生物質(zhì)顆粒排放特性研究

1、生物質(zhì)固體成型燃料燃燒顆粒物排放特性研究姚宗路姚宗路 博士博士/高級工程師高級工程師農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所 江蘇江蘇 鎮(zhèn)江鎮(zhèn)江 2013.8.21中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會2013年學(xué)術(shù)年會農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE主要內(nèi)容研究背景研究背景一一國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二二顆粒物排放特性試驗(yàn)顆粒物排放特性試驗(yàn)三三農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE研究背景一農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE1、 霧霾天氣2013年年1月，我國北方地區(qū)連續(xù)遭遇月，我國北方地區(qū)連續(xù)遭遇5次霧霾侵襲，污染之重、次霧霾侵襲，污染之重、持

2、續(xù)時(shí)間之長、社會影響之大，前所未有，引起全社會的廣持續(xù)時(shí)間之長、社會影響之大，前所未有，引起全社會的廣泛關(guān)注。泛關(guān)注。北京：北京：2013年年1月，霧霾天氣達(dá)到月，霧霾天氣達(dá)到25天天農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE1、霧霾天氣導(dǎo)致華北地區(qū)霧霾天氣的主要原因?yàn)閷?dǎo)致華北地區(qū)霧霾天氣的主要原因?yàn)槿既济好骸C(jī)動車尾氣以及粉塵；、機(jī)動車尾氣以及粉塵；農(nóng)作物秸稈可收集資源量每年約農(nóng)作物秸稈可收集資源量每年約6.9億億噸，每年約有噸，每年約有3億噸被焚燒、廢棄；億噸被焚燒、廢棄；我國農(nóng)村地區(qū)約有我國農(nóng)村地區(qū)約有2.26億農(nóng)戶采用爐灶億農(nóng)戶采用爐灶炕，滿足冬季采暖、炊事需要，直接產(chǎn)炕，滿足冬季采暖、炊事需要

3、，直接產(chǎn)生霧霾主要組成物。生霧霾主要組成物?！巴砩贤砩?點(diǎn)，點(diǎn)，PM2.5升高為每立方升高為每立方米米79微克，為輕度污染，微克，為輕度污染，10點(diǎn)攀點(diǎn)攀升到升到103微克，微克，11點(diǎn)竟達(dá)點(diǎn)竟達(dá)310微克，微克，為嚴(yán)重污染。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)播農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE顆粒物（顆粒物（particulate matter）又稱煙塵，主要由揚(yáng)塵、燃料燃燒排放、）又稱煙塵，主要由揚(yáng)塵、燃料燃燒排放、以及大氣中某些污染氣體組

4、分之間通過光化學(xué)氧化反應(yīng)、催化氧化反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。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。顆粒物是大氣污染的主要成分之一。碳黒碳黒有機(jī)物有機(jī)物氨鹽氨鹽硝酸鹽硝酸鹽硫酸鹽硫酸鹽重金屬重金屬燃煤，汽車、燃煤，汽車、裝潢材料、裝潢材料、塑料板等塑料板等養(yǎng)殖場、農(nóng)養(yǎng)殖場、農(nóng)業(yè)，汽車、業(yè)，汽車、工業(yè)脫硝過工業(yè)脫硝過程等程等燃煤、機(jī)燃煤、機(jī)動車等動車等其中對人有其中對人有害的有銅、害的有銅、鋅、鉛和鋅鋅、鉛和鋅機(jī)動車冒黑機(jī)動車冒黑煙，煤炭和煙，煤炭和生物質(zhì)燃燒，生物質(zhì)燃燒，輪胎磨損。輪胎磨損。PM成分成分2、顆粒物分

5、類及危害農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE根據(jù)空氣動力學(xué)直徑的不同，顆粒物主要包括：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。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE 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，并造成各顆粒的大量排放會污染水質(zhì)

6、、降低大氣能見度，并造成各方面人體身體系統(tǒng)疾病等。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，尤空氣中顆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。殖系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等都會造成極大的危害。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE秸稈成型燃料具有高效、潔凈、點(diǎn)火容易、秸稈成型燃料具有高效、潔凈、點(diǎn)火容易、CO2零排放零排放、SO2和和NOx排放極低等優(yōu)點(diǎn)，可排放極低等優(yōu)點(diǎn)，可替代煤炭替代煤炭，已廣泛應(yīng)用于炊事、，已廣泛應(yīng)用于炊事、供暖等民用領(lǐng)域和

7、鍋爐燃燒、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。供暖等民用領(lǐng)域和鍋爐燃燒、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。截止到截止到2010年底，我國的生物質(zhì)固體成型燃料達(dá)到年底，我國的生物質(zhì)固體成型燃料達(dá)到300萬噸，萬噸，按照國家生物質(zhì)能源十二五發(fā)展規(guī)劃，到按照國家生物質(zhì)能源十二五發(fā)展規(guī)劃，到2015年，達(dá)到年，達(dá)到1000萬萬噸。噸。3、生物質(zhì)成型燃料是解決焚燒途徑之一農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二二農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE 國外對生物質(zhì)成型燃料顆粒物研究主要有三個(gè)方面：國外對生物質(zhì)成型燃料顆粒物研究主要有三個(gè)方面：顆粒物形成研究：顆粒物形成研究：顆粒物的生成機(jī)理、形成過程，主要成分；顆粒物排放分布

8、研究：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(shí)驗(yàn)室瑞典農(nóng)業(yè)大學(xué)燃燒實(shí)驗(yàn)室-顆粒排放特性試驗(yàn)顆粒排放特性試驗(yàn)農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE 國內(nèi)國內(nèi)在生物質(zhì)燃燒顆粒排放方面在生物質(zhì)燃燒顆粒排放方面的研究的研究，多集中在，多集中在生生物質(zhì)燃料和傳統(tǒng)煤粉之間的物質(zhì)燃料和傳統(tǒng)煤粉之間的顆粒物顆粒物的比較，以及農(nóng)作物秸的比較，以及農(nóng)作物秸稈的顆

9、粒物的分布和組成成分。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)污染復(fù)旦大學(xué)建立了一套氣態(tài)污染物和顆粒物采樣實(shí)驗(yàn)裝置，通過物和顆粒物采樣實(shí)驗(yàn)裝置，通過對水稻、小麥、玉米秸稈三種生對水稻、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(gè)數(shù)濃秸稈燃燒排放的顆粒物的個(gè)數(shù)濃度、體積濃度和質(zhì)量濃度粒徑分度、體積濃度和質(zhì)量濃度粒徑分布特征。布特征。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE華中科大在一種自制的沉降爐實(shí)驗(yàn)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

10、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。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE顆粒物的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)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10g/m3，24h平均濃度為25g/m3 1997年美國環(huán)保局頒布了PM2.5的國家大氣標(biāo)準(zhǔn)為65g/m3d-1和15g/m3a-1，于2006年將日均值下調(diào)至35g/m3/天和15g/m3/年 歐盟目前的PM2.5年均值極限為25g/m3，歐盟標(biāo)準(zhǔn)制定了中長期PM2

11、.5達(dá)標(biāo)的目標(biāo)值，即2015年目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為20g/m3，2020年標(biāo)準(zhǔn)為18g/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15g/m3,日均值為35g/m3；較低的一級的標(biāo)準(zhǔn)為年均值35g/m3，日均值75g/m3。2013年年8月月13號號2013年年8月月19日日農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE顆粒物排放特性試驗(yàn)顆粒物排放特性試驗(yàn)三三農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE生物質(zhì)成型燃料燃燒試驗(yàn)平臺和燃燒器采用由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院研發(fā)生物質(zhì)成型燃料燃燒試驗(yàn)平臺和燃燒器采用由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院研發(fā)的生物質(zhì)自動高效燃燒器，功率為的生物質(zhì)自動高效燃燒器，功率為20kW的上進(jìn)料

12、式燃燒器的上進(jìn)料式燃燒器生物質(zhì)燃燒試驗(yàn)平臺生物質(zhì)燃燒試驗(yàn)平臺1、試驗(yàn)儀器農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAEELPI測試系統(tǒng)測試系統(tǒng) 本試驗(yàn)的測量儀器為低壓電子沖擊儀（Electrical Low Pressure Impactor），ELPI是芬蘭坦佩雷大學(xué)開發(fā)的用于實(shí)時(shí)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(jì)等。ELPI把顆粒物分成12級，從0.00310m，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(yàn)平臺燃燒試驗(yàn)平臺ELPI測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE儀器介紹儀器介紹 ELPI 主測器排氣采樣筒排氣采樣筒 采氣泵采氣泵空氣壓

13、縮機(jī)空氣壓縮機(jī)排氣稀釋器排氣稀釋器農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE3種顆粒燃料種顆粒燃料棉桿棉桿玉米秸稈玉米秸稈2、試驗(yàn)材料與測試方法木質(zhì)木質(zhì)測量參數(shù)：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(gè)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(gè)數(shù)。質(zhì)量濃度：在每平方米內(nèi)含顆粒物質(zhì)量。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE1）不同功率對顆粒物數(shù)量分布影響）不同功率對顆粒物數(shù)量分布影響a玉米秸稈玉米秸稈b棉桿棉桿c 木質(zhì)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

14、數(shù)量峰值物峰值主要集中在4-7級（0.10.7m），占總顆粒物數(shù)量的70%以上.3、試驗(yàn)結(jié)果農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAEc 木質(zhì)木質(zhì)2）不同功率對顆粒物質(zhì)量分布影響）不同功率對顆粒物質(zhì)量分布影響a玉米秸稈玉米秸稈b棉桿棉桿顆粒物質(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，隨著功率增加，PM2.5較少，因?yàn)楣β试黾樱^少，因

15、為功率增加，溫度升高，顆粒的布朗運(yùn)動加快，大大增加了溫度升高，顆粒的布朗運(yùn)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)成相互撞擊的頻率，排除后溫差大，迅速凝結(jié)成大顆粒大顆粒。減少減少PM2.5的方法的方法:1.大大提高爐膛燃燒溫度。大大提高爐膛燃燒溫度。2.盡量降低排氣溫度盡量降低排氣溫度。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE3）空氣量對顆粒物數(shù)量分布影響）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）空氣量對顆粒物質(zhì)量分布影響響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，空氣量對顆粒物分布趨勢

16、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。顆粒物燃燒的更充分，各級顆粒物都相應(yīng)減少。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE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、元素成分等方顆粒物形成、分布、元素成分等方面。面。對于我國秸稈成型燃料，將重點(diǎn)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。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/ CAAE單位基本情況農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托單位。重點(diǎn)研究領(lǐng)域：重點(diǎn)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