生物質(zhì)顆粒排放特性研究

生物質(zhì)固體成型燃料燃燒顆粒物排放特性研究姚宗路博士/高級工程師農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所江蘇鎮(zhèn)江2013.8.21中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會2013年學(xué)術(shù)年會主要內(nèi)容研究背景一國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二顆粒物排放特性試驗三農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院/CAAE研究背景一1、

霧霾天氣2013年1月，我國北方地區(qū)連續(xù)遭遇5次霧霾侵襲，污染之重、持續(xù)時間之長、社會影響之大，前所未有，引起全社會的廣泛關(guān)注。北京：2013年1月，霧霾天氣達(dá)到25天1、霧霾天氣導(dǎo)致華北地區(qū)霧霾天氣的主要原因為燃煤、機動車尾氣以及粉塵；農(nóng)作物秸稈可收集資源量每年約6.9億噸，每年約有3億噸被焚燒、廢棄；我國農(nóng)村地區(qū)約有2.26億農(nóng)戶采用爐灶炕，滿足冬季采暖、炊事需要，直接產(chǎn)生霧霾主要組成物?！巴砩?點，PM2.5升高為每立方米79微克，為輕度污染，10點攀升到103微克，11點竟達(dá)310微克，為嚴(yán)重污染?！薄鞍不找恍┑胤?、特別是皖北秸稈焚燒現(xiàn)象普遍，記者在宿州G3高速公路沿途兩邊看到，不少村莊的麥地正在燒秸稈，煙霧陣陣，焦糊味嗆鼻，焦黑的麥田連成一片，看不到盡頭”--

《全國新聞聯(lián)播》顆粒物（particulatematter）又稱煙塵，主要由揚塵、燃料燃燒排放、以及大氣中某些污染氣體組分之間通過光化學(xué)氧化反應(yīng)、催化氧化反應(yīng)或其他化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成。顆粒物是大氣污染的主要成分之一。碳黒有機物氨鹽硝酸鹽硫酸鹽重金屬燃煤，汽車、裝潢材料、塑料板等養(yǎng)殖場、農(nóng)業(yè)，汽車、工業(yè)脫硝過程等燃煤、機動車等其中對人有害的有銅、鋅、鉛和鋅機動車冒黑煙，煤炭和生物質(zhì)燃燒，輪胎磨損。PM成分2、顆粒物分類及危害根據(jù)空氣動力學(xué)直徑的不同，顆粒物主要包括：總懸浮顆粒物(TSP)：指大氣中100um以下的顆粒。PM10：指空氣動力學(xué)直徑小于或等于10um的大氣顆粒物，可通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體的顆粒，稱作可吸入顆粒物，簡稱為細(xì)微顆粒。PM2.5：指大氣中空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5um的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。

細(xì)微顆粒物排放對人體健康和生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重危害，細(xì)微顆粒的大量排放會污染水質(zhì)、降低大氣能見度，并造成各方面人體身體系統(tǒng)疾病等?？諝庵蓄w粒物濃度的上升會引起各種呼吸系統(tǒng)疾病，尤其是能吸入肺泡的PM2.5進(jìn)入人體后對人類的神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等都會造成極大的危害。秸稈成型燃料具有高效、潔凈、點火容易、CO2零排放、SO2和NOx排放極低等優(yōu)點，可替代煤炭，已廣泛應(yīng)用于炊事、供暖等民用領(lǐng)域和鍋爐燃燒、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。截止到2010年底，我國的生物質(zhì)固體成型燃料達(dá)到300萬噸，按照國家生物質(zhì)能源十二五發(fā)展規(guī)劃，到2015年，達(dá)到1000萬噸。3、生物質(zhì)成型燃料是解決焚燒途徑之一國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二國外對生物質(zhì)成型燃料顆粒物研究主要有三個方面：顆粒物形成研究：顆粒物的生成機理、形成過程，主要成分；顆粒物排放分布研究：顆粒物的排放的狀態(tài)和分布，以及燃料密度，燃燒負(fù)載，燃燒溫度，過量空氣系數(shù)等對顆粒物的分布產(chǎn)生的影響；顆粒物元素成分研究：顆粒物氣溶膠中主要元素K、S、Cl、K、Na、Pb、Si、Al、Mg、Ca等在顆粒物中的主要分布情況，在不同條件下的最終去向。瑞典農(nóng)業(yè)大學(xué)燃燒實驗室---顆粒排放特性試驗國內(nèi)在生物質(zhì)燃燒顆粒排放方面的研究，多集中在生物質(zhì)燃料和傳統(tǒng)煤粉之間的顆粒物的比較，以及農(nóng)作物秸稈的顆粒物的分布和組成成分。復(fù)旦大學(xué)建立了一套氣態(tài)污染物和顆粒物采樣實驗裝置，通過對水稻、小麥、玉米秸稈三種生物質(zhì)燃料燃燒排放的煙氣及煙塵顆粒物分析，研究了三種農(nóng)作物秸稈燃燒排放的顆粒物的個數(shù)濃度、體積濃度和質(zhì)量濃度粒徑分布特征。華中科大在一種自制的沉降爐實驗平臺上，將鋸末和稻草與煤混合進(jìn)行燃燒，研究了不同混合配比和配比溫度對顆粒物排放總量的影響和對顆粒物分布的影響；對脫堿后的稻草和煤進(jìn)行燃燒，研究了K、P、Na、Ca、Si、Al等堿金屬對顆粒物排放和分布的影響。顆粒物的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)2005年世界衛(wèi)生組織（WHO）制定了《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》，該準(zhǔn)則對大氣中可吸入顆粒物的濃度限值制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，WHO規(guī)定：PM2.5年平均濃度為10μg/m3，24h平均濃度為25μg/m31997年美國環(huán)保局頒布了PM2.5的國家大氣標(biāo)準(zhǔn)為65μg/m3·d-1和15μg/m3·a-1，于2006年將日均值下調(diào)至35μg/m3/天和15μg/m3/年

歐盟目前的PM2.5年均值極限為25μg/m3，歐盟標(biāo)準(zhǔn)制定了中長期PM2.5達(dá)標(biāo)的目標(biāo)值，即2015年目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為20μg/m3，2020年標(biāo)準(zhǔn)為18μg/m3。

我國對空氣中PM2.5排放的標(biāo)準(zhǔn)為:較高的一級標(biāo)準(zhǔn)為年均值為15μg/m3,日均值為35μg/m3；較低的一級的標(biāo)準(zhǔn)為年均值35μg/m3，日均值75μg/m3。2013年8月13號2013年8月19日顆粒物排放特性試驗三生物質(zhì)成型燃料燃燒試驗平臺和燃燒器采用由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研發(fā)的生物質(zhì)自動高效燃燒器，功率為20kW的上進(jìn)料式燃燒器生物質(zhì)燃燒試驗平臺1、試驗儀器ELPI測試系統(tǒng)本試驗的測量儀器為低壓電子沖擊儀（ElectricalLowPressureImpactor），ELPI是芬蘭坦佩雷大學(xué)開發(fā)的用于實時測量氣溶膠粒徑分布的儀器。其主要部件有低壓級聯(lián)撞擊器、電暈放電器和多通道靜電計等。ELPI把顆粒物分成12級，從0.003～10μm，如圖，能夠?qū)γ考壍念w粒數(shù)目和質(zhì)量進(jìn)行瞬態(tài)記錄。燃燒試驗平臺ELPI測試系統(tǒng)儀器介紹

ELPI主測器排氣采樣筒采氣泵空氣壓縮機排氣稀釋器3種顆粒燃料棉桿玉米秸稈2、試驗材料與測試方法木質(zhì)測量參數(shù)：除了總顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度外，主要測不同粒徑（12個級別）顆粒物的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。數(shù)量濃度：在每平方厘米內(nèi)含顆粒物個數(shù)。質(zhì)量濃度：在每平方米內(nèi)含顆粒物質(zhì)量。1）不同功率對顆粒物數(shù)量分布影響a玉米秸稈b棉桿c木質(zhì)三種成型燃料的顆粒物排放數(shù)量濃度都隨著功率的增高先減小后增大，在14KW功率下顆粒物排放最少。三種成型燃料顆粒數(shù)量峰值物峰值主要集中在4-7級（0.1—0.7μm），占總顆粒物數(shù)量的70%以上.3、試驗結(jié)果c木質(zhì)2）不同功率對顆粒物質(zhì)量分布影響a玉米秸稈b棉桿顆粒物質(zhì)量峰值在7級和12級，占顆粒物總質(zhì)量50%以上。PM2.5（10級以下）在顆粒物中所占的比例也隨著功率的增加出現(xiàn)10%-20%的減少。顆粒物質(zhì)量幾種在7級和12級，7級為積聚膜態(tài)粒子（亞微米），為K2SO4.KCL等堿金屬鹽結(jié)核、凝聚而成。12級為粗膜態(tài)粒子（超微米），為Si.Ca等耐高溫粒子生成。隨著功率增加，PM2.5較少，因為功率增加，溫度升高，顆粒的布朗運動加快，大大增加了相互撞擊的頻率，排除后溫差大，迅速凝結(jié)成大顆粒。減少PM2.5的方法:1.大大提高爐膛燃燒溫度。2.盡量降低排氣溫度。3）空氣量對顆粒物數(shù)量分布影響c木質(zhì)a玉米秸稈b棉桿4）空氣量對顆粒物質(zhì)量分布影響c木質(zhì)a玉米秸稈b棉桿空氣量對顆粒物分布趨勢基本無影響，只改變排放總量。風(fēng)速增大，過量空氣系數(shù)越大，顆粒物燃燒的更充分，各級顆粒物都相應(yīng)減少。。目前，國外對木質(zhì)顆粒燃料開展顆粒物排放特性研究，尤其是在顆粒物形成、分布、元素成分等方面。對于我國秸稈成型燃料，將重點研究有毒成分的聚集的顆粒物粒徑級別，并且根據(jù)有毒成分所在級別研究如何減少該粒徑下顆粒物的生成。單位基本情況農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，作為農(nóng)業(yè)部生物質(zhì)工程中心、農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室依托單位。重點研究領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)沼氣技術(shù)及裝備研究;農(nóng)作物秸稈固體成型燃料成型、高效燃燒技術(shù)與裝備研究;秸稈熱裂解制取生物炭技術(shù)以及生物炭綜合開發(fā)利用研究;農(nóng)村生產(chǎn)生活廢水處理及生產(chǎn)能源微藻高新技術(shù)研究；科研項目：承擔(dān)“十二五”科