1、生物質固體成型燃料燃燒顆粒物排放特性研究姚宗路姚宗路 博士博士/高級工程師高級工程師農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所 江蘇江蘇 鎮江鎮江 2013.8.21中國農業工程學會2013年學術年會農業部規劃設計研究院/ CAAE主要內容研究背景研究背景一一國內外研究現狀國內外研究現狀二二顆粒物排放特性試驗顆粒物排放特性試驗三三農業部規劃設計研究院/ CAAE農業部規劃設計研究院/ CAAE研究背景一農業部規劃設計研究院/ CAAE1、 霧霾天氣2013年年1月，我國北方地區連續遭遇月，我國北方地區連續遭遇5次霧霾侵襲，污染之重、次霧霾侵襲，污染之重、持

2、續時間之長、社會影響之大，前所未有，引起全社會的廣持續時間之長、社會影響之大，前所未有，引起全社會的廣泛關注。泛關注。北京：北京：2013年年1月，霧霾天氣達到月，霧霾天氣達到25天天農業部規劃設計研究院/ CAAE1、霧霾天氣導致華北地區霧霾天氣的主要原因為導致華北地區霧霾天氣的主要原因為燃燃煤煤、機動車尾氣以及粉塵；、機動車尾氣以及粉塵；農作物秸稈可收集資源量每年約農作物秸稈可收集資源量每年約6.9億億噸，每年約有噸，每年約有3億噸被焚燒、廢棄；億噸被焚燒、廢棄；我國農村地區約有我國農村地區約有2.26億農戶采用爐灶億農戶采用爐灶炕，滿足冬季采暖、炊事需要，直接產炕，滿足冬季采暖、炊事需要

3、，直接產生霧霾主要組成物。生霧霾主要組成物。“晚上晚上9點，點，PM2.5升高為每立方升高為每立方米米79微克，為輕度污染，微克，為輕度污染，10點攀點攀升到升到103微克，微克，11點竟達點竟達310微克，微克，為嚴重污染。為嚴重污染。”“安徽一些地方、特別是皖北秸稈焚燒現象普遍，記者在宿州G3高速公路沿途兩邊看到，不少村莊的麥地正在燒秸稈，煙霧陣陣，焦糊味嗆鼻，焦黑的麥田連成一片，看不到盡頭”- 全國新聞聯播農業部規劃設計研究院/ CAAE顆粒物（顆粒物（particulate matter）又稱煙塵，主要由揚塵、燃料燃燒排放、）又稱煙塵，主要由揚塵、燃料燃燒排放、以及大氣中某些污染氣體組

4、分之間通過光化學氧化反應、催化氧化反以及大氣中某些污染氣體組分之間通過光化學氧化反應、催化氧化反應或其他化學反應轉化生成。應或其他化學反應轉化生成。顆粒物是大氣污染的主要成分之一。顆粒物是大氣污染的主要成分之一。碳黒碳黒有機物有機物氨鹽氨鹽硝酸鹽硝酸鹽硫酸鹽硫酸鹽重金屬重金屬燃煤，汽車、燃煤，汽車、裝潢材料、裝潢材料、塑料板等塑料板等養殖場、農養殖場、農業，汽車、業，汽車、工業脫硝過工業脫硝過程等程等燃煤、機燃煤、機動車等動車等其中對人有其中對人有害的有銅、害的有銅、鋅、鉛和鋅鋅、鉛和鋅機動車冒黑機動車冒黑煙，煤炭和煙，煤炭和生物質燃燒，生物質燃燒，輪胎磨損。輪胎磨損。PM成分成分2、顆粒物分

5、類及危害農業部規劃設計研究院/ CAAE根據空氣動力學直徑的不同，顆粒物主要包括：根據空氣動力學直徑的不同，顆粒物主要包括：總懸浮顆粒物總懸浮顆粒物(TSP)：指大氣中100um以下的顆粒。PM10：指空氣動力學直徑小于或等于10um的大氣顆粒物，可通過呼吸系統進入人體的顆粒，稱作可吸入顆粒物，簡稱為細微顆粒。PM2.5：指大氣中空氣動力學直徑小于或等于2.5um的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。農業部規劃設計研究院/ CAAE 細微顆粒物排放對人體健康和生態環境嚴重危害，細微細微顆粒物排放對人體健康和生態環境嚴重危害，細微顆粒的大量排放會污染水質、降低大氣能見度，并造成各顆粒的大量排放會污染水質

6、、降低大氣能見度，并造成各方面人體身體系統疾病等。方面人體身體系統疾病等。空氣中顆粒物濃度的上升會引起各種呼吸系統疾病，尤空氣中顆粒物濃度的上升會引起各種呼吸系統疾病，尤其是能吸入肺泡的其是能吸入肺泡的PM2.5進入人體后對人類的神經系統、生進入人體后對人類的神經系統、生殖系統、消化系統等都會造成極大的危害。殖系統、消化系統等都會造成極大的危害。農業部規劃設計研究院/ CAAE秸稈成型燃料具有高效、潔凈、點火容易、秸稈成型燃料具有高效、潔凈、點火容易、CO2零排放零排放、SO2和和NOx排放極低等優點，可排放極低等優點，可替代煤炭替代煤炭，已廣泛應用于炊事、，已廣泛應用于炊事、供暖等民用領域和

7、鍋爐燃燒、發電等工業領域。供暖等民用領域和鍋爐燃燒、發電等工業領域。截止到截止到2010年底，我國的生物質固體成型燃料達到年底，我國的生物質固體成型燃料達到300萬噸，萬噸，按照國家生物質能源十二五發展規劃，到按照國家生物質能源十二五發展規劃，到2015年，達到年，達到1000萬萬噸。噸。3、生物質成型燃料是解決焚燒途徑之一農業部規劃設計研究院/ CAAE國內外研究現狀國內外研究現狀二二農業部規劃設計研究院/ CAAE 國外對生物質成型燃料顆粒物研究主要有三個方面：國外對生物質成型燃料顆粒物研究主要有三個方面：顆粒物形成研究：顆粒物形成研究：顆粒物的生成機理、形成過程，主要成分；顆粒物排放分布

8、研究：顆粒物排放分布研究：顆粒物的排放的狀態和分布，以及燃料密度，燃燒負載，燃燒溫度，過量空氣系數等對顆粒物的分布產生的影響；顆粒物元素成分研究顆粒物元素成分研究：顆粒物氣溶膠中主要元素K、S、Cl、K、Na、Pb、Si、Al、Mg、Ca等在顆粒物中的主要分布情況，在不同條件下的最終去向。瑞典農業大學燃燒實驗室瑞典農業大學燃燒實驗室-顆粒排放特性試驗顆粒排放特性試驗農業部規劃設計研究院/ CAAE 國內國內在生物質燃燒顆粒排放方面在生物質燃燒顆粒排放方面的研究的研究，多集中在，多集中在生生物質燃料和傳統煤粉之間的物質燃料和傳統煤粉之間的顆粒物顆粒物的比較，以及農作物秸的比較，以及農作物秸稈的顆

9、粒物的分布和組成成分。稈的顆粒物的分布和組成成分。復旦大學建立了一套氣態污染復旦大學建立了一套氣態污染物和顆粒物采樣實驗裝置，通過物和顆粒物采樣實驗裝置，通過對水稻、小麥、玉米秸稈三種生對水稻、小麥、玉米秸稈三種生物質燃料燃燒排放的煙氣及煙塵物質燃料燃燒排放的煙氣及煙塵顆粒物分析，研究了三種農作物顆粒物分析，研究了三種農作物秸稈燃燒排放的顆粒物的個數濃秸稈燃燒排放的顆粒物的個數濃度、體積濃度和質量濃度粒徑分度、體積濃度和質量濃度粒徑分布特征。布特征。農業部規劃設計研究院/ CAAE華中科大在一種自制的沉降爐實驗平臺上，將鋸末和稻草與煤混合進行燃燒，研究了不同混合配比和配比溫度對顆粒物排放總量的

10、影響和對顆粒物分布的影響；對脫堿后的稻草和煤進行燃燒，研究了K、P、Na、Ca、Si、Al等堿金屬對顆粒物排放和分布的影響。農業部規劃設計研究院/ CAAE顆粒物的監控標準顆粒物的監控標準 2005年世界衛生組織（WHO）制定了空氣質量準則，該準則對大氣中可吸入顆粒物的濃度限值制定了嚴格的標準，WHO規定：PM2.5年平均濃度為10g/m3，24h平均濃度為25g/m3 1997年美國環保局頒布了PM2.5的國家大氣標準為65g/m3d-1和15g/m3a-1，于2006年將日均值下調至35g/m3/天和15g/m3/年 歐盟目前的PM2.5年均值極限為25g/m3，歐盟標準制定了中長期PM2

11、.5達標的目標值，即2015年目標標準為20g/m3，2020年標準為18g/m3。 我國對空氣中PM2.5排放的標準為:較高的一級標準為年均值為15g/m3,日均值為35g/m3；較低的一級的標準為年均值35g/m3，日均值75g/m3。2013年年8月月13號號2013年年8月月19日日農業部規劃設計研究院/ CAAE顆粒物排放特性試驗顆粒物排放特性試驗三三農業部規劃設計研究院/ CAAE生物質成型燃料燃燒試驗平臺和燃燒器采用由農業部規劃設計研究院研發生物質成型燃料燃燒試驗平臺和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，功率為的生物質自動高效燃燒器，功率為20kW的上進料

12、式燃燒器的上進料式燃燒器生物質燃燒試驗平臺生物質燃燒試驗平臺1、試驗儀器農業部規劃設計研究院/ CAAEELPI測試系統測試系統 本試驗的測量儀器為低壓電子沖擊儀（Electrical Low Pressure Impactor），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0.00310m，如圖，能夠對每級的顆粒數目和質量進行瞬態記錄。燃燒試驗平臺燃燒試驗平臺ELPI測試系統測試系統農業部規劃設計研究院/ CAAE儀器介紹儀器介紹 ELPI 主測器排氣采樣筒排氣采樣筒 采氣泵采氣泵空氣壓

13、縮機空氣壓縮機排氣稀釋器排氣稀釋器農業部規劃設計研究院/ CAAE3種顆粒燃料種顆粒燃料棉桿棉桿玉米秸稈玉米秸稈2、試驗材料與測試方法木質木質測量參數：測量參數：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：在每平方厘米內含顆粒物個數。質量濃度：在每平方米內含顆粒物質量。農業部規劃設計研究院/ CAAE農業部規劃設計研究院/ CAAE1）不同功率對顆粒物數量分布影響）不同功率對顆粒物數量分布影響a玉米秸稈玉米秸稈b棉桿棉桿c 木質木質三種成型燃料的顆粒物排放數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

14、數量峰值物峰值主要集中在4-7級（0.10.7m），占總顆粒物數量的70%以上.3、試驗結果農業部規劃設計研究院/ CAAEc 木質木質2）不同功率對顆粒物質量分布影響）不同功率對顆粒物質量分布影響a玉米秸稈玉米秸稈b棉桿棉桿顆粒物質量峰值在7級和12級，占顆粒物總質量50%以上。PM2.5（10級以下）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。顆粒物質量幾種在7級和12級，7級為積聚膜態粒子（亞微米），為K2SO4.KCL等堿金屬鹽結核、凝聚而成。12級為粗膜態粒子（超微米），為Si.Ca等耐高溫粒子生成。隨著功率增加，隨著功率增加，PM2.5較少，因為功率增加，較少，因

15、為功率增加，溫度升高，顆粒的布朗運動加快，大大增加了溫度升高，顆粒的布朗運動加快，大大增加了相互撞擊的頻率，排除后溫差大，迅速凝結成相互撞擊的頻率，排除后溫差大，迅速凝結成大顆粒大顆粒。減少減少PM2.5的方法的方法:1.大大提高爐膛燃燒溫度。大大提高爐膛燃燒溫度。2.盡量降低排氣溫度盡量降低排氣溫度。農業部規劃設計研究院/ CAAE3）空氣量對顆粒物數量分布影響）空氣量對顆粒物數量分布影響c 木質a玉米秸稈b棉桿4）空氣量對顆粒物質量分布影）空氣量對顆粒物質量分布影響響c 木質a玉米秸稈b棉桿空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，空氣量對顆粒物分布趨勢

16、基本無影響，只改變排放總量。風速增大，過量空氣系數越大，顆粒物燃燒的更充分，各級顆粒物都相應減少。顆粒物燃燒的更充分，各級顆粒物都相應減少。農業部規劃設計研究院/ CAAE目前，國外對木質顆粒燃料開展顆粒物排放特性研究，尤其是在顆粒物形成、分布、元素成分等方顆粒物形成、分布、元素成分等方面。面。對于我國秸稈成型燃料，將重點研究有毒成分的聚集的顆粒物粒徑級別，并且根據有毒成分所在 級別研究如何減少該粒徑下顆粒物的生成。農業部規劃設計研究院/ CAAE單位基本情況農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，作為農業部生物質工程中心、農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室依托單位。重點研究領域：重點研究領域：農業廢棄物生產沼氣技術及裝備研究;農作物秸稈固體成型燃料成型、高效燃燒技術與裝備研究;秸稈熱裂解制取生物炭技術以及生物炭綜合開發利用研究;農村生產生活廢