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張學敏2，張永亮1,2，姚宗路1，趙立欣1，孟海波1，田宜水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：為摸清不同進料方式的燃燒器對生物質成型燃料燃燒后顆粒物排放的影響，該文對上進料式（A型）、水平進料式（B型）和下進料式（C型）等3種類型的燃燒器進行燃燒顆粒排放試驗，采用低壓電子沖擊儀對玉米秸稈、棉稈、木質3種成型燃料燃燒后顆粒物排放開展數量濃度和質量濃度研究，并計算出每種燃料在3種燃燒器中每秒排放的顆粒物數量和質量分布。試驗結果表明：3種燃燒器中的顆粒物質量分布都成雙峰分布，主要集中在5～7級和12級，占總顆粒物質量的90%；木質和棉桿燃料在A型燃燒器中的顆粒物質量排放最少，玉米秸稈燃料在B型中顆粒物質量最少。3種燃燒器中的顆粒物數量分布都成單峰分布玉米秸稈和木質在B型燃燒器上的顆粒物數量主要集中在1～5級，在A型和C型燃燒器上顆粒物數量主要集中在3～6級；棉桿在C型燃燒器上集中在1～5級，在A型和B型燃燒器上顆粒物數量主要集中在3～6級。3種燃燒器對顆粒物質量的分布影響不大。根據試驗結果，建議不同的燃料匹配不同的燃燒器。從顆粒物排放總量角度，玉米秸稈應該匹配B型燃燒器，棉桿和木質燃料應該匹配A型燃燒器。從PM2.5所占比例得出，玉米秸稈燃料應匹配C型燃燒器，棉桿匹配B型燃燒器，木質匹配A型燃燒器。并建議生物質成型燃料燃燒器結構應具有以下特點：進料連續平穩；帶有主動清渣裝置并且清渣波動??；鼓風配風，保證過量空氣系數高。研究結果為中國生物質固體成型燃料的顆粒物排放法規的制定提供參考。
0引言
生物質固體成型燃料是通過專門設備將木屑，秸稈、稻殼等農業廢棄物壓縮成特定形狀來增加其密度的固體燃料，可替代煤炭等化石燃料用于炊事、供暖、發電等能源消耗[1-3]。生物質成型燃料的應用，不僅能充分利用農業廢棄物，避免資源浪費，而且減少了大量燃燒煤炭和焚燒農業秸稈所造成的空氣污染。經過多年研究，生物質燃燒器也得到迅速發展，尤其在瑞典、奧地利等國家，可實現高效、自動化運行。目前按照進料方式，可分為上進料式、水平進料式和下進料式[4-6]。上進料式燃燒器與料倉分離，回火危險??；可根據功率要求保證精確定量進料，但下落顆粒會引起燃燒波動，燃燒不穩定。水平進料式燃燒器和下進料式燃燒器，燃燒波浪小，燃燒過程連續、穩定，但有回火危險[7]。
隨著生物質固體成型燃料的普及和燃燒器技術的成熟與提高，生物質成型燃料燃燒后的顆粒物排放又逐漸成為人們研究的課題。空氣中的顆粒物是引起天空陰霾和空氣可見度低的主要原因，尤其是顆粒物中空氣動力學直徑小于2.5μm的顆粒物（PM2.5），被人體吸入后，對人體健康危害極大[8-10]，各國對空氣中不同粒徑的顆粒物濃度有嚴格的限制[11-14]。因此，各國在不同生物質燃燒設備上對成型燃料燃燒后產生的顆粒物粒徑分布規律以及PM2.5的含量展開了詳細研究。
Ghafghazi等研究了固定床燃燒木質后顆粒物排放情況[15]，Limousy等在一種12kW并且帶回燃結構的燃燒器上研究了咖啡渣燃燒后的顆粒物排放情況[16]，Meyer研究了幾種壁爐燃燒木質燃料后顆粒物的排放情況[17]，但都未研究燃燒器結構對顆粒物燃燒影響，而且也沒有對秸稈類生物質成型燃料的顆粒物排放展開研究。
由于國外的生物質固體成型燃料都是木質燃料，其灰分低，不易結渣，國外與之配套的燃燒器沒有清渣裝置[3-4]。而中國的生物質成型燃料以農作物秸稈為主，灰分高、燃燒過程中容易結渣、堿金屬及氯腐蝕、設備內積灰嚴重；因此中國生物質燃燒器增加各種清渣裝置[18]。本文采用不同的生物質成型燃料，在適合中國秸稈成型燃料的3種不同進料方式的燃燒器上進行試驗，研究了在不同進料方式燃燒器的顆粒物數量分布、質量分布狀況和PM2.5含量，并對比其常規排放性能。
1燃料與方法
1.1燃料
本試驗采用玉米秸稈、棉稈、木質3種成型燃料，所用玉米秸稈和棉桿生物質顆粒燃料于2013年1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；所用木質顆粒燃料由天津市嘉海木業公司生產，直徑6mm，長度10～30mm；3種燃料的密度均在1.2～1.8g/cm3。3種生物質顆粒燃料的工業分析、元素分析、熱值如表1。
1.2設備
1.2.1燃燒器
本試驗采用3種中國研發的燃燒器，分別為上進料式燃燒器（A型），水平進料式燃燒器（B型），下進料燃燒器（C型），結構見圖1所示。其中A型和B型燃燒器采用鼓風配風方式，C型燃燒器采用引風配風方式。A和C型燃燒器帶有單獨的清渣裝置，可實現主動清渣；B型燃燒器無單獨清渣裝置，其燃燒后的灰渣由新進燃料推落。采用3種燃燒器可根據加熱需求增減進料量、調整燃燒功率。3種燃燒器特點如表2。
1.2.2測試儀器
本試驗的測量儀器為低壓電子沖擊儀ELPI（electricallowpressureimpactor）和SEMTECH測試儀，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，把10μm以下顆粒物分成12級，從0.003～10μm，如表3，能夠對每級的顆粒數目和質量進行瞬態記錄[19]。SEMTECH為美國Sensors公司研發生產，可以測出廢氣各成分含量。
1.3參數和方法
1.3.1參數
試驗所測的參數為：
1）煙氣中CO、CO2、NOx、O2的常規成分含量。
2）不同粒徑顆粒物排放的數量濃度和質量濃度。顆粒物數量濃度：指在大氣壓力下在每平方厘米內含顆粒物個數；顆粒物質量濃度：指大氣壓力下在每平方米內含顆粒物質量。
1.3.2方法
燃燒器正常運行后，在每種燃燒器分別燃燒玉米秸稈、棉桿、木質3種生物質成型燃料；分別在最大功率下，即：進料量在6kg/h左右時，用ELPI和SEMTECH測試30min，實時記錄常規排放濃度和顆粒物不同粒徑按12個級別的數量濃度和質量濃度。
2結果與討論
2.1測試結果
3種生物質固體成型燃料分別在3種不同結構燃燒器上燃燒時，尾氣中各成分比例如表4；其排放顆粒物數量濃度分布如表5；排放顆粒物質量濃度分布如表6。
2.23種燃料在3種燃燒器上顆粒物排放對比
2.2.1顆粒物數量分布
根據公式（1），算出3種生物質成型燃料在A、B、C型燃燒器中燃燒的顆粒物數量分布如圖2所示。
由圖2看出，相同功率下，3種燃料在3種燃燒器上排放的顆粒物排放總數量呈現的結果都是：A型燃燒器＜B型燃燒器＜C型燃燒器。玉米秸稈在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總數量分別為2.21×1010、6.15×1010、4.09×1011。棉桿在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總數量分別為2.97×1010、5.16×1010、1.09×1012。木質燃料在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總數量分別為1.06×1010、6.76×1010、4.25×1011。
其中玉米秸稈燃料（圖2a）的顆粒物數量分布都是單峰分布，在A和C型燃燒器中，顆粒物數量主要集中在3～6級（57～393nm），峰值都出現第4級。在B型燃燒器中，顆粒物數量主要集中在1～5級（7～255nm），峰值出現在第1級。
其中棉桿燃料（圖2b）的顆粒物數量分布也都是單峰分布，在A和B型燃燒器中，顆粒物數量主要集中在3～6級（57～393nm），A型峰值在第6級，B型峰值在第4級。而在C型燃燒器中，顆粒物數量主要集中在1～5級（7～255nm），峰值出現在第1級。棉桿燃料在B型和C型燃燒器中的顆粒物數量分布與玉米和木質在B、C型上的分布趨勢相反，這是由于棉桿燃料的成分和生成顆粒物的成分與其他2種燃料的不同，含有難燃物質多，細小顆粒物在排出過程中不能繼續燃盡。而C型燃燒器中爐膛溫度較低，使得顆粒物所帶能量低，排出過程中布朗運動減少，不能碰撞形成大顆粒物，而在B型燃燒器中，爐膛溫度較高，布朗運動增加，形成更多的積聚顆粒物。
其中木質燃料（圖2c）的顆粒物數量分布仍都是單峰分布，在A和C型燃燒器中，顆粒物數量主要集中在3～6級（57～393nm），A型峰值在第4級，C型峰值在第5級。在B型燃燒器中，顆粒物數量主要集中在1～5級（7～255nm），峰值出現在第1級。
2.2.2顆粒物質量分布
根據公式（2），算出3種生物質成型燃料在A、B、C型燃燒器中燃燒的顆粒物數量分布如圖3。
由圖3中可知，3種燃料在3種燃燒器中的顆粒物質量都是呈雙峰分布，而且都是在C型燃燒器中排放的顆粒物質量最高，玉米燃料在B型燃燒器中排放顆粒物質量最少，棉桿和木質燃料在A型燃燒器排放的顆粒物質量最少。玉米秸稈在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總質量分別為396.9、249.6、6096.7μg。棉桿在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總質量分別為343、840.8、2414μg。木質燃料在A、B、C型中的每秒流出顆粒物總質量分別為226.8、293.4、9221.4μg。
玉米秸稈燃料在A型和C型燃燒器中顆粒物的質量峰值在第7級（393～637nm）和第12級（4～10μm），在B型燃燒器中顆粒物質量峰值在第6級（255～393nm）和第12級。經過計算，在A、B、C型3種燃燒器中PM2.5（10級以下）分別占PM10顆粒物質量的68.5%、70%、51%。
棉桿燃料在A型和B型燃燒器中顆粒物質量峰值在第6級和第12級，在C型燃燒器上質量峰值在5（165～255nm）級和12級。經過計算在A、B、C型3種燃燒器中PM2.5分別占PM10顆粒物質量的74.2%、66.9%、76.7%。
木質燃料在A型和C型燃燒器中顆粒物的質量峰值在第7級和第12級，在B型燃燒器中顆粒物質量峰值在第6級和第12級。經過計算，在A、B、C型3種燃燒器中PM2.5分別占PM10顆粒物質量的61.8%、67.8%、68.1%。
2.3討論
根據得出數據，在3種燃燒器中，顆粒物的數量都是A型燃燒器最少，C型燃燒器最多，而顆粒物的質量除了玉米秸稈燃料時在B型燃燒器排放最少在C型最多外，棉桿和木質燃料仍然是A型燃燒器最少，C型燃燒器最多。而且C型燃燒器的顆粒物最大排放量是A、B兩種燃燒器排放量的幾十倍。
造成這種情況的原因有：
1）燃燒器的結構。A型燃燒器的筒形結構和B型燃燒器的V字型結構，使得未燃燃料、燃燒燃料和燃后灰渣在燃燒器中有序橫置排開。燃燒器中各狀態燃料相互不造成影響，燃料在燃燒器中可以得到充分燃燒。C型燃燒器中，未燃燃料、燃燒燃料和燃后灰渣是從下到上縱置排開。燃燒器中的灰渣覆蓋在正在燃燒的燃料之上，使得燃料燃燒不充分，造成顆粒物極大增多。A型燃燒器的筒形結構使得燃料燃燒時燃燒區域內溫度更高，由表4可知，A型燃燒器的爐膛溫度高于B和C型，更高的溫度可以使顆粒物更好的燃燒，即使在燃燒器內沒有燃盡的顆粒物，由于帶有更高的溫度，早排氣的過程中，可以繼續燃燒殆盡。所以A型燃燒器顆粒物數量降低[20]。而玉米秸稈燃料在A型燃燒器中的顆粒物質量比B型多不只是由于燃燒器結構造成，而是因為玉米秸稈揮發分少、灰分多、結渣嚴重，燃后的顆粒物在排出過程中難以繼續燃燒殆盡所致。
2）進料方式。A型的上進料方式可以直接將燃料進到燃燒火焰上部，火焰溫度較高，可以很快將燃料點燃，燃燒充分，燃后顆粒物少[21]。B型燃燒器燃料為水平推入，燃燒速度比A型慢。C型燃燒器采用下進料方式，燃燒器底部溫度低，燃料燃燒緩慢，造成燃燒不充分。
3）配風方式。A、B型都是采用鼓風配風，鼓風的進氣量大，使得過量空氣系數大，可以使得空氣中的氧氣很快和燃料混合，而且A型燃燒器的筒形結構，由于進風渦流的存在，空氣在燃燒器中停留時間更長，與燃料的混合更充分，顆粒物更能燃燒盡[22]。C型燃燒器的引風配風結構，進氣量小，進氣動力不足，燃料和空氣不能混合充分，造成過量空氣系數過低（見表4），燃料燃燒極其不充分[23]，這是造成顆粒物多的重要原因。
4）清渣方式。A型燃燒器為螺旋主動清渣，燃燒后的灰渣在出口處自由下落，揚灰相對較小，降低了排煙中大顆粒物的數量[7]。B型燃燒器為被動清渣，灰渣被新進燃料推落，對顆粒物的影響效果和A型相似。C型燃燒器為抖動清渣，在抖動灰渣極大的掀起揚塵，增加煙氣中顆粒物的數量。
3種燃料在3種燃燒器中的顆粒物數量分布主要集中在3～6級的積聚模態顆粒物，占總顆粒物數量的70%以上。而3種燃料在3種燃燒器上的顆粒物質量主要分布在5～7級積聚模態和12級模態，占總顆粒物質量約90%。有研究表明顆粒物的形成主要有兩部分，積聚模態顆粒物由KCl、K2SO4等堿金屬鹽在溫度大于500℃時通過結核、聚集、長大過程結合而成，粒徑在100～600nm之間[24-26]。
粗模態顆粒物主要是由于燃料中存在Ca、Si等耐高溫金屬，其不易燃燒，在燃燒過程中形成較大的超微米顆粒物，粒徑在1μm以上[26-29]。3種生物質燃料分別在3種燃燒器中的顆粒物排放分布規律恰好符合這一特性。
3種燃燒器對3種燃料的顆粒物的分布在同等功率下并無太大影響。玉米和木質燃料在B型燃燒器中燃燒的更碎，導致顆粒物在1、2級的核模態顆粒物數量在所有顆粒物中比例增大，棉桿燃料在C型燃燒器中顆粒物1、2級的核模態顆粒物數量所占比例大。但是由于1、2級顆粒物粒徑太小，其數量的增多對顆粒物質量分布影響甚微。
3種燃料的PM2.5在3種燃燒器中所占的比例都不相同，玉米秸稈燃料在C型燃燒器中PM2.5所占顆粒物比例最少；棉桿在B型燃燒器中PM2.5所占比例少，木質在A型燃燒器中PM2.5所占比例最少。這是由于燃料的自身成分和性質不同造成的，說明不同的燃料匹配不同的燃燒器很重要。從PM2.5所占比例得出，玉米秸稈燃料應匹配C型燃燒器，棉桿匹配B型燃燒器，木質匹配A型燃燒器。
但從顆粒物排放總量得出，玉米秸稈應該匹配B型燃燒器，棉桿和木質燃料應該匹配A型燃燒器。
3結論
1）在上進料式（A型）、水平進料式（B型）、下進料式（C型）3種燃燒器中，玉米秸稈、棉桿、木質3種生物質固體成型燃料燃燒后的顆粒物總數量排放都是在A型中最少，在C型中最多。3種生物質固體成型燃料燃燒后的顆粒物質量排放，除了玉米秸稈燃料在B型燃燒器中排放最少外，棉桿和木質仍然是在A型中最少，在C型中最多。3種燃燒器顆粒物綜合總排放量A型＜B型＜C型。
2）3種燃料排放顆粒物的數量呈單峰分布，玉米秸稈和木質在B型燃燒器上的顆粒物數量主要集中在1～5級，在A型和C型燃燒器上顆粒物數量主要集中在3～6級；棉桿在C型燃燒器上集中在1～5級，在A型和B型燃燒器上顆粒物數量主要集中在3～6級。3種燃燒器對顆粒物質量的分布影響不大，3種燃料在3種燃燒器排放的顆粒物質量分布都成雙峰分布且差異不大，主要集中在5～7級和12級，占總顆粒物質量的90%。
3）從顆粒物排放總量角度，建議不同的燃料匹配不同的燃燒器，玉米秸稈應該匹配B型燃燒器，棉桿和木質燃料應該匹配A型燃燒器。并建議生物質成型燃料燃燒器結構應具有以下特點：進料連續平穩；帶有主動清渣裝置并且清渣波動??；鼓風配風，保證過量空氣系數高。
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