秸秆炉内燃烧烟气排放特性及灰分的养分潜力分析

张从洋,张 波,吴春笃*,贾卫东,杨学军,董 祥,胡欣康

(1江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室,镇江 212013;2中国农业机械化科学研究院,北京 100020)

我国是农业生产大国,秸秆资源十分丰富,每年大约有7.3亿t主要农作物秸秆产生[1]。随着现代农村生活方式的改善以及农村产业结构的调整,农作物秸秆出现区域性、季节性和结构性过剩的问题[2]。目前,我国秸秆资源综合利用方式主要分为肥料化、基料化、饲料化、燃料化、原料化五类[3],但由于“五化”利用均存在成本较高、利润较小、农民接受程度不足等问题,秸秆综合利用产业发展缓慢,在个体农户方面,秸秆利用效率不高,秸秆直接废弃的现象依然存在[4]。而秸秆直接废弃不仅会造成资源浪费,还会引发虫害,影响作物生长,造成作物减产,使农业生产效益降低。

传统农业时期,农民处理秸秆的主要方式为田间直接焚烧[5]。除方便快捷外,另一个重要原因是秸秆焚烧能够一定程度上促进作物生产。秸秆焚烧产生的高温能够杀死土壤表面以及秸秆自身携带的害虫,一定程度上防止虫害的发生;且焚烧后产生的秸秆灰是一种天然的无机农家肥,富含钾、钙、磷、镁等营养元素[6],具有可替代化肥的潜力,灰分还田后能够提高土壤肥力,利于作物生长。同时灰分中含有大量水解后呈碱性的碳酸盐,其还田在一定程度上能够提高土壤的pH、饱和持水率[7],改善土壤环境。因此,在当前生态环境保护要求下,如何简单高效地减少秸秆燃烧的污染排放,实现环保高效的秸秆就地燃烧还田,是目前面临的重要问题。

秸秆露天燃烧环境开放、范围广、数量大,不论是燃烧还是污染排放都较难控制,而炉内燃烧可将秸秆燃烧以及污染排放限制在有限的空间内,更有利于其污染物的减排。徐婷等[8]研究表明,不同物质炉内燃烧的PM2.5排放差异较大,其中花生秸秆的PM2.5排放因子明显高于木柴和竹子。唐喜斌等[9]研究表明,5种典型作物秸秆的炉内燃烧污染排放因子均高于露天燃烧。许洁等[10]以马弗炉结合X射线衍射、X射线荧光光谱分析检测手段发现玉米秸秆灰中的K元素含量最高。本研究以水稻、小麦和玉米秸秆为试材,探究秸秆炉内燃烧的烟气基本排放特性,为秸秆就地焚烧还田提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 秸秆材料

选择水稻、小麦和玉米秸秆作为供试材料,自然风干后置于密封袋中(图1),每次称取20 g作为测试材料。

图1 秸秆原料Fig.1 The experimental straw materials

1.1.2 试验装置

燃烧炉,为半气化式,由不锈钢制成,可防止对样品产生污染;烟气排放测试系统(图2),由燃烧炉、烟道、烟气综合分析仪、颗粒物浓度检测仪和温湿度仪组成;手持式温湿度仪(CENTER314型,台湾群特公司,中国);便携式烟气综合分析仪(NOVA5003-S,NOVA公司,加拿大);粉尘浓度测量仪(CEL-712,CASELLA公司,英国);火焰光度计(BWB-XP,BWB公司,英国);原子吸收分光光度计(4630F,上海向帆仪器有限公司,中国)。

图2 秸秆燃烧烟气排放测试系统Fig.2 Test system of straw combustion flue gas emission test system

1.2 试验方法

污染排放物的测定:将秸秆材料放入燃烧炉的炉膛内,采用丁烷作为燃料气体,采用电子点火方点燃秸秆,并使其充分燃烧,实时监测记录从烟气产生至烟气消失过程中各仪器监测分析的数据。

重金属元素的测定:根据国家标准GB∕T 7887—1987《森林植物及森林枯枝落叶层氮、磷、钾、钠、钙、镁的测定》,检测秸秆灰中的速效钾、钙和磷含量。采用湿灰法将秸秆灰分制成标准测试溶液,采用火焰光度法测定钾含量,原子吸收分光光度法测定钙含量,钼锑抗比色法测定磷含量。

烟气中各类污染物的排放因子的测定:计算公式为

式中,EFi为烟气污染物i的排放因子(g·kg-1);Mi为污染物i的排放总量;Mf为秸秆的燃烧总量。

秸秆资源数量测定:采用草谷比法计算[11],草谷比指作物秸秆产量与作物经济产量的比值,草谷比法是最接近实际作物秸秆资源数量的计算方法[12],其具体公式如下:

式中,Wj为农作物j的秸秆资源数量;Yj为农作物j的经济产量;Rj为农作物j的草谷比(水稻为0.93、小麦为1.23、玉米为1.37)[12]。

2 结果与分析

2.1 燃烧炉秸秆燃烧的烟气排放特性分析

由表1可知,水稻秸秆燃烧产生的烟气温度为40.3℃,小麦秸秆和玉米秸秆燃烧产生的烟气温度为水稻秸秆的1.4—1.5倍。玉米秸秆的烟气相对湿度最低,为38.4%,水稻秸秆的烟气相对湿度最高,约为玉米秸秆的1.3倍,其原因主要是水稻秸秆的高位热值略低于小麦秸秆和玉米秸秆,其燃烧转化为热能的能力相对较低,燃烧过程中放热较少。

表1 秸秆燃烧烟气温湿度Table 1 Temperature and humidity of flue gas from straw combustion

由表2可知,在秸秆充分燃烧后,三种秸秆的NO、NO2和颗粒物的实时排放因子分别在1.48—2.75 g∕kg、0.57—0.79 g∕kg和25.34—28.26 g∕kg,玉米秸秆的NO排放因子最高,达(2.75±0.21)g∕kg,小麦的NO2排放因子较高,为(0.79±0.14)g∕kg,玉米的PM排放因子最高,为28.26 g∕kg。与水稻和小麦秸秆相比,玉米秸秆在燃烧过程中的污染排放更加明显,产生的白烟较大,且燃烧最不充分,玉米秸秆的NO∕NO2比值较高表明玉米秸秆燃烧过程中炉内的含氧量相对较低,NO转化为NO2的速度相对较慢。

表2 生物质秸秆燃烧炉燃烧烟气排放因子Table 2 Combustion flue gas emission factor of biomass straw combustion furnace g·kg-1

由图3可知,不同秸秆燃烧排放的烟气中气态污染物的浓度不同,三种秸秆燃烧产生的NOx(NO、NO2)排放因子的大小顺序为:玉米秸秆＞小麦秸秆＞水稻秸秆,其中NO排放因子大小顺序为:玉米秸秆＞小麦秸秆＞水稻秸秆,NO2为:小麦秸秆＞水稻秸秆＞玉米秸秆。三种秸秆充分燃烧时产生的气态污染物的排放因子存在一定差异,这种差异主要与秸秆的类型和成分含量不同有关。

图3 三种秸秆燃烧产生的气态污染物排放因子Fig.3 Emission factors of gaseous pollutants from three types of straw burning

2.2 秸秆灰分的主要营养元素测定

由图4可知,总体上,秸秆灰中的钾元素含量最高,其次是钙,磷的含量较低。不同秸秆灰中各营养成分的含量也各不相同,其中,玉米秸秆灰中的钾元素含量最高,水稻秸秆灰中的磷元素含量最高,小麦秸秆灰中的钙元素含量最高。

图4 三种秸秆灰分营养成分含量Fig.4 The ash nutrient contents of three kinds of straws

2.3 理论秸秆灰养分可替代化肥潜力

参考2019年全国各类作物产量和各类农用化肥的施用折纯量[13],对三种秸秆灰养分可替代化肥率进行估算,结果如表5所示。2019年全国水稻、小麦和玉米秸秆总量达71 653.1万t,理论上全量燃烧可得灰分26 160.3万t,燃烧后的三种秸秆灰理论全量还田养分输入量分别为1 580.2万t(K2O)、142.8万t(P2O5)、416.1万t(CaO),对于钾肥、磷肥和钙肥的可替代率分别达281.6%、21.0%、34.9%。整体上玉米秸秆灰替代化肥的潜力最高,小麦秸秆灰的潜力较低。其中玉米秸秆灰的钾肥替代率超过了100%,具有完全替代钾肥的潜力。

表5 秸秆灰养分含量及可替代化肥率Table 5 Nutrient content of straw ash and rate of alternative fertilizer

3 结论与讨论

本研究表明,水稻、小麦、玉米秸秆燃烧时,燃烧产生的气态污染物的排放因子存在一定差异,玉米秸秆的气态污染物排放因子和颗粒物排放因子均较高,这种差异主要与秸秆的类型和成分含量不同有关,与水稻、小麦秸秆相比,玉米秸秆的氮含量和挥发分含量较高,更易形成不完全燃烧。

本研究表明,NOx排放因子为2.17—3.32 g∕kg,与以往研究结果(2.02—3.60 g∕kg)存在相似性[9,14],但明显高于其他秸秆露天燃烧结果(1.12—1.81 g∕kg)[15-18],其原因可能是由于空间的限制,燃烧炉的氧气供应受到影响,并且空燃比低,使得秸秆在燃烧炉中的燃烧相对不充分,NO向NO2的转化率更低,另外,炉内的燃烧温度高于露天的燃烧温度,高温燃烧更有利于氮氧化物的生成,因此秸秆炉内燃烧的气态污染排放高于露天燃烧。

本研究探讨了燃烧后灰分的养分利用潜力,结果表明:不同秸秆灰含有的营养元素成分有所差异,理论上秸秆灰全量还田对于钾肥、磷肥和钙肥的可替代率分别达281.6%、21.0%、34.9%,具有极好的钾肥替代潜力。整体上玉米秸秆灰替代化肥的潜力最高,小麦秸秆灰的潜力较低,其中玉米秸秆灰的钾肥替代率超过了100%,具有完全替代钾肥的潜力。