典型农林废弃物不同燃烧方式下污染物排放特征研究

2023-11-06张啸乐骆仲泱王昕余春江

能源工程 2023年5期

张啸乐，骆仲泱，王昕，余春江

（浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江杭州 310027）

0 引言

生物质作为第四大能源，应用十分广泛[1]，但其燃烧过程排放出气体及颗粒物影响人类健康，与多种急性呼吸道疾病有关，如哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺纤维化、肺炎和肺癌[2]。空气污染（环境和家庭）是人类健康的主要威胁之一，增加了肺部和心血管疾病的风险，并导致全球约700 万人过早死亡[3]。生物质燃烧是大气中一次性碳颗粒的最大来源，是痕量气体的第二大来源[4]。除了对健康的影响外，生物质燃烧还将影响全球气候，排放颗粒物中的碳黑是次于二氧化碳的气候变暖贡献的主要成分之一[5]。生物质燃烧，包括露天焚烧（野火），民用炉灶燃烧和工业锅炉燃烧[6-7]。我国作为农业大国，每年有大量秸秆产生，这些废弃物主要用于锅炉燃烧，部分被用作炊事和民用供热，还有部分就地农田焚烧，产生大量空气污染物。2016—2018 年期间,我国发生森林火灾4157 起，年均森林火灾受害率达0.83%，居世界首位[8]。研究表明，生物质燃烧已成为大气颗粒物的重要来源[9-12]。

王俊芳[13]等对露天焚烧时燃烧状态及含水量对排放因子的影响进行了研究，发现颗粒物和CO 的排放因子均与秸秆含水量呈正相关关系，且焖烧大于明火。王艳妮[14]针对贵州省户用生物质炉进行了多种生物质燃烧实验，重点探究了含水量对排放因子的影响。唐喜斌[15]对露天焚烧和家用炉灶的污染物排放因子进行了对比，发现家用炉灶的排放因子大于露天焚烧。生物质全球排放清单的数据多侧重单一燃烧方式，或仅针对少数空气污染物，使用这样的清单进行气候建模研究将导致一定程度的不确定性[16]。大量研究将排放因子的变异性归因于炉型、燃料类型、含水量、燃料来源等因素，这使得不同研究结果间难以进行直接比较。本论文使用代表北方农村家庭使用的生物质样品在不同的燃烧方式下燃烧的实验室结果，研究燃烧条件对CO、SO2、NOX和颗粒物排放的影响。量化了在不同燃烧条件下燃烧相同燃料对污染物排放的影响，并研究了在相同条件下燃烧不同燃料的情况，较为系统地说明不同污染物与不同控制因素的相关性，为制定污染物排放相关政策提供基础数据。

1 实验装置及研究方法

1.1 实验装置及实验系统

露天焚烧及家用炉灶实验在烟尘罩实验系统中进行，实验系统如图1(a)所示。烟尘罩设计尺寸为1.5m×1.5m，下端距地面1.5m。燃烧升降台在0.28m 至1m 高度范围内可调节。农林废弃物焚烧产生的烟气被烟尘罩抽吸进入管道中，经过足够长的烟气管道充分混合后由采样枪等速采样，经稀释后，通入Dekati PM10 撞击器分粒径收集至石英膜上。同时，烟气组分通过Fodisch MCA14 烟气分析仪进行检测和记录。工业锅炉实验在自主设计的沉降炉[17]中模拟进行，沉降炉系统见图1(b)所示，在800～1000℃时模拟工业锅炉[18]，在600℃时研究温度对污染物排放的影响。烟气分析仪和Dekati PM10 撞击器对稀释后的尾部烟气进行烟气组分的检测和记录以及不同粒径颗粒物的采集。

图1 实验装置示意图

1.2 燃料特性及燃烧实验

实验原料选取典型农林废弃物水稻、小麦、玉米和杨木。露天焚烧和家用炉灶实验选用原生秸秆和杨木条，工业锅炉实验将上述燃料破碎筛分后选取80～120 目（0.125～0.180mm）的生物质颗粒用于实验。各燃料的工业分析与元素分析如表1 所示，由浙江大学分析测试中心测定。

表1 燃料的工业分析和元素分析

通过对高水分秸秆进行不同程度的烘干制取不同含水量的秸秆。风干时各类燃料含水量为9.68%～10.4%（表中统一写作10%），烘干时秸秆含水量为0%，加湿含水量为14.7%。

露天焚烧实验中堆放方式分为堆垛和平铺。家用炉灶选用无鼓风的燃烧状态较差的炉灶，燃料量分为500g 和1000g 两个工况，燃料均匀放入家用炉灶中。工业锅炉实验中过量空气系数通过调整一二次风量实现，燃烧温度通过调整沉降炉温度控制实现三种燃烧方式的工况设置见表2，每个工况进行2-4 次实验。

表2 实验工况表

1.3 测试及计算方法

采用Dekati PM10 撞击器将颗粒物收集在石英膜上。通过撞击器的烟气额定流速控制在30L/min，撞击器前所有管路均采用加热保温，以避免水蒸气冷凝导致的颗粒物损失。使用Fodisch MCA14 烟气分析仪进行实时烟气组分分析。采样前后的石英膜均在恒温恒湿室中静置至少24 小时后再进行称量，可以有效避免环境因素干扰。

排放因子的计算公式如下：

式中：EFi为物质i的排放因子，g/kg；Mi为物质i的排放总质量，g；Mf为燃料的燃烧总质量，kg；T为燃烧总时间，s；Q为稀释管道内流量，m3/s;Ci为对应时间t内污染物质量浓度，g/m3。

2 结果与讨论

2.1 颗粒物及气态污染物排放因子

表3 为三种燃烧方式不同燃料在不同工况下的污染物排放因子数据及修正燃烧效率MCE值。通过对比不同燃烧方式颗粒物排放因子可以发现，露天焚烧＞家用炉灶＞工业锅炉。多项研究证明[9,11,19,20]，燃烧时外侧秸秆燃烧后的不可燃灰分覆盖在未燃烧秸秆表面，阻碍了燃料与氧气的接触；同时开阔的环境导致热量散失，燃烧温度降低，两者共同作用导致的焖烧状态会使露天焚烧排放因子显著增大。而在工业锅炉实验中，燃烧温度和氧气含量的稳定性都远优于露天焚烧及家用炉灶，因此工业锅炉颗粒物排放因子最优。

表3 污染物排放因子总表

四种燃料中，露天焚烧及家用炉灶实验中水稻秸秆的颗粒物排放因子最高，玉米秸秆最小，原因在于水稻秸秆直径较小，堆放间隙小，堆积密度高[21]，玉米秸秆直径远大于其他农作物秸秆，堆放间隙大，与环境空气接触面积大；工业锅炉实验中杨木颗粒物排放因子最高，达0.78～3.03g/kg。

通过不同燃烧方式CO 排放因子对比可以看出，三种燃烧方式中，家用炉灶CO 排放因子最大，露天焚烧次之，工业锅炉最小。该顺序与颗粒物排放因子顺序不同，但与MCE 规律一致。原因可能是尽管炉膛燃烧温度高于露天焚烧，但未使用鼓风设备的家用炉灶炉膛氧气量极端不足，所以碳氧化物被迫以CO 的形式存在[22]。四种燃料中，小麦的CO 排放因子最大。

图2 中显示了四种燃料类型的MCE 颗粒物CO2及CO 排放因子分布，所有燃料的MCE 值在0.808 到0.975 之间，这些数值符合前人研究结论[23-25]。CO 颗粒物排放因子均表现出与MCE 存在良好的相关性，颗粒物和CO 呈负相关性，这在之前的研究中也得到了证实[23-25]。CO 排放因子值对燃烧条件高度敏感，当同一燃料的MCE 值从0.81～0.97 变化时，会有一个数量级的增长。

图2 四种燃料排放因子箱线图

2.2 颗粒物及气态污染物排放因子影响因素

2.2.1 露天焚烧

露天焚烧实验的控制因素为堆垛方式和秸秆含水量。实验结果表明，燃料烘干降低含水量可以有效降低颗粒物总排放因子，这与多项研究结果吻合[9,19]。可能是由于随着湿度升高,需要更多的热量使秸秆样品中水分挥发,导致峰值燃烧温度和整体燃烧温度降低，提高焖烧阶段在燃烧过程的占比[9,26]。

对于农作物秸秆，堆垛的排放因子大于平铺，且堆放方式对颗粒物总排放因子的影响大于含水量。林业废弃物杨木的堆垛烘干工况的颗粒物总排放因子小于平铺风干工况，意味着对于杨木，含水量的影响要大于堆垛方式。原因是杨木条密度较高，形成的堆垛体积远小于其他燃料，未接触环境空气的燃料占比小于其他燃料；杨木条较其他原生秸秆灰分含量较低，绝大部分燃料燃烧后以气体形式挥发，少量的灰分无法充分覆盖剩余燃料以隔绝环境氧气。以上两个原因导致堆放方式对杨木颗粒物排放因子的影响减小，含水量成为影响颗粒物排放因子的主要因素。

图3 为露天焚烧各粒径颗粒物及CO 排放因子规律，实验数据显示，堆垛时，粒径小于1μm的颗粒物比例小于平铺时，粒径1～2.5μm 的颗粒物比例大于平铺时。这说明在恶劣的燃烧工况下，即存在焖烧时，更倾向于产生较大粒径的颗粒物。王俊芳[13]的研究虽然未分析该规律，但其实验数据同样支持该结论。

图3 露天焚烧各粒径颗粒物及CO 排放因子规律图

对露天焚烧不同燃烧工况下CO 排放因子进行定性分析可以发现，其排放规律与颗粒物基本吻合，即堆垛时CO 排放因子大于平铺，烘干时CO 排放因子小于风干时。

综上所述，露天焚烧方式下，应该重点关注提高秸秆堆积松散程度，降低秸秆含水量，以提高燃烧温度，减小焖烧，最终减少污染物排放。但这在野外环境中是很难做到的，因此露天焚烧也被国家政策严令禁止。

2.2.2 家用炉灶

图4 为家用炉灶颗粒物排放因子与燃料量的关系。燃料量增加时，PM1 占比降低，粒径1～2.5μm 的颗粒物占比增加。随着燃料量的增加，颗粒物及气态污染物 CO、NOX的排放因子增加，SO2的排放因子减小。这与MCE 表征的未完全燃烧程度的变化规律一致。

图4 家用炉灶各粒径颗粒物及CO 排放因子变化图

综上所述，家用炉灶燃烧方式中，应该重点关注炉膛中的含氧量。在使用时设定合适的给料量，在保障保温效果的同时提高配风和炉膛过量空气系数，能有效改善家用炉灶燃烧[27]。

2.2.3 工业锅炉

如图5 所示，工业锅炉在实验设置的工况范围内，颗粒物总排放因子随着温度的上升、过量空气系数的提高而降低。过量空气系数达到1.3之后，炉膛内氧气量饱和，提高过量空气系数对燃烧状况的改善减小，对各粒径颗粒物排放因子的影响减弱[28]。通过方差分析可以得出，在工业锅炉实验中，温度对颗粒物排放因子影响最大，过量空气系数次之，含水量最小。