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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排放的顆粒物粒徑分布不清、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（electricallowpressureimpactor）設備，對玉米秸稈、棉桿、木質等3種固體生物質成型燃料分別開展了燃燒顆粒排放研究，重點研究了3種生物質成型燃料在不同功率下和不同空氣量下的顆粒物的數量和質量分布。試驗結果表明，3種燃料的顆粒物的數量峰值主要集中在4~7四級，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，大粒徑顆粒物增多，在14kW時顆粒物排放最少。隨著空氣量的增加，分布趨勢不變，顆粒物總量減少。該研究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
中國具有豐富的農作物秸稈，每年可收集秸稈總量達6.87億t，約2.15t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3種模態存在，其空氣動力學直徑在0.01～10μm之間[3-5]。據統計，中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[10-12]，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[13-15]。
因此，本文采用低壓電子沖擊儀（ELPI electrical low pressure impactor），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3種生物質固體成型燃料開展燃燒試驗，對3種燃料燃燒后的顆粒物排放的數量和質量分布進行研究，以期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。
1材料與方法
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3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，所用木質顆粒燃料由天津嘉海木業公司生產。顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8mm，長度10～30mm，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儀器與設備
1.2.1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。試驗裝置示如圖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[16]，最大功率為20kW的上進料式燃燒器（PB-20）。
1.2.2低壓電子沖擊儀
本試驗的測量儀器為低壓電子沖擊儀（ELPI）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。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[17]。SEMTECH（美國Sensors公司研發生產）可以測出廢氣各成分含量。
1.3試驗參數和試驗設計
1.3.1試驗參數
試驗所測的參數為顆粒物排放的數量和質量。除了總顆粒數量和質量外，還測不同粒徑（12個級別）顆粒物的數量和質量。數量是指在每平方厘米內含顆粒物個數。質量是指在每平方米內含顆粒物的質量。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試驗設計
1）在試驗室平臺上分別燃燒3種生物質成型燃料，通過控制進料速度從而控制進料量，根據試驗平臺的功率范圍標定10、12、14、16和18kW5種功率，在風機風速最大（8m/s），空氣量充足的情況下（過量空氣系數≥2.0）分別測量5種功率下廢氣成分和顆粒物分布情況，每種功率在穩定時，測量記錄30min。
2）選取3種燃料顆粒物排放最佳功率14kW，在此功率下，根據試驗平臺風機轉速范圍，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6、7、8m/s3種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30min。
2結果與分析
2.1三種生物質成型燃料的廢氣成分在試驗各功率下，風機風速調最大8m/s，待燃燒穩定時，用ELPI和SEMTECH測得顆粒物和廢氣成分如表3。
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，風機風速在8.0m/s時，即過量空氣系數≥2.0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分布
3種成型燃料在不同功率下顆粒物數量分布如圖2。隨著功率的加大，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（圖2a），10kW時，顆粒物數量峰值在第5級。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，呈雙峰分布，峰值第3級和第6級。功率提高到16和18kW時，數量峰值仍為第6級。
對于棉桿成型燃料（圖2b），10、12、14kW功率下顆粒物數量都呈雙峰分布狀態，在第4級和第6級出現2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。16、18kW時，分布峰值在第6級，說明顆粒物粒徑變大。
對于木質燃料（圖2c），前4種工況下，分布呈雙峰狀態，第1級和第5級顆粒出現峰值，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18kW時，3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分布
3種成型燃料在不同功率下顆粒物質量分布如圖3。隨著功率增加，顆粒物的質量先減小后增大，但大粒徑顆粒物質量所占比例增加。
對于玉米秸稈成型燃料（圖3a），5種功率下顆粒物質量峰值分別是第7級和第12級。雖然大功率下顆粒物的質量急劇增加，但是總體分布趨勢沒有發生太大變化。通過計算，在5種工況下PM2.5（10級以下）質量占總顆粒物分別為65.6%、68.8%、68.7%、62.2%和58.8%。
對于棉桿成型燃料（圖3b），10和12kW功率下，顆粒物質量的峰值在第7級，在14、16、18kW時，質量濃度分布出現了雙峰值，為第7級和第12級。通過計算，棉桿燃料在5種工況下PM2.5質量分別占總顆粒物的76%、70%、54.7%、52.7%、55.6%。
對于木質成型燃料（圖3c），5種功率下顆粒物質量分布都呈雙峰分布，分別在第7級和第12級顆粒物出現峰值。計算后，PM2.5質量在5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過量空氣系數。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。由以上功率對顆粒物排放影響試驗可知14kW時顆粒物排放最少，14kW時，在風速為6、7和8m/s時，玉米秸稈燃料的過量空氣系數分別為1.3、1.5、1.7，棉桿的過量空氣系數分別為1.1、1.3、1.5，木質燃料的過量空氣系數分別為1.1、1.3、1.5。因此選擇在14kW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分布3種成型燃料在不同進氣量下的顆粒物數量分布如圖4。
玉米秸稈成型燃料（圖4a），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，過量空氣系數從1.3提高到1.7，第1、2級的核模態顆粒物數量增加了11.8%，3～9級積聚模態顆粒物數量減少13.2%，10～12級粗模態顆粒物數量減少12.7%。
棉桿成型燃料（圖4b），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，顆粒物總數量下降。風速從6m/s增加到8m/s，過量空氣系數從1.1提高到1.5，3種模態顆粒物數量都減少了50%左右。
木質燃料（圖4c），在風速為7m/s時（過量空氣系數1.3），顆粒物排放最小。風速從6m/s增加到7m/s，1、2級的核模態顆粒物數量降低了30.4%，3～9級積聚模態顆粒物數量減少15.8%，10～12級粗模態顆粒物數量減少14.8%。
2.3.2三種成型燃料在不同進氣量下顆粒物質量分布
3種成型燃料在不同進氣量下的顆粒物質量分布如圖5。
空氣量對玉米秸稈燃料顆粒物排放的質量分布影響（圖5a），顆粒物質量峰值都在第7級和第12級。風風速從6m/s增加到8m/s，過量空氣系數從1.3提高到1.7，第1、2級核模態顆粒物的質量量升高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降低9%。
PM2.5的質量降低14%。
空氣量對棉桿燃料顆粒物排放的質量分布影響（圖5b），顆粒物質量峰值都在第7級。風速從6m/s增加到8m/s，過量空氣系數從1.1提高到1.5，3種膜態顆粒物數量都減少了50%以上。PM2.5的質量降低51.5%。
空氣量對木質燃料顆粒物排放的質量分布影響（圖5c），顆粒物質量峰值都在第7級和第12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升高36%，3～9級積聚模態的顆粒物質量降低18%，10～12級粗模態顆粒物質量降低14.3%。PM2.5的質量降低18%。
2.4討論
在不同功率下3種生物成型燃料的顆粒物數量分布主要集中在4～7級的積聚模態的顆粒物，占總數量的70%以上。3種燃料的顆粒物質量分布除了積聚模態還有10～12級的粗模態顆粒物，2種形態的顆粒物的質量占總質量的90%以上。這是因為顆粒物的形成主要有兩部分，一部分是由K2SO4、KCl等堿金屬鹽在溫度超過500℃時通過結核、聚集、長大等過程結合而成，這種顆粒物主要是亞微米顆粒物，粒徑在100～600nm之間[18-20]。另一部分顆粒物的形成主要是燃料中所含有的Ca、Si等耐高溫金屬不易燃燒，在燃燒過程中形成顆粒較大的超微米顆粒物，粒徑在1μm以上[21-23]。3種生物質燃料的顆粒物排放分布規律恰好符合這一特性。
在10、12、14kW3種功率下，玉米秸稈燃燒的過量空氣系數分別為2.5、2.0、1.7，棉桿和木質的過量空氣系數都分別為2.0、1.7、1.5。3種空功率下爐膛溫度分別為770、820和900℃，排煙溫度分別為105、123和144℃。3種生物質成型燃料的顆粒物總體數量都隨著功率的增大而降低。這3個功率下，影響顆粒物的因素主要是溫度，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[24-25]，總體數量下降。
但是繼續增大功率，顆粒物無論數量還是質量都急劇上升，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，在16、18kW時，爐膛溫度在1000℃左右，排氣溫度180℃以上，3種燃料燃燒時的過量空氣系數急劇下到1.2以下，排氣氧氣比例下降至4%以下，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，對顆粒物影響主要因素為氧氣，溫度影響減弱。
當功率增大到16和18kW時，進料量增多，燃燒溫度高，使得燃料極易結渣，在燃燒過程中，清渣螺旋加快清渣，燃料在爐膛中停留時間變短，造成燃料燃燒不充分，粗顆粒物增多[26]。并且，清渣螺旋頻繁的攪拌灰渣，掀起的揚灰也是造成粗模顆粒物增多的一個因素。
在14kW時，3種燃料隨著風機風速的增大、過量空氣系數的增加，顆粒物的數量和質量都成下降趨勢。過量空氣系數增加，對于玉米秸稈而言，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，使得3種模態顆粒物都減少；對于木質成型燃料而言，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，使得顆粒物的數量和質量都減少，這是因為過量空氣系數增加，氧氣充足，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較大顆粒物，也可在排氣過程中繼續被氧化燃燒成小的顆粒物，甚至燃盡。所以隨著風速增加，玉米秸稈和木質成型燃料的積聚模態顆粒物減少，核模態顆粒物增加，棉桿燃料3種模態顆粒物都減少。但是木質的粗模態顆粒物增加了，這是因為木質燃料揮發分和含碳量比另外2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。
而且木質燃料燃燒后不易結渣，燃燒后剩余物多為很輕的灰塵[27]，風速增大，排氣中揚塵增多，所以木質燃料隨著風速增大，粗模顆粒物也增多。
3結論
1）在不同功率下（10、12、14、16和18kW），玉米秸稈、棉稈、木質3種成型燃料的顆粒物排放數量和質量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，過量空氣系數在1.5～1.7時，最利于燃料燃燒，顆粒物最少。
2）3種成型燃料顆粒物數量峰值主要集中在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質量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，過量空氣系數越大，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。隨著進氣量增大，玉米秸稈的核模態顆粒物增多，積聚模態和粗模態顆粒物減少，木質的核模態和粗模態顆粒物增多，積聚模態顆粒物減少，棉桿燃料3種模態顆粒物都減少。
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