一种户用生物质成型燃料炊暖炉的污染排放特性研究

清华大学建筑技术科学系  邓梦思  张双奇 单明 杨旭东

       【摘   要】我国每年可利用的生物质资源约4.96亿tce，但很大一部分被露天焚烧或废弃，造成了严重的资源浪费和环境污染。户用生物质成型燃料炊暖炉具在农村的应用是解决这些问题的主要途径之一。本文对一种高自动化的生物质成型燃料炊暖炉进行了测试，选取了秸秆颗粒、稻壳颗粒和木质颗粒三种常用的生物质燃料作为测试燃料，研究了这种炉具的污染物排放特性，并将其与现有一些炉具的测试结果进行了对比。结果表明所测炉具燃烧稻壳和木质颗粒的排放比秸秆低，但三种燃料的NOx的排放均较高，且排放浓随燃料中氮元素含量的升高而升高。所测炉具的污染物排放因子低于现有很大一部分炉具排放因子的1/3，具有较广阔的应用前景。

       【关键词】生物质成型燃料；炊暖；碳平衡方法；排放浓度；排放因子

1 我国生物质资源利用概况

       我国是农业生产大国，农作物秸秆、禽畜粪便和林业薪柴等生物质资源丰富。根据相关统计数据，我国每年产生的生物质资源总量约7.73亿tce，其中可利用量约4.96亿tce，能完全满足农村2.57亿tce的非电生活用能^[1] 。这些生物质资源大多集中在东北、华北和长江流域中上游地区农林业较发达的省份，是农村主要的用能选择之一。

       目前，我国生物质资源的利用率还较低，每年大约30%左右的秸秆被露天焚烧或废弃，造成了严重的资源浪费、环境污染和生态破坏 ^[1,2]。随着近些年北方地区散煤治理的进行，生物质在炊事和采暖中的应用越来越受到关注^[3,4]。但传统生物质炊事采暖利用方式，如火炕粗放燃烧，仍会带来较严重的污染排放，无法体现生物质的清洁特性^[5,6]。生物质成型燃料炊暖炉作为一种清洁高效的生物质炊事和采暖设备，将会是农村地区清洁利用生物质的主要选择。

       市场上现有的生物质成型燃料采暖炉多为引火柴点火和手动加料设计，需要用户频繁填料看火，操作繁琐。因此，能自动点火加料并能适应多种燃料的新型生物质炉具才能逐渐成为满足用户需求的设备。研究该种炉具的排放特性，对于炉具性能优化和节能减排效果评估具有重要作用。

2 生物质成型燃料炉具和测试燃料

       2.1 生物质成型燃料炉具介绍

       本研究对一种燃烧生物质颗粒燃料的炊暖炉具的排放性能进行了测试。这种炉具是清华大学根据北方地区用能特点设计的，为强制通风炉具，其一、二次风分别由一、二次风风机提供。该炉具采用氮化硅陶瓷进行自动点火，并通过往复炉排实现自动进料，产生的高温烟气经过多回程烟道与水冷壁传热产生供暖热水（图1）。此外，炉具炉膛上方有一圆形开口可进行炊事活动，能同时满足农户炊事和采暖需求，并通过调节进料量来满足不同热负荷要求。

(a)生物质颗粒燃料炊暖炉结构简图    (b)生物质颗粒燃料炊暖炉外观图
图1 生物质颗粒燃料炊暖炉结构简图和实物图

       2.2 测试燃料

       测试采用的燃料是三种常用的生物质成型燃料：（玉米）秸秆颗粒、稻壳颗粒和木质颗粒。颗粒的直径约6mm，长度约30mm，其收到基的工业分析和成分分析结果见表1。生物质普遍具有较高的水分和挥发分含量和较低的固定碳含量。测试的三种颗粒燃料中，木质颗粒的灰分比其他两种燃料的灰分含量低很多。

表1 三种生物质颗粒燃料的收到基工业分析和成分分析结果

3 测试系统和数据分析

       3.1 测试系统

       常用的炉具排放测试方法主要有全收集法和碳平衡法^[7]。相较于全收集，碳平衡法只需要采集一部分气体即可进行后续分析，故本研究采用采样较为灵活的碳平衡法并组建了相应的测试系统。如图2所示，烟气中的气态污染物（如CO，NOX和SO2）和温室气体CO2浓度是由烟气分析仪（Testo 350; Testo Inc; Schwarzwald, Germany）直接采集烟囱中的烟气进行分析获得。由于烟气中颗粒物排放浓度太高，为保证仪器正常运行，本研究采用了一套稀释系统来进行PM2.5的测试，一定量的空气经泵鼓出，经过高效过滤器（HEPA）后变为不含颗粒物的干净空气，其流量通过流量计和阀门进行调节，这部分空气与一定比例的烟气在管道中混合，混合均匀后的气体进入粉尘仪（DustTrak 8530; TSI Inc; Shoreview, MN）进行PM2.5浓度检测。试验所用粉尘仪采用激光散射法对颗粒物浓度进行实时测试，并通过后端滤膜盒放置的37mm特氟龙滤膜采集PM2.5重量来对实时数据进行校准。滤膜在使用前后均放置在恒温恒湿超净室中平衡24小时后进行称重。所有仪器在使用前均进行校零和浓度校准。

图2 烟气测试系统简图

       3.2 测试程序

     测试前，将采样管插入烟囱中心处，正对烟气来流方向。当炊暖炉运行稳定时开启测试系统。每种燃料测试三次，每次测试时长为一个小时。虽然生物质颗粒燃料的能量密度与其原料相比有了很大提高，但与煤相比仍然较低^[8]，而且炉排面积较小，所以在一个小时内炉具将出现多次进料动作。因此，测试周期保持了多个完整的进料和燃烧过程，避免了短期采样过程中容易遇到的采样物浓度随时间变化的问题。

       3.3 数据分析

       由于不同燃料燃烧产生烟气量不同和同一燃料在不同燃烧阶段所需空气量不同，使得不同测试在不同时间段炉具产生的烟气量有所差异。为了对比的直观和准确，所有测得的污染物浓度均按照9%基准含氧量状态下的浓度进行折算（其中CO为体积浓度，其余物质为质量浓度）^[9]。

       式中 c 为9%基准含氧量下的污染物浓度(mg/m³);c′是仪器测得的污染物浓度(mg/m³);φ(o₂) 是测得的烟气氧含量（%）; φ′(o₂) 是基准含氧量（9%）。

       排放因子则通过碳平衡方法计算获得。该方法认为燃料中的碳燃烧后在烟气中全部以CO和CO₂的形式存在，忽略了浓度很低的气态碳氢化合物、碳氧化合物和颗粒物中的碳元素，这种简化计算导致的误差小于4%，对结果的影响很小^[9]。

4 结果分析

       4.1 排放浓度

       通过对测得的排放浓度进行统一转换后，得到了测试炉具燃烧秸秆颗粒、稻壳颗粒和木质颗粒三种燃料排放的烟气在9%含氧量下的污染物排放浓度，并与测试标准中规定的排放限值进行了对比。图3直观反映了对比结果，箱型上下边线分别表示最大值和最小值，内部短横线代表平均值，误差线代表标准差，红色虚线表示排放限值。

       木质颗粒在所测炉具中燃烧排放的CO浓度最低，为0.02%±0.01% （平均值±标准差），秸秆颗粒和稻壳颗粒的CO浓度平均值均为0.05%。三种燃料燃烧排放的CO浓度均很低，说明生物质成型燃料在所测炉具中燃烧较为充分，燃烧效率较高。三种燃料测试结果表明测试炉具不论燃烧何种生物质成型燃料，其CO排放都较低。

       PM2.5因其复杂的成分和对人体肺部和心血管系统等的影响，是固体燃料燃烧过程中最受到关注的产物。稻壳颗粒燃烧的PM2.5排放浓度最低，为31.1±0.8 mg/m³，其次为木质颗粒，PM2.5排放浓度为39.0±8.8 mg/m³。秸秆颗粒燃烧排放的PM2.5浓度是稻壳颗粒和木质颗粒的四倍左右，这和秸秆疏松的结构和茎叶混合燃烧以及更高的灰分含量有关。图3表明，采暖炉燃烧稻壳、木质等结构较紧实和成分较均匀的生物质容易获得较好的PM2.5排放结果，而燃烧秸秆容易导致PM2.5排放较高。因此，改善采暖炉结构使之能更清洁地燃烧秸秆颗粒是接下来生物质炉具设计和改进的重要任务。

图3 三种生物质颗粒燃料的污染物排放浓度

       由于生物质的含氮量较高，其燃烧产生的NOx较多。图3所示三种颗粒燃料在炊暖炉中燃烧所排放的NOx浓度均较高，随着三种燃料氮含量的增加而增加。木质颗粒氮含量很低，但是其烟气中仍然有较高浓度的NOx，这些NOx基本都为热力型氮，即高温下空气中的氮气反应生成的NOx，这反映出炉膛内可能存在局部高温，促进了NOx的生成。要想获得较低的NOx排放，不仅需要较低氮含量的燃料，还需要合理的炉膛结构，尽量避免炉膛高温。不同于大型锅炉，小型户用采暖炉末端没有NOx处理装置，使得NOx排放浓度比大锅炉偏高。

       由于生物质含有一定量的硫，所以燃烧会生成SO₂。稻壳颗粒和木质颗粒的SO₂排放浓度分别为10.6±5.4 mg/m³和7.5±10.7 mg/m³，排放浓度低。秸秆颗粒燃烧SO₂排放浓度为67.3±14.8 mg/m³，为稻壳颗粒和木质颗粒的7倍左右，这和秸秆中较高的硫含量有关系。

       4.2 排放因子

       排放因子是衡量炉具排放情况的另一个指标，是计算排放总量的基础。测试的炊暖炉燃烧三种生物质颗粒燃料的污染物排放因子如表2所示。由于三种燃料成分有差异，单位质量燃料排放因子并无法得出直观的对比结果。考虑到三种燃料是在同种炉具中燃烧，炉具平均热效率为81.5%，因此引入了单位有效热值排放因子来比较不同燃料的排放特性。

       秸秆颗粒燃烧的单位有效热值的CO、PM_2.5、NOx和SO₂排放因子均是三种燃料中最高的，其次为稻壳颗粒。木质颗粒燃料除了PM_2.5排放因子略高于稻壳颗粒外，其余污染物的排放因子均比稻壳颗粒低。这说明每燃烧单位热值的燃料，木质颗粒排放的污染物最少，秸秆的污染物排放最严重。

表2 三种生物质颗粒燃料的污染物排放因子（平均值±标准差）

    相比于现有的一些燃烧生物质颗粒燃料的炉具，本文中测试炉具的单位有效热值的CO和PM_2.5排放因子要低得多，低于这些炉具单位有效热值排放因子的1/3^[11,12]，因此所测炉具在排放性能方面要优于现在使用的许多炉具。

5 结论

       本文通过对一种自动化程度高的新型炉具进行了测试，采用了三种常见的生物质成型燃料（秸秆颗粒、稻壳颗粒和木质颗粒）作为测试燃料，探究了被测试炉具燃烧不同燃料的污染排放特性。通过数据分析，可以得出以下结论：

       1）所测炊暖炉燃烧三种生物质成型燃料的排放中，木质颗粒排放最低，其次为稻壳颗粒，这两种燃料的CO、PM_2.5和SO₂排放浓度均较低。秸秆颗粒的排放最高，除CO浓度与其他两种燃料相比相差不大外，其余污染物排放浓度均远远高于稻壳和木质颗粒。因此，炉具燃烧稻壳、木质颗粒这类成分较均匀和结构较紧密的生物质成型燃料容易得到较低的排放，而燃烧秸秆颗粒则排放较高。在今后炉具开发和改进中，研究燃烧秸秆能得到低排放的炉具是重要一步。

       2）生物质燃料燃烧排放的NOx较高，本文所测试的三种成型燃料的NOx浓度均较高。尽快木质颗粒含氮量极低，但高温燃烧产生的热力型氮产生了一部分NOx，因此生物质炉具应避免炉膛出现高温区域。此外，户用生物质炉具末端一般未设置NOx去除装置，加之燃料中较高的含氮量，所以户用生物质炉具排放的NOx比有末端处理装置的大锅炉高。

       3）所测试炊暖炉的排放因子要比现存的许多燃烧生物质颗粒的炉具低，低于这些炉具排放因子的1/3，说明所测炊暖炉的排放性能较好，具有广阔的应用前景。

参考文献

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       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。