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摘 要： 摘要: 選擇 2 臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同的生物質(zhì)鍋爐( BB1、BB2) ，針對(duì)木質(zhì)和秸稈 2 種生物質(zhì)燃料開展煙塵、PM10和 PM2. 5排放特征的研究，并與燃煤鍋爐進(jìn)行比較. 結(jié)果表明: 2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐的大氣污染物排放質(zhì)量濃度都未達(dá)到北京市 DB 111392007《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的
摘要: 選擇 2 臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同的生物質(zhì)鍋爐( BB1、BB2) ，針對(duì)木質(zhì)和秸稈 2 種生物質(zhì)燃料開展煙塵、PM10和 PM2. 5排放特征的研究，并與燃煤鍋爐進(jìn)行比較. 結(jié)果表明: 2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐的大氣污染物排放質(zhì)量濃度都未達(dá)到北京市 DB 11139—2007《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求; 2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐顆粒物的排放因子存在差別，燃燒木質(zhì)成型燃料時(shí)，BB1 和 BB2 生物質(zhì)鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 207. 10 和 465. 51 mgkg，PM10排放因子分別為 75. 18 和 149. 61 mgkg，PM2. 5 排放因子分別為 58. 48 和 106. 86 mgkg; 燃燒秸稈成型燃料時(shí)，BB1 和 BB2 生物質(zhì)鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 142. 86 和 1 200. 86 mgkg，PM10排放因子分別為 63. 63 和 102. 01 mgkg，PM2. 5的排放因子分別為 50. 90 和 76. 51 mgkg. 與熱功率相近的燃煤鍋爐比較，2 臺(tái)生物質(zhì)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(zhì)鍋爐煙塵中所占比例更高. 盡管利用可再生能源的生物質(zhì)鍋爐具有很好的發(fā)展前景，但目前該類鍋爐仍存在污染物排放不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象，因此，需要提高熱能利用效率和除塵效率，以減少污染.
關(guān)鍵詞: 生物質(zhì)鍋爐; 燃煤鍋爐; 顆粒物; 排放因子
我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)資源豐富，但并未得到充分利用. 自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，我國(guó)部分地區(qū)在收割季節(jié)出現(xiàn)了露天焚燒秸稈的現(xiàn)象，而且越來(lái)越嚴(yán)重[1-3]. 這不僅浪費(fèi)了大量的生物質(zhì)資源，甚至還造成局地嚴(yán)重的大氣污染. 生物質(zhì)燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的氣態(tài) 污 染 物 ( 如 CO2、CO、CH4、NMHC、NOx、N2O、 CH3CI、CH3Br、H2O2、HCHO 和過(guò)氧化有機(jī)物等) 和顆粒物〔如 BC( 黑炭) 和 OC( 有機(jī)碳) 等〕[4-7]，可改變地球輻射平衡[8]，并且對(duì)全球大氣環(huán)境[9-10]、氣候系統(tǒng)[11]及生態(tài)系統(tǒng)[12]均產(chǎn)生了重要影響. 露天秸稈焚燒不僅造成局部大氣環(huán)境質(zhì)量惡化、影響交通安全以及存在火災(zāi)隱患，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失. 根據(jù)王麗等[13]的估算，2004 年國(guó)內(nèi)因秸稈焚燒造成的直接生物質(zhì)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(xué)引導(dǎo)生物質(zhì)利用方式，提高利用效率以減少大氣污染物排放[14].
生物質(zhì)能源具有環(huán)境友好、可再生的特點(diǎn)，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(fèi)量中占 14% ，被世界上約 12 的人口用作生活用能源[15]. 發(fā)展中國(guó)家的初級(jí)能源為生物質(zhì)能源，集中在炊事和取暖等傳統(tǒng)領(lǐng)域; 發(fā)達(dá)國(guó)家生物質(zhì)能源在能源總消費(fèi)量中占 3% ，主要作為區(qū)域供暖或發(fā)電.我國(guó)對(duì)于生物質(zhì)能源的利用非常重視，已于 2006 年 1 月實(shí)施的《中華人民共和國(guó)可再生能源法》為生物質(zhì)能源等可再生能源的廣泛應(yīng)用提供了制度和法律保證. 因 此，生物質(zhì)能源在國(guó)內(nèi)具有很好的發(fā)展前景.
我國(guó)對(duì)生物質(zhì)能源的有效利用，除了傳統(tǒng)的家用燃燒外，目前還利用生物質(zhì)壓塊作為鍋爐燃料燃燒，這也是一種重要的燃燒方式. 為實(shí)現(xiàn)污染物總量控制目標(biāo)、減少燃煤污染物排放，國(guó)內(nèi)很多地區(qū)限制使用燃煤工業(yè)鍋爐，并在一定范圍內(nèi)禁止使用. 上述限制措施導(dǎo)致部分使用燃煤工業(yè)鍋爐的地區(qū)轉(zhuǎn)而使用生物質(zhì)鍋爐，這為生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展提供了空間，也促進(jìn)了生物質(zhì)鍋爐技術(shù)的發(fā)展. 由于生物質(zhì)鍋爐發(fā)展時(shí)間較短，對(duì)其大氣污染物排放特征研究不足，因此，選擇 2 臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同的生物質(zhì)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(jìn)行比較，以期認(rèn)識(shí)生物質(zhì)鍋爐排放顆粒物的特征及其對(duì)大氣的貢獻(xiàn).
1 試驗(yàn)方法
1. 1 研究對(duì)象的選擇
1. 1. 1 鍋爐
目前使用的生物質(zhì)鍋爐中既有為生物質(zhì)燃燒專門設(shè)計(jì)的生物質(zhì)鍋爐，也有在原有燃煤或燃油鍋爐基礎(chǔ)上改 造 而 成 的. 選 擇 2 臺(tái) 生 物 質(zhì) 鍋 爐 ( BB1 和 BB2) 和 1 臺(tái)相近噸位的燃煤鍋爐( CB) 進(jìn)行煙氣排放測(cè)定，鍋爐基本信息見(jiàn)表 1. 各鍋爐均為間歇式工作模式，啟爐工作和停爐時(shí)間的長(zhǎng)短根據(jù)供暖或供應(yīng)熱水的需要而定，平均每天燃燒時(shí)間為 10 h 左右，在整個(gè)供暖期工作.
1. 1. 2 燃料
生物質(zhì)燃料為普遍使用的市售木質(zhì)生物質(zhì)成型燃料( MZ) 和秸稈生物質(zhì)成型燃料( JG) ，2 種燃料均為條狀，直徑 0. 6 ～0. 8 cm，長(zhǎng) 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(tái)生物質(zhì)鍋爐使用的同質(zhì)燃料為同一批加工產(chǎn)品. 燃料工業(yè)分析和元素分析如表 2 所示. 由表 2 可見(jiàn)，與煙煤比較，生物質(zhì)燃料具有較高的 w( 揮發(fā)分) 和 w( O) ，較低的 w( 固定碳) 、發(fā)熱量、w( S) 和 w( C) .
1. 2 樣品采集
利用自動(dòng)煙塵煙氣分析儀( TH -880F) 測(cè)定鍋爐煙氣基本參數(shù)，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(tài)及煙氣達(dá)標(biāo)狀況.
建立的煙氣稀釋采樣系統(tǒng)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(yè) 過(guò) 程 中 顆 粒 物 測(cè) 量 所 設(shè) 計(jì) 的 稀 釋 采 樣 系統(tǒng)[16-18]. 稀釋過(guò)程分 2 級(jí): 一級(jí)稀釋為熱稀釋，利用加熱后的零空氣對(duì)煙氣進(jìn)行初步稀釋; 二級(jí)稀釋為冷稀釋，利用室溫下的零空氣對(duì)煙氣進(jìn)一步稀釋.通過(guò)對(duì)稀釋倍數(shù)、稀釋溫度和停留時(shí)間的調(diào)整，可以對(duì)煙氣定量稀釋，該研究中稀釋倍數(shù)在 14 ～ 20 倍之間.
利用雙通道顆粒物旋風(fēng)采樣器進(jìn)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(chǎn)的石英濾膜，濾膜直徑為 47 mm. 對(duì) PM10和 PM2. 5的濾膜稱量、采樣及保存均參照 HJ 618— 2011《環(huán)境空氣 PM10和 PM2. 5的測(cè)量 重量法》[19]進(jìn)行.
PM10和 PM2. 5排放質(zhì)量濃度、排放量的計(jì)算依據(jù) GBT 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》[20]進(jìn)行.
2 結(jié)果和討論
2. 1 鍋爐煙氣基本參數(shù)測(cè)定
測(cè)試鍋爐的主要功能為供暖和供應(yīng)熱水，因此，測(cè)定時(shí)間選擇在供暖期的 2010 年 12 月進(jìn)行. 鍋爐煙氣基本參數(shù)如表 3 所示.
北京市地方標(biāo)準(zhǔn) DB 11139—2007《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[21]中將理想過(guò)剩空氣系數(shù)定義為 1. 8，在 GB 5468—1999《鍋爐煙塵測(cè)試方法》[22]中也有類似的規(guī)定. 2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐煙氣溫度差別大的原因: ①BB1 的過(guò)剩空氣系數(shù)是理想過(guò)剩空氣系數(shù)的 2 倍以上，表明會(huì)有大量過(guò)剩空氣隨煙氣排入大氣，煙氣量的增加將導(dǎo)致煙氣溫度降低. ②對(duì)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(cè)孔的距離對(duì)煙氣溫度也有一定影響. BB2 出口到煙囪測(cè)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(zhì)，具有一定的散熱作用，這使得煙氣溫度隨煙道的延長(zhǎng)而降低.目前的生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)還需要提高鍋爐熱能利用效率，對(duì)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(fèi)[24].
2. 2 煙塵達(dá)標(biāo)狀況
根據(jù)自動(dòng)煙塵煙氣分析儀測(cè)定結(jié)果，計(jì)算得到 3 臺(tái)鍋爐排放煙氣中的的 ρ( 煙塵) 、ρ( SO2 ) 、ρ( NOx ) 和林格曼黑度，結(jié)果如表 4 所示. 對(duì)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(xiàn)，干擾測(cè)定，因此，未計(jì)算除塵器后的 ρ( 煙塵) .
從表 4 可見(jiàn)，與 DB 11139—2007 中大氣污染物排放限值比較，2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐煙氣中污染物濃度都未達(dá)標(biāo)，其中 ρ( 煙塵) 超標(biāo) 1 ～ 10 倍; 對(duì)于ρ( SO2 ) ，當(dāng)燃燒木質(zhì)成型燃料〔w( S) 為 0. 05% 〕時(shí)，2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐排放煙氣中的 ρ( SO2 ) 才符合DB 11139—2007 標(biāo)準(zhǔn) 限 值 要 求，但燃燒秸稈成型燃料〔w ( S ) 為 0. 14% 〕時(shí)則超標(biāo) 4 ～ 9 倍; 對(duì)于 ρ( NOx ) ，除 BB2 生物質(zhì)鍋爐燃燒木質(zhì)成型燃料時(shí)達(dá)標(biāo)( 但已接近限值) 外，其他情況下都超標(biāo) 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(tái)生物質(zhì)鍋爐都沒(méi)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(guān)( R2 = 0. 999 6) ，煙氣中 ρ ( NOx ) 與燃料中 w( N) 也呈正相關(guān)( R2 = 0. 871 4) . 因此，需要根據(jù)燃料成分選擇增加脫硫或脫氮裝置，以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放.
2. 3 PM10和 PM2. 5排放濃度
2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐和 1 臺(tái)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(jiàn)，BB1 除塵器為袋式除塵器，對(duì) PM10、PM2. 5的除塵效率均為 92% ～ 97% ; BB2 除塵器為水膜除塵器，對(duì) 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(shí)際排放的質(zhì)量濃度相應(yīng)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(cè)定范圍，因而未測(cè)定除塵器前煙氣中的污染物濃度，也就無(wú)法計(jì)算其除塵效率.
對(duì)于同種燃料，2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐的顆粒物質(zhì)量濃度存在很大差別，這主要是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同所致. BB1 生物質(zhì)鍋爐為往復(fù)式爐排爐，爐排的前后移動(dòng)對(duì)爐排上的燃料和灰渣造成擾動(dòng)，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(zhì)鍋爐除渣裝置為干式除渣機(jī)，燃料燃燒后的爐渣從爐排末端掉入渣斗并需人工定時(shí)清理，所造成的人工擾動(dòng)同樣導(dǎo)致煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度升高. BB2 生物質(zhì)鍋爐為鏈條爐，不存在爐排擾動(dòng)，并且其除渣裝置為濕式除渣機(jī)，爐渣直接掉入具有冷卻水的渣斗中，由除渣機(jī)自動(dòng)清除到室外，因而顆粒物質(zhì)量濃度較低.
2. 4 PM10和 PM2. 5排放因子
利用顆粒物質(zhì)量濃度及燃料使用量，計(jì)算各鍋爐的煙塵、PM10和 PM2. 5的排放因子，并與其他研究結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表 6 所示. 燃煤鍋爐除塵器前的排放因子采用 2 ～ 4 th 鍋爐數(shù)據(jù)[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 mgkg. 而該研究生物質(zhì)鍋爐 PM10和 PM2. 5的平均排放因子分別為1 122. 67和 953. 34 mgkg. 與燃煤鍋爐比較，生物質(zhì)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(nóng)村地區(qū)，尤其是北方農(nóng)村地區(qū)廣泛使用的一種方式. 田賀忠等[29]對(duì)家用爐灶的研究表明，以秸稈為燃料時(shí)煙塵排放因子為 6 370 mgkg，以薪柴為燃料時(shí)的排放因子為 3 330 mgkg.該研究中 2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 142. 86 和 1 200. 86 mgkg，平均值為 504. 08 mgkg. 比較可知，對(duì)于除塵裝置正常運(yùn)行的生物質(zhì)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(qū)可用生物質(zhì)鍋爐取代家用爐灶，以大幅降低顆粒物排放.
3 結(jié)論
a) 2 臺(tái)生物質(zhì)鍋爐的污染物排放質(zhì)量濃度均未達(dá)到 DB 11139—2007 標(biāo)準(zhǔn)限值. 其中，ρ( 煙塵) 超標(biāo) 2 ～ 7 倍; ρ( SO2 ) 與燃料 w( S) 顯著相關(guān)，燃燒木質(zhì)成型燃料時(shí) ρ( SO2 ) 符合 DB 11139—2007 排放標(biāo)準(zhǔn)但接近限值，而燃燒秸稈成型燃料時(shí)則超標(biāo) 4 ～ 9 倍; 對(duì)于 ρ( NOx ) ，除 BB2 生物質(zhì)鍋爐燃燒木質(zhì)成型燃料達(dá)標(biāo)外，其他情況超標(biāo) 1 ～ 2 倍.
b) 燃燒木質(zhì)成型燃料時(shí)，BB1 和 BB2 生物質(zhì)鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 207. 10 和 465. 51 mgkg，PM10排放因子分別為 75. 18 和 149. 61 mgkg，PM2. 5 排 放 因 子 分 別 為 58. 48 和 106. 86 mgkg; 燃燒秸稈燃料時(shí)，BB1 和 BB2 生物質(zhì)鍋爐除塵器后的煙塵排放因子分別為 142. 86 和 1 200. 86 mgkg，PM10排放因子分別為 63. 63 和 101. 01 mgkg， PM2. 5的排放因子分別為 50. 9 和 76. 51 mgkg. 與相近噸位燃煤鍋爐比較，2 臺(tái)生物質(zhì)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(zhì)鍋爐所用的除塵器對(duì) 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(tái)生物質(zhì)鍋爐顆粒物排放因子存在很大差別，可能由于鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同所致. BB1 生物質(zhì)鍋爐為爐排爐和干式除渣機(jī)，由于爐排的前后移動(dòng)及爐渣掉入渣斗時(shí)對(duì)顆粒物造成了很大擾動(dòng)，因而顆粒物質(zhì)量濃度高; 而 BB2 生物質(zhì)鍋爐為鏈條爐和濕式除渣機(jī)，減少了對(duì)顆粒物的擾動(dòng)，因而煙氣中顆粒物質(zhì)量濃度低.
d) 生物質(zhì)鍋爐存在過(guò)剩空氣系數(shù)與理想狀況差距大、煙氣溫度高等問(wèn)題，說(shuō)明生物質(zhì)鍋爐的設(shè)計(jì)和操作技術(shù)有待提高. 我國(guó)地域廣闊，生物質(zhì)種類繁雜，不同生物質(zhì)的燃燒性能差別大，應(yīng)相應(yīng)開發(fā)不同類型的燃燒技術(shù)及燃燒設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐的能源高效利用，使大氣污染物達(dá)標(biāo)排放. 另外，需要加強(qiáng)監(jiān)管，保證除塵裝置、脫硫脫氮裝置隨鍋爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在實(shí)現(xiàn)有效利用生物質(zhì)能源的同時(shí)，減少對(duì)大氣環(huán)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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