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張永亮1，2，趙立欣1，姚宗路1，田宜水1，孟海波1，張學敏2
（1.農業部規劃設計研究院，農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125，2.中國農業大學工學院，北京 100083）
摘要：針對中國生物質固體成型燃料燃燒過程中顆粒物排放粒徑分布不清、燃燒功率和空氣量對顆粒物分布影響不明等問題，該文在生物質燃燒試驗平臺上，采用低壓電子沖擊儀（ELPI）設備，對玉米秸稈、棉桿、木質等三種固體生物質成型燃料開展了燃燒顆粒排放研究，重點研究了三種生物質成型燃料在不同功率下和不同進氣量下的顆粒物的數量濃度分布和質量濃度分布。試驗結果表明，三種燃料的顆粒物的數量濃度峰值主要集中在5、6、7三級，占顆粒物總數量的70%以上；顆粒物質量峰值在7級和12級，占顆粒物總質量的50%以上。隨著功率增加，顆粒物排放量先減小后增大，在14KW時顆粒物排放最少。隨著進氣量的增加，顆粒物總量減少。
0引言
我國具有豐富的農作物秸稈，每年可收集秸稈總量達6.87億噸，約2.15億噸秸稈被焚，其焚燒所釋放的顆粒物造成了嚴重空氣污染[1-2]。空氣中的顆粒物微粒主要以核模態、積聚模態和粗粒子模態三種模態存在，其空氣動力學直徑在0.01~10μm之間[3-5]。據統計，我國大氣顆粒物污染主要源于煤炭和農作物燃燒、揚塵、車輛排放等，其中煤炭和農作物燃燒約占總顆粒物的30%[6-7]。
生物質固體成型燃料是通過專門設備將秸稈、稻殼、木屑等農業廢棄物壓縮成特定形狀來增加其密度的固體燃料，具有高效、潔凈、點火容易、CO2零排放等優點，可替代煤炭等化石燃料應用于炊事、供暖等民用領域和鍋爐燃燒、發電等工業領域[8-9]。
對于固體生物質燃料燃燒后的顆粒物排放問題，國內外都做了一些研究，國外主要集中在木質成型燃料方面，研究了木質成型燃料的顆粒物分布狀況，國內主要集中在生物質原始狀態下燃燒后顆粒物排放總量方面，主要研究了水稻、小麥、玉米秸稈等生物質直接燃燒生成顆粒物狀況[10-13]，但對生物質固體成型燃料燃燒過程中的顆粒物質量和數量的濃度分布等尚未研究。跟歐美的木質生物質成型燃料相比，中國的生物質成型燃料主要以玉米秸稈、棉桿、水稻、小麥等農作物生產剩余物為主，在工業成分、燃燒特性、污染排放的方面都和木質顆粒燃料有一定差異[14-16]。
因此，本文采用低壓電子沖擊儀（ELPI），在農業部規劃設計研究院搭建的生物質固體成型燃料燃燒平臺上，對玉米秸稈、棉桿、木質三種生物質固體成型燃料開展燃燒試驗，對三種燃料燃燒后的顆粒物排放的數量濃度和質量濃度開展研究。
1試驗燃料和方法
1.1試驗燃料
中國的生物質顆粒燃料主要以農作物秸稈為主，選擇目前市場上常見的玉米秸稈、棉稈、木質三種顆粒成型燃料作為對比分析，所用玉米秸稈和棉桿生物質顆粒燃料于2012年12月在北京大興禮賢生物質顆粒燃料公司生產，由農業部規劃設計研究院研制的485型生物質顆粒燃料成型機壓制而成，顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8mm，長度10~30mm，三種生物質顆粒燃料的工業分析、元素分析、熱值如表1。
1.2儀器與設備
1）生物質固體成型燃料燃燒試驗平臺
生物質成型燃料燃燒試驗平臺以生物質燃燒器和生物質鍋爐為核心，包括料倉，進料裝置，風機，控制箱，電腦記錄軟件等為一體的科研平臺。其中，進料的速度以及燃燒時配風量的大小均可調可控，在燃燒運行時，實現自動點火，自動配風，自動進料，自動清渣。實驗裝置示如圖1。
燃燒器采用由農業部規劃設計研究院研發的生物質自動高效燃燒器[17]，最大功率為20KW的上進料式燃燒器（PB-20）。
2）低壓電子沖擊儀
本試驗的測量儀器為低壓電子沖擊儀（ELPI），是芬蘭坦佩雷大學開發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，如表2，能夠對每級的顆粒數目和質量進行瞬態記錄[18]。
1.3試驗參數和方法
1.3.1試驗參數
試驗所測的參數為顆粒物排放的數量濃度和質量濃度。除了總顆粒數量濃度和質量濃度外，主要測不同粒徑（12個級別）顆粒物的數量濃度和質量濃度。數量濃度是指在每平方厘米內含顆粒物個數。質量濃度是指在每平方米內含顆粒物質量。所測數據能準確地反映所排放顆粒物中所包含的不同粒徑級別下的數量和質量。
1.3.2試驗方法
1)在實驗室平臺上分別燃燒三種生物質成型燃料，通過控制進料速度從而控制進料量，標定10KW、12KW、14KW、16KW、18KW五種功率，在風機風速最大，空氣量充足的情況下分別測量五種功率下顆粒物分布情況，每種功率在穩定時，測量記錄30分鐘。
2)選取三種燃料顆粒物排放最佳功率，在此功率下，通過控制風機轉速來標定空氣進氣量，分別測量風機風速為6m/s、7m/s、8m/s三中風速下的顆粒物排放分布情況，每種風速下燃燒穩定時，測量記錄30分鐘。
2結果與分析
2.1 在正常標定功率下顆粒物排放分布
PB20燃燒器設計在16KW的功率下熱效率最高，16KW為正常標定下的功率。三種燃料在16KW功率下的顆粒物排放分布如圖2。
在16KW功率下，三種燃料的顆粒物數量總濃度分別為7.77×10^6/cm3、3.41×10^6/cm3、2.28×10^6/cm3。木質最少，玉米秸稈最多。由圖2-a可以看出，玉米秸稈的顆粒物數量主要集中在3、4、5、6級，峰值是第6級，棉桿和木質的顆粒物數量主要集中在4、5、6、7級，棉桿峰值在第5級，木質峰值在第5級。
在16KW功率下，玉米秸稈、棉桿、木質燃料的顆粒物質量總濃度分別為227.5mg/m3、176.2mg/m3、101.7mg/m3 。由圖2-b可以看出，三種燃料的質量分布都是呈雙峰狀態，兩個峰值都是在第7級和第12級。在此功率下三種燃料的PM2.5（十級以下顆粒物）分別占總顆粒物質量的70.3%、59.5%、72.7%。
2.2功率對顆粒物排放分布影響
PB20燃燒器的運行功率區間為10~20KW，在空氣量最大、風機風速在8.0.m/s條件下，試驗分析功率對顆粒物排放分布的影響。
2.2.1三種成型燃料在不同功率下顆粒物數量濃度分布
三種成型燃料在不同功率下顆粒物數量濃度分布如圖3。隨著進料量的增多、功率的加大，顆粒物的總數量都是先減小后增大。顆粒物分布的峰值向大粒徑方向移動，表明進料量越多、功率越大，燃料燃燒后產生相對更大粒徑顆粒。
對于玉米秸稈，從圖3-a可以看出，10KW時三種燃料顆粒物數量濃度呈雙峰分布狀態，第1級和第5級積為峰值。12KW時，顆粒物分布的各級別數量降低，峰值出現在第6級。當功率為14KW時，顆粒物數量進一步減少，仍然呈雙峰分布，峰值第3級和第6級。功率提高到16KW和18KW時，數量峰值仍為第6級。
對于棉桿成型燃料，如圖3-b，10KW、12KW、14KW功率下顆粒物數量濃度都呈雙峰分布狀態，在第4級和第6級達到兩個峰值。雖然隨著功率增加顆粒物排放數量減少，但是總體數量分布趨勢沒有過多變化。16KW時峰值變為第5級，18KW時的分布峰值在第6級。
對于木質燃料，如圖3-c三種工況下，分布成雙峰狀態，第1級核模態顆粒和第5級積聚模態顆粒出現峰值，功率增加，數量分布有向大粒徑方向轉移趨勢。當功率提高到16WKW和18KW時，三種燃料的顆粒物總數量急劇增多，顆粒物數量的峰值都轉變為第6級。
2.2.2 三種成型燃料在不同功率下顆粒物質量濃度分布
三種成型燃料在不同功率下顆粒物質量濃度分布如圖4。
從圖4上可以看出，在所有功率下，三種燃料的顆粒物的質量分布都是一個趨勢，有2個峰值。
對于玉米秸稈成型燃料，如圖4-a，當功率在10KW、12KW、14KW時，功率的增加對顆粒物質量分布影響不大，總質量濃度在74~79mg/m3之間，16KW和18KW的顆粒物總質量急劇升高，總量分別為227.5mg/m3和303.8mg/m3，5種功率峰值分別是第7級和第12級。雖然大功率下顆粒物的質量濃度急劇增加，但是總體分布趨勢沒有發生太大變化。在5種工況下PM2.5占總顆粒物分別為65.6%、68.8%、68.7%、62.2%和58.8%。
對于棉桿成型燃料，如圖4-b，在10KW、12KW、14KW功率下，顆粒物各級質量濃度都隨功率的增加而減少，總質量濃度在44~90.9mg/m3。10KW和12KW功率下，顆粒物質量濃度的峰值在第7級顆粒物，在14KW時，質量濃度分布出現了雙峰值，為第7級和第12級。16KW和18KW功率下顆粒物總質量濃度明顯提高，總量分別為175mg/m3和197.8mg/m3， 分布呈雙峰狀態，峰 值依然為第7級和第12級。棉桿燃料在五種工況下PM2.5分別占總顆粒物的76%、70%、54.7%、52.7%、55.6%。
對于木質成型燃料，如圖4-c，5種功率下顆粒物總質量濃度分別為115mg/m3、155mg/m3、77.5mg/m3、101.8mg/m3、962mg/m3。五種功率下顆粒物質量濃度分布都呈雙峰分布，分別在第7級和第12級顆粒物出現峰值。在10KW、12KW、14KW功率下，隨著功率增加顆粒物各級質量濃度降低，14KW達到最佳排放狀態，16KW功率下各級顆粒物比14KW最大升高50%。當功 率為18KW時，顆粒物質量濃度急劇增多，木質燃料排放的PM2.5在五種工況下分別占總顆粒物的71.3%、67.7%、64%、61.3%、59.5%。
2.3進氣量對燃料顆粒物排放分布的影響
在相同功率下，不同的風機風速會導致不同的空氣量與燃料的配比。更多的空氣能使燃料燃燒后的顆粒物進一步被氧氣氧化，從而改變顆粒物的數量和分布。而且，風速不同改變燃燒器內部的氣流運動，改變燃燒環境，對顆粒物的生成和分布也產生一定影響。選擇14KW最佳燃燒功率下，研究空氣量對顆粒物排放的影響。
2.3.1不同進氣量下三種燃料顆粒物數量濃度分布
三種成型燃料在不同進氣量下的顆粒物數量濃度分布如圖6。
玉米秸稈成型燃料圖5-a，進風量對顆粒物數量分布趨勢無影響，峰值都是第3級和第6級，但顆粒物總體的數量濃度呈下降趨勢，在風速為8m/s時，顆粒物總量最小。風速從6m/s增加到8m/s，第1、2級的核模態顆粒物數量濃度增加了11.8%，3~9級積聚模態顆粒物數量濃度減少13.2%，10~12級粗模態顆粒物數量濃度減少12.7%。
棉桿成型燃料圖5-b，空氣量對顆粒物數量分布趨勢無影響，峰值在第4級和第6級，風速增加，顆粒物總數量濃度下降，在風速為8m/s時，顆粒物總量最小。風速6m/s時顆粒物最多和8m/s時顆粒物最少相比較，第1級和第2級的核模態顆粒物數量濃度減少了78.8%，3~9級積聚模態顆粒物數量濃度減少46.4%，10~12級粗模態顆粒物數量濃度減少47.6%。
木質燃料圖5-c，在風速為7m/s時，顆粒物排放最小。風速6m/s時顆粒物最多和7m/s時顆粒物最少相比較，第1級和第2級的核模態顆粒物數量濃度降低了30.4%，3~9級積聚模態顆粒物數量濃度減少15.8%，10~12級粗模態顆粒物數量濃度減少14.8%。
2.3.2三種成型燃料在不同進氣量下顆粒物質量濃度分布
三種成型燃料在不同進氣量下的顆粒物數量濃度分布如圖7。
空氣量對玉米秸稈燃料顆粒物排放的質量濃度分布影響圖6-a，顆粒物質量峰值都在第7級和第13級。風速8m/s時顆粒物最多和7m/s時顆粒物最少相比較，第1、2級核模態顆粒物的質量量濃度升高29%，3~9級積聚模態的顆粒物質量濃度降低14.4%，10~12級粗模態顆粒物質量濃度降低9%。PM2.5的質量濃度降低14%。
空氣量對棉桿燃料顆粒物排放的質量濃度分布影響圖6-b，顆粒物質量峰值都在第7級。風速6m/s時顆粒物最多和8m/s時顆粒物最少相比較，第1級和第2級核模態顆粒物的質量濃度降低76.7%，3~9級積聚模態的顆粒物質量濃度降低50.6%，10~12級粗模態顆粒物質量濃度降低53%。PM2.5的質量濃度降低51.5%。
空氣量對木質燃料顆粒物排放的質量濃度分布影響圖6-c，顆粒物質量峰值都在第7級和第13級。風速6m/s時顆粒物最多和7m/s時顆粒物最少相比較，第1級和第2級核模態顆粒物的質量濃度升高36%，3~9級積聚模態的顆粒物質量濃度降低18%，10~12級粗模態顆粒物質量濃度降低14.3%。PM2.5的質量濃度降低18%。
2.4 討論
在五種不同功率下三種生物成型燃料的顆粒物數量濃度分布主要集中在4~7級的積聚模態的顆粒物，占總數量的70%以上。三種燃料的顆粒物質量濃度分布除了積聚模態還有10~12級的粗模態顆粒物，兩種形態的顆粒物的質量濃度占總質量濃度的90%以上。在10KW、12KW、14KW三種功率下，三種生物質成型燃料的各級顆粒物都隨著功率的增大而降低，這是由于功率增大，導致爐膛溫度升高(分別為770℃、820℃、900℃)，從而排煙溫度升高(分別為105℃、123℃、144℃)，由于空氣 充足，燃料所排放的顆粒物會隨著排氣過程繼續燃燒，并且由于功率增加，爐膛溫度和排煙溫度增高，使得顆粒物的布朗運動增加，相互撞擊頻率增加，積聚模態的顆粒物減少，粗模態顆粒物增加[18.19]，總體的數量下降。但是繼續增大功率，顆粒物無論數量濃度還是質量濃度都急劇上升，這主要是因為進料量增多，雖然爐膛溫度 升高，但是空氣不足，燃料燃燒不完全，積聚模態顆粒物和粗模態顆粒物不能在排氣中被多余的氧氣氧化燃燒造成的。
在14KW時，三種燃料隨著風機風速的增大、進氣量的增加，顆粒物的數量濃度和質量濃度都成下降趨勢。對于玉米秸稈而言，風速增加使得核模態顆粒物增加，積聚模態顆粒物和粗模態顆粒物減少。對于棉桿而言，風速增加使得三種模態顆粒物都減少。對于木質成型燃料而言，雖然總體趨勢是顆粒物隨進氣量增大而減少，但并不是絕對的線性的關系。風速變大時，核模態顆粒物增多，積聚模態顆粒物減少，粗模態顆粒物增多。呈兩頭變多中間變少趨勢。
風量增大使得顆粒物的數量濃度和質量濃度都減少，這是因為進氣量增加，使得燃燒器內氧氣變多，燃料可以充分燃燒；即使沒有在燃燒器內燃燒盡的粗顆粒物，也可在排氣過程中繼續氧化燃燒成小的顆粒物。所以玉米秸稈和木質成型燃料隨著風速增加，積聚模態顆粒物減少，核模態顆粒物增加。由于木質燃料揮發分和含碳量比另外兩種高，當大風速時，加速揮發分和碳粒生成，碳粒高速運動，增加碰撞的幾率，凝聚成一定的粗模顆粒物，所以木質燃料隨著風速增大，粗模顆粒物也增多。
3.結論
（1）在標定功率16KW工況下，玉米秸稈顆粒物排放最大，其次是棉桿，木質最小。玉米秸稈的顆粒物數量主要分布在3-6級，棉桿和木質的顆粒物數量主要分布在4-7級。三種燃料的顆粒物質量主要是雙峰分布，都在第7級和第12級。
（2）在不同功率下，三種成型燃料的顆粒物排放數量濃度和質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量峰值物峰值主要集中在4~7級，占總顆粒物數量的70%以上；顆粒物質量峰值在7級和12級，占顆粒物總質量50%以上。PM2.5在顆粒物中所占的比例也隨著功率的增加出現10%-20%的減少。
（3）進氣量對顆粒物分布趨勢基本無影響，只改變排放總量。風速增大，進氣量增多，棉桿的變化幅度大于玉米秸稈和木質。玉米秸稈和棉桿的顆粒物總量都隨著進氣量增大而減少，在8m/s時顆粒物排放最少。木質的在7m/s時顆粒物排放最少。玉米秸稈和木質的核模態顆粒物隨著進氣量增大而增多，積聚模態和粗模態相反。
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