｉｏｉ－ａ５ｎｅｕｃｉ．ｔｓｏｒｕｄｔａｈｒｅａｈｃｎｅｔｉｏｌｓｈｒａｅｈａｕｆＭ２／ＭｌａｄＰ／ｏｎｈｔｔｅｍｏｅｔｓｏｔｎｃａｈｎｗａ，ｔｅｇｅｔｒｔｅｖｅｏＰ０ｎＭｌＰＭ２５ｅｅ，ｕｈａｕｆｌＰ５ｗｒｂｔｅｖｅｏｔｌＰ／Ｍ１ａｄＰ／Ｐｗｅｅｎｔｉｏｉｖｏｒｌｔｎｔｅａｈｃｎｅｔｏｉｗａｅｉｖｄｔａｅｄｆｒｎｍｉ— Ｍ２Ｐ０ｎＭ１Ｍ２ｒｏｎｐｓｔｅｃｒｅａｉＯｔｓｏｔｎ．Ｓｓｂｌｅｔｔｉｅｅｔｅｓ５５ｉｏｈｔｅｈｈｓｎｆａｕｅｒｎｕｎｅｙｔｅｄｆｅｅｔｏａｉｎｐｏｅｓｓｒｓｌｄｆｏｄｓｒｐｎｙｏｉｅｅｔｉｄｆｃａ．ｉｅｔｒｓｗｅｅｉｆｅｃｄｂｈｉｒｎｒｔｒｃｓｅｅｕｔｒｍｉｅａｃｆｄｆｒｎｎｓｏｏ１ｏｌｆｍｏｅｃｋ

典型生物质颗粒燃料燃烧特性试验

典型生物质颗粒燃料燃烧特性试验摘要：为研究生物质颗粒燃料的燃烧特性及污染物排放特性，该文以国外引进的生物质颗粒燃料燃烧器为试验装置，选择了8种典型的生物质颗粒燃料进行试验研究。

试验结果表明，挥发份含量越高，含水率越低，生物质颗粒燃料所需的点火时间越短，SO2、NO等污染物排放质量浓度远低于国家标准，但存在着部分生物质颗粒燃料灰分含量过大、结渣严重等问题。

对大多数颗粒燃料来说，软化温度越高，结渣率越低，当软化温度超过1389~C时，不会发生结渣；Si元素、碱金属元素含量越高，越容易结渣，碱土金属元素含量越高，越抗结渣。

玉米秸中Si的质量分数为27．70％，底灰结渣率达到48．84％，落叶松中Si的质量分数仅为9．76％，不结渣；使用添加剂后，玉米秸的底灰结渣率降低了22．77％。

这将为设计适合中国国情的生物质颗粒燃料燃烧设备及改善燃料的燃烧性能提供依据。

0引言生物质颗粒燃料是一种典型的生物质固体成型燃料，具有高效、洁净、点火容易、CO零排放等优点，可替代煤炭等化石燃料应用于炊事、供暖等民用领域和锅炉燃烧、发电等工业领域。

巾国的生物质资源产量丰富，其中农作物秸秆年产量约为6亿t，具有极大的发展潜力。

但由于以秸秆等生物质为原料生产的生物质颗粒燃料的灰分、碱金属含量较高，使用时易出现结渣、碱金属及氯腐蚀、设备内飞灰严重等问题，对燃烧技术和设备提出了更高的要求。

目前，国内外对于生物质颗粒燃料的燃烧机理方面开展了一定的研究。

盛奎川等对生物质燃料的物理品质进行了研究；王惺、王翠苹等采用TG．DTG热分析技术研究了生物质颗粒燃料的着火、燃尽等特性；马孝琴等研究了影响秸秆成型燃料燃烧速度的因素，侯中兰等研究了成型燃料点火性能的影响凶素。

GilbeC、JuanF．Gonzfilez分别研究了不同木质、秸秆类(包括能源作物等)成型燃料在家用炉具中结渣的形成与特征，BomanC、LindaSJohansson分别研究了木质燃料及成型燃料的燃烧特性，MariaOlssonvs~研究了软木颗粒燃烧时污染物的排放量，J．Dias研究了4种不同颗粒燃料在家用炉具中的燃烧特性及污染物排放，GeorgBaemthaler[。

生物质颗粒燃料在锅炉中的燃尽特性及其对污染物排放影响分析

生物质颗粒燃料在锅炉中的燃尽特性及其对污染物排放影响分析1. 生物质颗粒燃料的广泛应用已经成为解决能源和环境问题的一个重要途径。

作为一种可再生能源，生物质颗粒燃料在锅炉中的燃尽特性及其对污染物排放的影响备受关注。

2. 生物质颗粒燃料在锅炉中的燃烧过程中，首先需要考虑的是燃尽特性。

生物质颗粒燃料的燃烧过程通常包括干燥、热解、燃烧和灰化等阶段。

3. 在燃烧过程中，生物质颗粒燃料的物理性质和化学成分对燃尽特性有着重要影响。

首先是颗粒大小和形状，颗粒大小适中能够提高燃烧效率，而颗粒形状的不规则性可能导致燃烧过程中的不均匀性。

4. 另外，生物质颗粒燃料的含水率也是影响燃尽特性的关键因素之一。

过高的含水率会导致燃烧过程中需消耗更多热量来蒸发水分，从而影响燃烧效率。

5. 此外，生物质颗粒燃料的灰含量和灰成分对燃烧过程和燃尽效果也有着显著的影响。

高灰含量会增加燃烧床的污染，影响锅炉的正常运行。

6. 生物质颗粒燃料在锅炉中的燃尽过程中，还需要考虑燃烧过程中的污染物排放问题。

燃烧过程中会产生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、挥发性有机物等污染物，对环境造成一定的影响。

7. 生物质颗粒燃料燃烧产生的二氧化碳是一种温室气体，其排放会加剧全球气候变化。

因此，减少生物质颗粒燃烧过程中的二氧化碳排放至关重要。

8. 与化石燃料相比，生物质颗粒燃料的燃烧排放中的二氧化硫和氮氧化物等有害物质含量较低，对大气环境的影响相对较小。

9. 然而，生物质颗粒燃料的燃烧过程中还会产生一定量的挥发性有机物，部分挥发性有机物具有臭气特性，可能对周围环境和人体健康造成一定的影响。

10. 因此，在生物质颗粒燃料的燃烧过程中，需要从控制颗粒燃料的物理性质和化学成分入手，优化燃烧条件，减少污染物排放。

11. 为了提高生物质颗粒燃料在锅炉中的燃尽效率及减少污染物排放，可以采取一些技术措施。

比如采用氧化剂进行气化，增加燃烧炉的温度和氧气浓度，利用高效过滤器和脱硫脱硝设备等。

生物质燃料燃烧过程中的污染物排放特性

生物质燃料燃烧过程中的污染物排放特性随着环保意识的提高和低碳经济的推广，生物质燃料作为一种替代传统燃料的新型能源材料，受到了越来越多的关注。

然而生物质燃料燃烧过程中产生的污染物却是制约其推广和应用的关键因素之一。

本文将分别从生物质燃料燃烧过程中主要的污染物、污染物的危害、污染物的排放特性以及控制生物质燃料燃烧排放污染物的措施四个方面进行讨论。

一、生物质燃料燃烧过程中主要的污染物生物质燃料燃烧过程中产生的污染物主要包括固体颗粒物、氮氧化物、二氧化硫、挥发性有机物(Volatile Organic Compounds, VOCs)等。

其中，固体颗粒物是最为普遍的一种污染物，主要包括PM10（直径小于或等于10微米的固体颗粒物）和PM2.5（直径小于或等于2.5微米的固体颗粒物），PM2.5是目前被广泛关注的颗粒物之一。

二、污染物的危害生物质燃料燃烧所产生的污染物具有一定的毒性和致癌性，特别是固体颗粒物和挥发性有机物对人体健康的危害尤为严重。

固体颗粒物可引起支气管炎、气管炎和肺结节等疾病；挥发性有机物可影响免疫系统、神经系统和生殖系统的正常功能。

此外，氮氧化物和二氧化硫还会对大气环境产生严重的影响，如加剧酸雨的形成。

因此，生物质燃料燃烧过程中产生的污染物必须得到严格控制。

三、污染物的排放特性生物质燃料燃烧过程中产生的污染物排放特性与燃料的物理性质、化学成分、燃烧条件等因素密切相关。

一般来说，固体颗粒物和氮氧化物的排放浓度与燃料的热值成正比，而与氧气的浓度成反比，而二氧化硫的排放浓度则与燃料中硫的含量和燃烧温度有关。

另外，不同类型的生物质燃料燃烧所产生的污染物排放特性也有所不同，如木材燃烧时的污染物排放浓度较高，而沼气燃烧则相对较少。

四、控制生物质燃料燃烧排放污染物的措施为了减少生物质燃料燃烧过程中产生的污染物排放，可以采取以下措施：（1）优化燃烧条件：采用先进的生物质燃料燃烧设备，如流化床、气化炉等，可以有效地降低污染物的排放浓度。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

第30卷第12期农业工程学报V ol.30 No.12 200 2014年6月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2014不同进料方式燃烧器对生物质燃料颗粒物排放特性的影响张学敏2，张永亮1,2，姚宗路1※，赵立欣1，孟海波1，田宜水1（1. 农业部规划设计研究院，农业部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京 100125；2. 中国农业大学工学院，北京 100083）摘要：为摸清不同进料方式的燃烧器对生物质成型燃料燃烧后颗粒物排放的影响，该文对上进料式（A型）、水平进料式（B型）和下进料式（C型）等3种类型的燃烧器进行燃烧颗粒排放试验，采用低压电子冲击仪对玉米秸秆、棉秆、木质3种成型燃料燃烧后颗粒物排放开展数量浓度和质量浓度研究，并计算出每种燃料在3种燃烧器中每秒排放的颗粒物数量和质量分布。

试验结果表明：3种燃烧器中的颗粒物质量分布都成双峰分布，主要集中在5～7级和12级，占总颗粒物质量的90%；木质和棉杆燃料在A型燃烧器中的颗粒物质量排放最少，玉米秸秆燃料在B型中颗粒物质量最少。

3种燃烧器中的颗粒物数量分布都成单峰分布玉米秸秆和木质在B型燃烧器上的颗粒物数量主要集中在1～5级，在A型和C型燃烧器上颗粒物数量主要集中在3～6级；棉杆在C型燃烧器上集中在1～5级，在A型和B型燃烧器上颗粒物数量主要集中在3～6级。

3种燃烧器对颗粒物质量的分布影响不大。

根据试验结果，建议不同的燃料匹配不同的燃烧器。

从颗粒物排放总量角度，玉米秸秆应该匹配B型燃烧器，棉杆和木质燃料应该匹配A型燃烧器。

从PM2.5所占比例得出，玉米秸秆燃料应匹配C型燃烧器，棉杆匹配B型燃烧器，木质匹配A型燃烧器。

并建议生物质成型燃料燃烧器结构应具有以下特点：进料连续平稳；带有主动清渣装置并且清渣波动小；鼓风配风，保证过量空气系数高。

研究结果为中国生物质固体成型燃料的颗粒物排放法规的制定提供参考。

关键词：生物质；颗粒物；燃料；燃烧器；结构；分布doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.12.025中图分类号：S216 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-12-0200-08张学敏，张永亮，姚宗路，等. 不同进料方式燃烧器对生物质燃料颗粒物排放特性的影响[J].农业工程学报，2014，30(12)：200－207.Zhang Xuemin, Zhang Yongliang, Yao Zonglu, et al. Effect of burners with different feeding modes on emission characteristics of biomass molding fuel particles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(12): 200－207. (in Chinese with English abstract)0 引言生物质固体成型燃料是通过专门设备将木屑，秸秆、稻壳等农业废弃物压缩成特定形状来增加其密度的固体燃料，可替代煤炭等化石燃料用于炊事、供暖、发电等能源消耗[1-3]。

生物质成型燃料的应用，不仅能充分利用农业废弃物，避免资源浪费，而且减少了大量燃烧煤炭和焚烧农业秸秆所造成的空气污染。

经过多年研究，生物质燃烧器也得到迅速发展，尤其在瑞典、奥地利等国家，可实现高效、自动化运行。

目前按照进料方式，可分为上进收稿日期：2013-11-07 修订日期：2014-04-10基金项目：北京科技新星（Z131105*********）；大北农教育基金（1071-2413003）作者简介：张学敏（1976－），男，内蒙古呼市人，副教授，主要从事内燃机排放方面研究。

北京中国农业大学工学院，100083。

Email：xuemin_zh@※通信作者：姚宗路（1980－），男，山东临沂人，博士，主要从事生物质资源开发利用方面研究。

北京农业部规划设计研究院，100125。

Email：yaozonglu@ 料式、水平进料式和下进料式[4-6]。

上进料式燃烧器与料仓分离，回火危险小；可根据功率要求保证精确定量进料，但下落颗粒会引起燃烧波动，燃烧不稳定。

水平进料式燃烧器和下进料式燃烧器，燃烧波浪小，燃烧过程连续、稳定，但有回火危险[7]。

随着生物质固体成型燃料的普及和燃烧器技术的成熟与提高，生物质成型燃料燃烧后的颗粒物排放又逐渐成为人们研究的课题。

空气中的颗粒物是引起天空阴霾和空气可见度低的主要原因，尤其是颗粒物中空气动力学直径小于 2.5 μm的颗粒物（PM2.5），被人体吸入后，对人体健康危害极大[8-10]，各国对空气中不同粒径的颗粒物浓度有严格的限制[11-14]。

因此，各国在不同生物质燃烧设备上对成型燃料燃烧后产生的颗粒物粒径分布规律以及PM2.5的含量展开了详细研究。

Ghafghazi等研究了固定床燃烧木质后颗粒物排放情况[15]，Limousy等在一种12 kW并且带回燃结构的燃烧器上研究了咖啡渣燃烧后的颗粒物排放情况[16]，Meyer研究了几种壁炉燃烧木质燃料后第12期张学敏等：不同进料方式燃烧器对生物质燃料颗粒物排放特性的影响 201颗粒物的排放情况[17]，但都未研究燃烧器结构对颗粒物燃烧影响，而且也没有对秸秆类生物质成型燃料的颗粒物排放展开研究。

由于国外的生物质固体成型燃料都是木质燃料，其灰分低，不易结渣，国外与之配套的燃烧器没有清渣装置[3-4]。

而中国的生物质成型燃料以农作物秸秆为主，灰分高、燃烧过程中容易结渣、碱金属及氯腐蚀、设备内积灰严重；因此中国生物质燃烧器增加各种清渣装置[18]。

本文采用不同的生物质成型燃料，在适合中国秸秆成型燃料的3种不同进料方式的燃烧器上进行试验，研究了在不同进料方式燃烧器的颗粒物数量分布、质量分布状况和PM2.5含量，并对比其常规排放性能。

1 燃料与方法1.1 燃料本试验采用玉米秸秆、棉秆、木质3种成型燃料，所用玉米秸秆和棉杆生物质颗粒燃料于2013年1月在北京大兴礼贤生物质颗粒燃料公司生产，由农业部规划设计研究院研制的485型生物质颗粒燃料成型机压制而成，颗粒燃料均压缩加工为圆柱型，直径8 mm，长度10～30 mm；所用木质颗粒燃料由天津市嘉海木业公司生产，直径6 mm，长度10～30 mm；3种燃料的密度均在1.2～1.8 g/cm3。

3种生物质颗粒燃料的工业分析、元素分析、热值如表1。

表1 3种生物质颗粒燃料的工业分析、元素分析和发热量Table 1 Proximate analysis, ultimate analysis, and heat value of 3 kinds of pellets工业分析Industrial analysis/%元素分析Elemental analysis/%原料Material水分M ad灰分A ad挥发分V ad固定碳F C,ad炭C ad氢H ad氮N ad硫S ad低位发热量Lower heating value/(kJ·kg-1)玉米秸秆Corn straw 7.64 12.08 71.03 9.25 40.66 5.44 1.10 0.56 16254 棉秆Cotton stalk 7.53 12.10 72.22 8.15 39.99 5.30 1.15 0.58 15707 木质Wood 7.45 1.59 85.24 5.72 46.75 6.19 0.26 0.59 183081.2 设备1.2.1 燃烧器本试验采用3种中国研发的燃烧器，分别为上进料式燃烧器（A型），水平进料式燃烧器（B型），下进料燃烧器（C型），结构见图1所示。

其中A 型和B型燃烧器采用鼓风配风方式，C型燃烧器采用引风配风方式。

A和C型燃烧器带有单独的清渣装置，可实现主动清渣；B型燃烧器无单独清渣装置，其燃烧后的灰渣由新进燃料推落。

采用3种燃烧器可根据加热需求增减进料量、调整燃烧功率。

3种燃烧器特点如表2。

a.上进料式燃烧器（A型）a. Up feed burner (type A)b.水平进料式燃烧器（B型）b. Horizontal feed burner (type B)c.下进料式燃烧器（C型）c. Bottom feeding burner (type C)1. 清渣螺旋2. 燃烧器3. 进料筒4. 鼓风机5. 清渣电机6. 进料螺旋7. 进料电机8. 进料管9. 传动链条 10. 清渣轮1. Slag helix2. Burner3. Feed cylinder4. Blower5. Slag cleaning motor6. Feed helix7. Feeding motor8. Feeding pipe9. Driving chain 10. Slag cleaning wheel图1 3种燃烧器示意图Fig.1 Sketch map of three kinds of burner1.2.2 测试仪器本试验的测量仪器为低压电子冲击仪ELPI（electrical low pressure impactor）和SEMTECH测试仪，ELPI是芬兰坦佩雷大学开发的用于实时测量气溶胶粒径分布的仪器，把10 μm以下颗粒物分成12级，从0.003～10 μm，如表3，能够对每级的颗粒数目和质量进行瞬态记录[19]。

SEMTECH为美国Sensors公司研发生产，可以测出废气各成分含量。

农业工程学报 2014年202表2 3种燃烧器的特点Table 2 Characteristics of three kinds of burner特点 Characteristic A 型 Type A B 型 Type B C 型 Type C进料方式Feedstock type上进料水平进料下进料最大进料Maximum feedstock/(kg·h -1)6 6 6 最大功率Maximum power/kW 20 20 20清渣方式Slag removal type主动螺旋清渣被动清渣主动抖动清渣配风方式Air distribution type 鼓风鼓风引风优点Advantage 燃烧器与料仓分离，回火危险小；可根据功率要求保证精确定量进料燃烧波浪小，燃烧过程连续、稳定燃烧波浪小，燃烧过程连续、稳定缺点 Disadvantage 燃料下落产生燃烧波动，燃烧不稳定有回火的危险后期燃烧时间长，有回火的危险表3 低压电子冲击仪的粒径分级Table 3 Grading of particle size in electrical lowpressure impactor状态 State 级别 Level 粒径范围Range of particle size/μm直径 Diameter/μm1 0.007～0.029 0.02 2 ＞0.029～0.057 0.04 核模态 Nucleation mode3 ＞0.057～0.101 0.084 ＞0.101～0.165 0.13 5＞0.165～0.255 0.21 6 ＞0.255～0.393 0.32 7 ＞0.393～0.637 0.50 8 ＞0.637～0.990 0.79 积聚模态 Accumulationmode9 ＞0.990～1.610 1.26 10＞1.610～2.460 1.99 11 ＞2.460～3.970 3.13 粗模态 Crude mode12＞3.970～10.1506.351.3 参数和方法 1.3.1 参数试验所测的参数为： 1）烟气中CO 、CO 2、NO x 、O 2的常规成分含量。