生物質鍋爐與燃煤鍋爐顆粒物排放特征比較

發布時間：2022-02-21所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要: 選擇 2 臺設計結構不同的生物質鍋爐( BB1、BB2) ，針對木質和秸稈 2 種生物質燃料開展煙塵、PM10和 PM2. 5排放特征的研究，并與燃煤鍋爐進行比較. 結果表明: 2 臺生物質鍋爐的大氣污染物排放質量濃度都未達到北京市 DB 11�N1392007《鍋爐大氣污染物排放標準》的

　　摘要: 選擇 2 臺設計結構不同的生物質鍋爐( BB1、BB2) ，針對木質和秸稈 2 種生物質燃料開展煙塵、PM10和 PM2. 5排放特征的研究，并與燃煤鍋爐進行比較. 結果表明: 2 臺生物質鍋爐的大氣污染物排放質量濃度都未達到北京市 DB 11�N139—2007《鍋爐大氣污染物排放標準》的要求; 2 臺生物質鍋爐顆粒物的排放因子存在差別，燃燒木質成型燃料時，BB1 和 BB2 生物質鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 207. 10 和 465. 51 mg�Nkg，PM10排放因子分別為 75. 18 和 149. 61 mg�Nkg，PM2. 5 排放因子分別為 58. 48 和 106. 86 mg�Nkg; 燃燒秸稈成型燃料時，BB1 和 BB2 生物質鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 142. 86 和 1 200. 86 mg�Nkg，PM10排放因子分別為 63. 63 和 102. 01 mg�Nkg，PM2. 5的排放因子分別為 50. 90 和 76. 51 mg�Nkg. 與熱功率相近的燃煤鍋爐比較，2 臺生物質鍋爐除塵器前的 PM10平均排放因子低 30. 41% ，PM2. 5 平均排放因子卻高 36. 84% ，即 PM2. 5 在生物質鍋爐煙塵中所占比例更高. 盡管利用可再生能源的生物質鍋爐具有很好的發展前景，但目前該類鍋爐仍存在污染物排放不達標的現象，因此，需要提高熱能利用效率和除塵效率，以減少污染.

　　關鍵詞: 生物質鍋爐; 燃煤鍋爐; 顆粒物; 排放因子

　　我國是農業大國，生物質資源豐富，但并未得到充分利用. 自 20 世紀 80 年代以來，我國部分地區在收割季節出現了露天焚燒秸稈的現象，而且越來越嚴重[1-3]. 這不僅浪費了大量的生物質資源，甚至還造成局地嚴重的大氣污染. 生物質燃燒會產生大量的氣態 污 染 物 ( 如 CO2、CO、CH4、NMHC、NOx、N2O、 CH3CI、CH3Br、H2O2、HCHO 和過氧化有機物等) 和顆粒物〔如 BC( 黑炭) 和 OC( 有機碳) 等〕[4-7]，可改變地球輻射平衡[8]，并且對全球大氣環境[9-10]、氣候系統[11]及生態系統[12]均產生了重要影響. 露天秸稈焚燒不僅造成局部大氣環境質量惡化、影響交通安全以及存在火災隱患，還會造成巨大的經濟損失. 根據王麗等[13]的估算，2004 年國內因秸稈焚燒造成的直接生物質資源損失為 113. 4 × 108 元，大氣污染損失為 196. 5 × 108 元. 因此，需要科學引導生物質利用方式，提高利用效率以減少大氣污染物排放[14].

　　生物質能源具有環境友好、可再生的特點，是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，在世界能源總消費量中占 14% ，被世界上約 1�N2 的人口用作生活用能源[15]. 發展中國家的初級能源為生物質能源，集中在炊事和取暖等傳統領域; 發達國家生物質能源在能源總消費量中占 3% ，主要作為區域供暖或發電.我國對于生物質能源的利用非常重視，已于 2006 年 1 月實施的《中華人民共和國可再生能源法》為生物質能源等可再生能源的廣泛應用提供了制度和法律保證. 因 此，生物質能源在國內具有很好的發展前景.

　　我國對生物質能源的有效利用，除了傳統的家用燃燒外，目前還利用生物質壓塊作為鍋爐燃料燃燒，這也是一種重要的燃燒方式. 為實現污染物總量控制目標、減少燃煤污染物排放，國內很多地區限制使用燃煤工業鍋爐，并在一定范圍內禁止使用. 上述限制措施導致部分使用燃煤工業鍋爐的地區轉而使用生物質鍋爐，這為生物質鍋爐的發展提供了空間，也促進了生物質鍋爐技術的發展. 由于生物質鍋爐發展時間較短，對其大氣污染物排放特征研究不足，因此，選擇 2 臺設計結構不同的生物質鍋爐開展顆粒物排放特征研究，并且與近似噸位的燃煤鍋爐進行比較，以期認識生物質鍋爐排放顆粒物的特征及其對大氣的貢獻.

　　1 試驗方法

　　1. 1 研究對象的選擇

　　1. 1. 1 鍋爐

　　目前使用的生物質鍋爐中既有為生物質燃燒專門設計的生物質鍋爐，也有在原有燃煤或燃油鍋爐基礎上改 造 而 成 的. 選 擇 2 臺 生 物 質 鍋 爐 ( BB1 和 BB2) 和 1 臺相近噸位的燃煤鍋爐( CB) 進行煙氣排放測定，鍋爐基本信息見表 1. 各鍋爐均為間歇式工作模式，啟爐工作和停爐時間的長短根據供暖或供應熱水的需要而定，平均每天燃燒時間為 10 h 左右，在整個供暖期工作.

　　1. 1. 2 燃料

　　生物質燃料為普遍使用的市售木質生物質成型燃料( MZ) 和秸稈生物質成型燃料( JG) ，2 種燃料均為條狀，直徑 0. 6 ～0. 8 cm，長 3 ～ 5 cm; 燃煤為大同煙煤散煤( YM) ，塊狀且直徑在 4 cm 以下. 為避免因燃料差別造成煙氣排放的差異，2 臺生物質鍋爐使用的同質燃料為同一批加工產品. 燃料工業分析和元素分析如表 2 所示. 由表 2 可見，與煙煤比較，生物質燃料具有較高的 w( 揮發分) 和 w( O) ，較低的 w( 固定碳) 、發熱量、w( S) 和 w( C) .

　　1. 2 樣品采集

　　利用自動煙塵煙氣分析儀( TH -880F) 測定鍋爐煙氣基本參數，包括煙氣中 SO2、NOx 和煙塵的濃度，以及林格曼黑度，以掌握鍋爐工作狀態及煙氣達標狀況.

　　建立的煙氣稀釋采樣系統由顆粒物稀釋器和顆粒物濾膜采樣器組成，如圖 1 所示. 顆粒物稀釋器( FPS - 4000，芬蘭 Dekati 公司) 是為燃燒或其他工業 過 程 中 顆 粒 物 測 量 所 設 計 的 稀 釋 采 樣 系統[16-18]. 稀釋過程分 2 級: 一級稀釋為熱稀釋，利用加熱后的零空氣對煙氣進行初步稀釋; 二級稀釋為冷稀釋，利用室溫下的零空氣對煙氣進一步稀釋.通過對稀釋倍數、稀釋溫度和停留時間的調整，可以對煙氣定量稀釋，該研究中稀釋倍數在 14 ～ 20 倍之間.

　　利用雙通道顆粒物旋風采樣器進行 PM10和 PM2. 5 的膜采樣. 采集顆粒物( PM10、PM2. 5 ) 的濾膜為日本東洋濾紙公司生產的石英濾膜，濾膜直徑為 47 mm. 對 PM10和 PM2. 5的濾膜稱量、采樣及保存均參照 HJ 618— 2011《環境空氣 PM10和 PM2. 5的測量 重量法》[19]進行.

　　PM10和 PM2. 5排放質量濃度、排放量的計算依據 GB�NT 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》[20]進行.

　　2 結果和討論

　　2. 1 鍋爐煙氣基本參數測定

　　測試鍋爐的主要功能為供暖和供應熱水，因此，測定時間選擇在供暖期的 2010 年 12 月進行. 鍋爐煙氣基本參數如表 3 所示.

　　北京市地方標準 DB 11�N139—2007《鍋爐大氣污染物排放標準》[21]中將理想過剩空氣系數定義為 1. 8，在 GB 5468—1999《鍋爐煙塵測試方法》[22]中也有類似的規定. 2 臺生物質鍋爐煙氣溫度差別大的原因: ①BB1 的過�？諝庀禂凳抢硐脒^�？諝庀禂档� 2 倍以上，表明會有大量過�？諝怆S煙氣排入大氣，煙氣量的增加將導致煙氣溫度降低. ②對于供暖鍋爐，熱能利用率低則使部分熱能隨煙氣排入大氣[23]，致使煙氣溫度高. ③鍋爐出口到煙囪測孔的距離對煙氣溫度也有一定影響. BB2 出口到煙囪測孔的距離為 10 m 左右，而 BB1 為 15 m 左右，而煙道和煙囪均為鐵質，具有一定的散熱作用，這使得煙氣溫度隨煙道的延長而降低.目前的生物質鍋爐設計還需要提高鍋爐熱能利用效率，對于煙氣溫度高的鍋爐可增加省煤器回收煙氣熱能，以減少能源浪費[24].

　　2. 2 煙塵達標狀況

　　根據自動煙塵煙氣分析儀測定結果，計算得到 3 臺鍋爐排放煙氣中的的 ρ( 煙塵) 、ρ( SO2 ) 、ρ( NOx ) 和林格曼黑度，結果如表 4 所示. 對于燃煤鍋爐，由于除塵器后煙氣濕度高，造成采集煙塵的濾筒中有水珠出現，干擾測定，因此，未計算除塵器后的 ρ( 煙塵) .

　　從表 4 可見，與 DB 11�N139—2007 中大氣污染物排放限值比較，2 臺生物質鍋爐煙氣中污染物濃度都未達標，其中 ρ( 煙塵) 超標 1 ～ 10 倍; 對于ρ( SO2 ) ，當燃燒木質成型燃料〔w( S) 為 0. 05% 〕時，2 臺生物質鍋爐排放煙氣中的 ρ( SO2 ) 才符合DB 11�N139—2007 標準 限 值 要 求，但燃燒秸稈成型燃料〔w ( S ) 為 0. 14% 〕時則超標 4 ～ 9 倍; 對于 ρ( NOx ) ，除 BB2 生物質鍋爐燃燒木質成型燃料時達標( 但已接近限值) 外，其他情況下都超標 1 ～ 2 倍.

　　燃料成分是影響煙氣中污染物濃度的重要因素. 2 臺生物質鍋爐都沒有加裝脫硫、脫氮裝置，煙氣中 ρ( SO2 ) 與燃料 w( S) 呈顯著正相關( R2 = 0. 999 6) ，煙氣中 ρ ( NOx ) 與燃料中 w( N) 也呈正相關( R2 = 0. 871 4) . 因此，需要根據燃料成分選擇增加脫硫或脫氮裝置，以實現達標排放.

　　2. 3 PM10和 PM2. 5排放濃度

　　2 臺生物質鍋爐和 1 臺燃煤鍋爐燃燒排放的 ρ( PM10 ) 和 ρ( PM2. 5 ) 如表 5 所示. 由表 5 可見，BB1 除塵器為袋式除塵器，對 PM10、PM2. 5的除塵效率均為 92% ～ 97% ; BB2 除塵器為水膜除塵器，對 PM10、 PM2. 5的除塵效率分別為 78% ～ 84% 、81% ～ 86% ，如果采用更高效率的除塵器，則煙塵實際排放的質量濃度相應更低. 由于燃煤鍋爐出口與除塵器間連接管路很短，并且連接管路中煙氣溫度在 400 ℃ 以上，已超出儀器測定范圍，因而未測定除塵器前煙氣中的污染物濃度，也就無法計算其除塵效率.

　　對于同種燃料，2 臺生物質鍋爐的顆粒物質量濃度存在很大差別，這主要是設計結構不同所致. BB1 生物質鍋爐為往復式爐排爐，爐排的前后移動對爐排上的燃料和灰渣造成擾動，致使大量顆粒物懸浮到空氣中并隨煙氣排出; 此外，BB1 生物質鍋爐除渣裝置為干式除渣機，燃料燃燒后的爐渣從爐排末端掉入渣斗并需人工定時清理，所造成的人工擾動同樣導致煙氣中顆粒物質量濃度升高. BB2 生物質鍋爐為鏈條爐，不存在爐排擾動，并且其除渣裝置為濕式除渣機，爐渣直接掉入具有冷卻水的渣斗中，由除渣機自動清除到室外，因而顆粒物質量濃度較低.

　　2. 4 PM10和 PM2. 5排放因子

　　利用顆粒物質量濃度及燃料使用量，計算各鍋爐的煙塵、PM10和 PM2. 5的排放因子，并與其他研究結果進行比較，結果如表 6 所示. 燃煤鍋爐除塵器前的排放因子采用 2 ～ 4 t�Nh 鍋爐數據[25-28]的平均值，PM10和 PM2. 5的平均排放因子分別為 1 613. 33 和 696. 67 mg�Nkg. 而該研究生物質鍋爐 PM10和 PM2. 5的平均排放因子分別為1 122. 67和 953. 34 mg�Nkg. 與燃煤鍋爐比較，生物質鍋爐的 PM10 排放因子比燃煤鍋爐低 30. 41% ，但 PM2. 5 的排放因子卻比燃煤鍋爐高 36. 84% ，表明 PM2. 5在煙塵中所占比例更高.

　　家用爐灶仍然是農村地區，尤其是北方農村地區廣泛使用的一種方式. 田賀忠等[29]對家用爐灶的研究表明，以秸稈為燃料時煙塵排放因子為 6 370 mg�Nkg，以薪柴為燃料時的排放因子為 3 330 mg�Nkg.該研究中 2 臺生物質鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 142. 86 和 1 200. 86 mg�Nkg，平均值為 504. 08 mg�Nkg. 比較可知，對于除塵裝置正常運行的生物質鍋爐，其排放因子較民用爐灶平均低 9 倍以上. 因此，有條件的地區可用生物質鍋爐取代家用爐灶，以大幅降低顆粒物排放.

　　3 結論

　　a) 2 臺生物質鍋爐的污染物排放質量濃度均未達到 DB 11�N139—2007 標準限值. 其中，ρ( 煙塵) 超標 2 ～ 7 倍; ρ( SO2 ) 與燃料 w( S) 顯著相關，燃燒木質成型燃料時 ρ( SO2 ) 符合 DB 11�N139—2007 排放標準但接近限值，而燃燒秸稈成型燃料時則超標 4 ～ 9 倍; 對于 ρ( NOx ) ，除 BB2 生物質鍋爐燃燒木質成型燃料達標外，其他情況超標 1 ～ 2 倍.

　　b) 燃燒木質成型燃料時，BB1 和 BB2 生物質鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 207. 10 和 465. 51 mg�Nkg，PM10排放因子分別為 75. 18 和 149. 61 mg�Nkg，PM2. 5 排 放 因 子 分 別 為 58. 48 和 106. 86 mg�Nkg; 燃燒秸稈燃料時，BB1 和 BB2 生物質鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 142. 86 和 1 200. 86 mg�Nkg，PM10排放因子分別為 63. 63 和 101. 01 mg�Nkg， PM2. 5的排放因子分別為 50. 9 和 76. 51 mg�Nkg. 與相近噸位燃煤鍋爐比較，2 臺生物質鍋爐除塵器前的 PM10平均排放因子低 30. 41% ，但 PM2. 5 的平均排放因子卻高 36. 84% ，即 PM2. 5在煙塵中所占比例更高.目前生物質鍋爐所用的除塵器對 PM10 和 PM2. 5 的除塵效率在 78% ～ 96% 之間，袋式除塵器具有較好的除塵效果.

　　c) 2 臺生物質鍋爐顆粒物排放因子存在很大差別，可能由于鍋爐結構設計不同所致. BB1 生物質鍋爐為爐排爐和干式除渣機，由于爐排的前后移動及爐渣掉入渣斗時對顆粒物造成了很大擾動，因而顆粒物質量濃度高; 而 BB2 生物質鍋爐為鏈條爐和濕式除渣機，減少了對顆粒物的擾動，因而煙氣中顆粒物質量濃度低.

　　d) 生物質鍋爐存在過剩空氣系數與理想狀況差距大、煙氣溫度高等問題，說明生物質鍋爐的設計和操作技術有待提高. 我國地域廣闊，生物質種類繁雜，不同生物質的燃燒性能差別大，應相應開發不同類型的燃燒技術及燃燒設備，實現生物質鍋爐的能源高效利用，使大氣污染物達標排放. 另外，需要加強監管，保證除塵裝置、脫硫脫氮裝置隨鍋爐正常運轉，在實現有效利用生物質能源的同時，減少對大氣環境的污染.——論文作者：耿春梅，陳建華，王歆華，楊 文，殷寶輝，劉紅杰，白志鵬

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