生物质颗粒排放特性研究

生物质固体成型燃料燃烧颗粒物排放特性研究姚宗路博士/高级工程师农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所江苏镇江2013.8.21中国农业工程学会2013年学术年会农业部规划设计研究院/CAAE主要内容研究背景一国内外研究现状二颗粒物排放特性试验三农业部规划设计研究院/CAAE农业部规划设计研究院/CAAE研究背景一农业部规划设计研究院/CAAE1、雾霾天气2013年1月，我国北方地区连续遭遇5次雾霾侵袭，污染之重、持续时间之长、社会影响之大，前所未有，引起全社会的广泛关注。北京：2013年1月，雾霾天气达到25天农业部规划设计研究院/CAAE1、雾霾天气导致华北地区雾霾天气的主要原因为燃煤、机动车尾气以及粉尘；农作物秸秆可收集资源量每年约6.9亿吨，每年约有3亿吨被焚烧、废弃；我国农村地区约有2.26亿农户采用炉灶炕，满足冬季采暖、炊事需要，直接产生雾霾主要组成物。“晚上9点，PM2.5升高为每立方米79微克，为轻度污染，10点攀升到103微克，11点竟达310微克，为严重污染。”“安徽一些地方、特别是皖北秸秆焚烧现象普遍，记者在宿州G3高速公路沿途两边看到，不少村庄的麦地正在烧秸秆，烟雾阵阵，焦糊味呛鼻，焦黑的麦田连成一片，看不到尽头”--《全国新闻联播》农业部规划设计研究院/CAAE颗粒物（particulatematter）又称烟尘，主要由扬尘、燃料燃烧排放、以及大气中某些污染气体组分之间通过光化学氧化反应、催化氧化反应或其他化学反应转化生成。颗粒物是大气污染的主要成分之一。碳黒有机物氨盐硝酸盐硫酸盐重金属燃煤，汽车、装潢材料、塑料板等养殖场、农业，汽车、工业脱硝过程等燃煤、机动车等其中对人有害的有铜、锌、铅和锌机动车冒黑烟，煤炭和生物质燃烧，轮胎磨损。PM成分2、颗粒物分类及危害农业部规划设计研究院/CAAE根据空气动力学直径的不同，颗粒物主要包括：总悬浮颗粒物(TSP)：指大气中100um以下的颗粒。PM10：指空气动力学直径小于或等于10um的大气颗粒物，可通过呼吸系统进入人体的颗粒，称作可吸入颗粒物，简称为细微颗粒。PM2.5：指大气中空气动力学直径小于或等于2.5um的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。农业部规划设计研究院/CAAE细微颗粒物排放对人体健康和生态环境严重危害，细微颗粒的大量排放会污染水质、降低大气能见度，并造成各方面人体身体系统疾病等。空气中颗粒物浓度的上升会引起各种呼吸系统疾病，尤其是能吸入肺泡的PM2.5进入人体后对人类的神经系统、生殖系统、消化系统等都会造成极大的危害。农业部规划设计研究院/CAAE秸秆成型燃料具有高效、洁净、点火容易、CO2零排放、SO2和NOx排放极低等优点，可替代煤炭，已广泛应用于炊事、供暖等民用领域和锅炉燃烧、发电等工业领域。截止到2010年底，我国的生物质固体成型燃料达到300万吨，按照国家生物质能源十二五发展规划，到2015年，达到1000万吨。3、生物质成型燃料是解决焚烧途径之一农业部规划设计研究院/CAAE国内外研究现状二农业部规划设计研究院/CAAE国外对生物质成型燃料颗粒物研究主要有三个方面：颗粒物形成研究：颗粒物的生成机理、形成过程，主要成分；颗粒物排放分布研究：颗粒物的排放的状态和分布，以及燃料密度，燃烧负载，燃烧温度，过量空气系数等对颗粒物的分布产生的影响；颗粒物元素成分研究：颗粒物气溶胶中主要元素K、S、Cl、K、Na、Pb、Si、Al、Mg、Ca等在颗粒物中的主要分布情况，在不同条件下的最终去向。瑞典农业大学燃烧实验室---颗粒排放特性试验农业部规划设计研究院/CAAE国内在生物质燃烧颗粒排放方面的研究，多集中在生物质燃料和传统煤粉之间的颗粒物的比较，以及农作物秸秆的颗粒物的分布和组成成分。复旦大学建立了一套气态污染物和颗粒物采样实验装置，通过对水稻、小麦、玉米秸秆三种生物质燃料燃烧排放的烟气及烟尘颗粒物分析，研究了三种农作物秸秆燃烧排放的颗粒物的个数浓度、体积浓度和质量浓度粒径分布特征。农业部规划设计研究院/CAAE华中科大在一种自制的沉降炉实验平台上，将锯末和稻草与煤混合进行燃烧，研究了不同混合配比和配比温度对颗粒物排放总量的影响和对颗粒物分布的影响；对脱碱后的稻草和煤进行燃烧，研究了K、P、Na、Ca、Si、Al等碱金属对颗粒物排放和分布的影响。农业部规划设计研究院/CAAE颗粒物的监控标准2005年世界卫生组织（WHO）制定了《空气质量准则》，该准则对大气中可吸入颗粒物的浓度限值制定了严格的标准，WHO规定：PM2.5年平均浓度为10μg/m3，24h平均浓度为25μg/m31997年美国环保局颁布了PM2.5的国家大气标准为65μg/m3·d-1和15μg/m3·a-1，于2006年将日均值下调至35μg/m3/天和15μg/m3/年欧盟目前的PM2.5年均值极限为25μg/m3，欧盟标准制定了中长期PM2.5达标的目标值，即2015年目标标准为20µg/m3，2020年标准为18μg/m3。我国对空气中PM2.5排放的标准为:较高的一级标准为年均值为15μg/m3,日均值为35μg/m3；较低的一级的标准为年均值35μg/m3，日均值75μg/m3。2013年8月13号2013年8月19日农业部规划设计研究院/CAAE颗粒物排放特性试验三农业部规划设计研究院/CAAE生物质成型燃料燃烧试验平台和燃烧器采用由农业部规划设计研究院研发的生物质自动高效燃烧器，功率为20kW的上进料式燃烧器生物质燃烧试验平台1、试验仪器农业部规划设计研究院/CAAEELPI测试系统本试验的测量仪器为低压电子冲击仪（ElectricalLowPressureImpactor），ELPI是芬兰坦佩雷大学开发的用于实时测量气溶胶粒径分布的仪器。其主要部件有低压级联撞击器、电晕放电器和多通道静电计等。ELPI把颗粒物分成12级，从0.003～10μm，如图，能够对每级的颗粒数目和质量进行瞬态记录。燃烧试验平台ELPI测试系统农业部规划设计研究院/CAAE仪器介绍ELPI主测器排气采样筒采气泵空气压缩机排气稀释器农业部规划设计研究院/CAAE3种颗粒燃料棉杆玉米秸秆2、试验材料与测试方法木质测量参数：除了总颗粒数量浓度和质量浓度外，主要测不同粒径（12个级别）颗粒物的数量浓度和质量浓度。数量浓度：在每平方厘米内含颗粒物个数。质量浓度：在每平方米内含颗粒物质量。农业部规划设计研究院/CAAE农业部规划设计研究院/CAAE1）不同功率对颗粒物数量分布影响a玉米秸秆b棉杆c木质三种成型燃料的颗粒物排放数量浓度都随着功率的增高先减小后增大，在14KW功率下颗粒物排放最少。三种成型燃料颗粒数量峰值物峰值主要集中在4-7级（0.1—0.7μm），占总颗粒物数量的70%以上.3、试验结果农业部规划设计研究院/CAAEc木质2）不同功率对颗粒物质量分布影响a玉米秸秆b棉杆颗粒物质量峰值在7级和12级，占颗粒物总质量50%以上。PM2.5（10级以下）在颗粒物中所占的比例也随着功率的增加出现10%-20%的减少。颗粒物质量几种在7级和12级，7级为积聚膜态粒子（亚微米），为K2SO4.KCL等碱金属盐结核、凝聚而成。12级为粗膜态粒子（超微米），为Si.Ca等耐高温粒子生成。随着功率增加，PM2.5较少，因为功率增加，温度升高，颗粒的布朗运动加快，大大增加了相互撞击的频率，排除后温差大，迅速凝结成大颗粒。减少PM2.5的方法:1.大大提高炉膛燃烧温度。2.尽量降低排气温度。农业部规划设计研究院/CAAE3）空气量对颗粒物数量分布影响c木质a玉米秸秆b棉杆4）空气量对颗粒物质量分布影响c木质a玉米秸秆b棉杆空气量对颗粒物分布趋势基本无影响，只改变排放总量。风速增大，过量空气系数越大，颗粒物燃烧的更充分，各级颗粒物都相应减少。农业部规划设计研究院/CAAE。目前，国外对木质颗粒燃料开展颗粒物排放特性研究，尤其是在颗粒物形成、分布、元素成分等方面。对于我国秸秆成型燃料，将重点研究有毒成分的聚集的颗粒物粒径级别，并且根据有毒成分所在级别研究如何减少该粒径下颗粒物的生成。农业部规划设计研究院/CAAE单位基本情况农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所，作为农业部生物质工程中心、农业部农业废弃物能源化利用重点实验室依托单位。重点研究领域：农业废弃物生产沼气技术及装备研究;农作物秸秆固体成型燃料成型、高效燃烧技术与装备研究;秸秆热裂解制取生物炭技术以及生物炭综合开发利用研究;农村生产生活废水处理及生产能源微藻高新技术研究；农业部规划设计研究院/CAAE科研项目：承担“十二五”科技支撑项目、国际合作、公益性行业（农业）科研专项实施科研项目、农业科技成果转化资金等30项科研项目，发表论文：100余篇；授权专利：35项；获得省部级奖励：6项；实验室面积：5017m2农业部规划设计研究院/CAAE谢谢！姚宗路博士/高级工程师邮箱：[e-mail]电话：[phone]单位：农业部规划设计研究院农村能源环保研究所