天津地区典型家用生物质颗粒采暖炉污染物排放分析

马文超,台凌宇,陈冠益2,,何 超,关亚楠,宋光武,颜蓓蓓,程占军*



天津地区典型家用生物质颗粒采暖炉污染物排放分析

马文超1,台凌宇1,陈冠益2,1,何 超3,关亚楠1,宋光武3,颜蓓蓓1,程占军1*

(1.天津大学环境科学与工程学院,天津 300350；2.西藏大学理学院,西藏 拉萨 850000；3.北京市环境保护科学研究院,北京 100037)

为调查研究天津市家用生物质颗粒采暖炉的污染物排放性状,同时为政府的政策制定提供技术依据,研究了天津地区生物质燃料成分和采暖炉不同运行负荷对污染物排放的影响.结果表明:稻杆和棉杆两种成型燃料在同一采暖炉的相同工况下燃烧时,稻杆灰分含量较棉杆高,造成较高的烟尘和CO排放,同时稻杆较棉杆S元素含量低,导致SO2排放较低.棉杆成型燃料在同一容量的采暖炉上燃烧时,随着燃烧器负荷的增加,CO和SO2的排放增加,NO的排放减少.两种生物质成型燃料在该采暖炉上燃烧排放的挥发性有机物的主要种类均依次为酮类、苯系物、醛类.本工作试验用家用生物质颗粒采暖炉运行过程中NO、CO、SO2、烟尘的平均排放值分别为672.70,2297.94,124.00,109.35mg/m3,存在污染物排放超标的现象,可通过增添水浴除尘设施,合理调节不同燃烧负荷下的风机送风量,维持适宜过量空气系数,以降低污染物排放.同时还需制定合理的标准和政策加强对家用采暖炉和成型燃料质量的监管.

天津；生物质成型燃料；家用生物质颗粒采暖炉；污染物排放

生物质能是全球第四大能源,占世界一次能源总消耗的14%[1].生物质资源具有地域便利性,也有低硫、适度氮以及基于生命周期的二氧化碳零排放的优点,是节能减排政策下,化石燃料的良好替代品[2].我国每年产生农林废弃物约12亿t,除还田、饲料等用途,仍有近50%露天焚烧或废弃,导致严重环境污染和能量浪费.

生物质成型燃料是将生物质原料经干燥、粉碎等预处理之后,在特定设备中加工成具有一定形状、一定密度的固体燃料.在京津冀地区限制燃煤的政策下,生物质成型燃料应用于农村家庭采暖日益增多,大量氮氧化物(NO)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、可挥发性有机物(VOCs)和烟尘排入空气中,易造成严重空气污染及雾霾等灾害性天气,但我国及相关地方仍缺乏对其燃烧污染物排放的管控.国标和一些地方标准中一般简单参照燃煤、燃气锅炉标准,较少根据生物质成型燃料燃烧的特点和排放水平提出针对性控制要求,不利于对其排放的管控.

目前生物质成型燃料燃烧污染物排放研究多集中在实验室燃烧平台下,NO、SO2和CO等常规污染物的排放规律上[3-6],难以反映市场在售生物质锅炉的污染物排放水平与规律.生物质燃烧是环境VOCs污染的重要来源[7-11],但国内外对于生物质成型燃料VOCs排放的研究较少.国内学者多研究生物质直燃的VOCs排放规律[12-14],较少关注成型燃料;国外研究者主要对木质生物质燃烧VOCs的排放进行研究[15-16].

本研究运用天津地区销售的某家用生物质颗粒采暖炉,对比不同工作负荷,不同生物质成型燃料,以及有无烟气处理设施条件下,采暖炉燃烧过程中常规污染物烟尘、SO2、NO和CO的排放特性,对比不同生物质成型燃料的VOCs排放特性,为目前在用的家用生物质颗粒采暖炉的改造提供试验依据.同时,本文实地监测的天津地区家用生物质颗粒采暖炉污染物排放数据对政府相关政策及标准的制定具有参考意义.

1 试验部分

1.1 试验材料

天津地区稻杆和棉杆产量丰富.选取稻杆成型燃料和棉杆成型燃料进行测试并分析,其中两种生物质成型燃料的工业分析、元素分析和热值测量如表1所示.

表1 两种生物质成型燃料的工业分析、元素分析和发热量(空气干燥基)

注*表示固定碳含量由差减法获得,**表示氧含量由差减法获得.

1.2 仪器与设备

1.2.1 家用生物质颗粒采暖炉 实验采用的天津某厂家家用生物质颗粒采暖炉为生物质颗粒燃烧器与锅炉一体式设计,属自动进料式固定炉排锅炉.燃烧器部分包括:料仓、进料搅龙、风机和控制台.燃烧过程中可以实现自动除渣,具有很好的原料适应性.通过控制台可以改变进料搅龙的转速,控制燃烧器负荷,风机的送风量为固定值,其结构如图1所示.本试验共采用3种不同家用生物质颗粒采暖炉进行监测.其中炉型1锅炉容量为0.2t/h,矩形烟道,尺寸为0.16×0.125m,不含水浴除尘器;炉型2锅炉容量为0.02t/h,圆形烟道,直径为0.1m,含水浴除尘器;炉型3锅炉容量为0.02t/h,圆形烟道,直径为0.2m,不含水浴除尘器.

水浴除尘器原理为含尘气体从进气管高速喷出,对水面产生冲击进入水体,大部分尘粒与水黏附后留在水中.在冲击水浴作用后,仍有部分尘粒随气体运动.该部分尘粒在水面上部由冲击作用形成的冲击水滴和泡沫的混合区域内得到进一步净化.净化气体中的含尘水滴经过脱水滤网,实现了水滴与气流的分离,干净的气体经排气管排出.

1.2.2 testo 350烟气分析仪 NO、NO2、CO、SO2和O2的体积分数,以及排烟温度,烟道气体流量等数据由testo 350烟气分析仪测得.配有各种传感器,标配的烟枪探针长700mm,耐温500℃.

1.2.3 崂应3012H型自动烟尘(气)测试仪 崂应3012H型自动烟尘(气)测试仪包括测试主机、烟尘多功能取样管、烟气含湿量检测器、高效气水分离器、烟气取样器等组成部分.将烟尘采样管由采样孔放入烟道内,将采样嘴置于监测点上,正对气流方向,按等速采样要求抽取一定量的含尘气体,根据滤筒捕集的烟尘重量以及抽取的气体体积,计算烟尘的排放浓度.

图1 家用生物质颗粒采暖炉结构示意

1.排液管;2.水箱;3.排气管;4.脱水滤网;5.进气管;6.进液管;7.炉体;8.观火孔;9.出渣口;10.燃烧炉盆;11.风机;12.进料搅龙;13.控制台;14.料仓.左侧虚线框内为水浴除尘器

1.2.4 真空罐-气袋采样系统 使用真空罐、抽气泵等设备,将生物质颗粒采暖炉排放的废气直接采集并储存在PVF聚氟乙烯薄膜气袋中.气袋放置于黑色聚氯乙烯塑料袋内,避光保存直至实验室检测.

1.2.5 Agilent 7890A-5975C型气相色谱质谱联用仪 采用GC/MS法对气袋内烟气VOCs含量进行检测,定量检测烟气中104种VOCs浓度.

1.3 试验参数与试验设计

1.3.1 试验参数 测试参数为烟道气体中主要气体组成NO、NO2、CO、SO2和O2的体积分数,用于计算烟气中主要污染物的排放量.测定烟气中104种VOCs浓度,计算燃料的VOCs排放系数和臭氧生成潜势.通过测试烟尘多功能取样管内滤筒的增重和抽取的气体体积,计算烟尘浓度.

1.3.2 试验设计 在炉型1上燃烧棉杆生物质成型燃料,通过改变进料搅龙的进料速度来控制燃烧器负荷,共试验3种不同的燃烧器负荷, 100%(进料轴转速50r/min),80%(进料轴转速40r/min)和60%(进料轴转速30r/min).

在炉型3上采用70%燃烧器负荷(进料轴转速35r/min),分别燃烧稻杆和棉杆成型燃料以对比不同组分燃料燃烧时污染物排放的异同;在同一负荷、同一炉型、同一类型燃料条件下,验证燃料燃烧在有无除尘器时烟尘排放的异同.

2 结果与讨论

2.1 不同燃烧器负荷下的常规污染物排放

如图2所示,棉杆在不同燃烧器负荷下的NO、CO和SO2排放量差异明显.随着燃烧器负荷的增加,NO排放量减少,CO和SO2排放量增加.

图2 在不同燃烧器负荷下棉杆燃烧的污染物排放量

2.1.1 不同燃烧器负荷下NO的排放 生物质成型燃料燃烧的NO排放主要分为热力型、快速型和燃料型3种.一般认为生物质成型燃料燃烧排放的NO主要为燃料型NO,其中以挥发分氮为主,少量来源于焦炭氮[17-18].由挥发分直接析出和焦油热解产生的NH3、HCN和HNCO,在氧化气氛下被氧化生成NO和N2O;同时在碳氢化合物和焦炭的作用下,NO和N2O也可以被还原成N2.焦炭中的N可以被氧化生成NO和N2O,同时焦炭也对NO和N2O进行还原,生成N2[19].

通过对比棉杆在炉型1不同负荷下NO的排放数据发现,随着负荷的增加,NO的排放量呈现逐渐减小的趋势(图2).随着棉杆生物质成型燃料进料量的增多,燃烧器负荷增加,而风机不能随进料量的增加提高送风量,过量空气系数变小,并且短时间内大量挥发分从成型燃料中析出,从而消耗大量氧气,导致炉膛中贫氧气氛.挥发分中的NH3、HCN和HNCO,由于氧气量的减少,难以被氧化生成NO和N2O;同时挥发分与焦炭对NO和N2O的还原作用增强,导致烟气中NO含量的减少[20].

2.1.2 不同燃烧器负荷下CO的排放 随着家用生物质颗粒采暖炉燃烧器负荷的增加,烟气中CO含量升高.如图2所示,当燃烧器负荷从60%增加到80%时,烟气中的CO含量升高了19%;继续增加进料量,将燃烧器负荷增加到100%时,CO含量急剧增加,100%燃烧器负荷下CO排放量比80%负荷下CO排放量增加了73%,是60%负荷下CO排放量的2.1倍.

由于家用生物质颗粒采暖炉的空气供应量固定,当进料量增加时,过量空气系数减少,造成炉膛严重缺氧,大量的挥发性有机物还未得到充分氧化,就被气流吹出,导致CO排放量的增加.

2.1.3 不同燃烧器负荷下SO2的排放 生物质燃烧过程中,SO2的排放来自于挥发分燃烧和焦炭燃烧两个阶段.前者主要来源于热稳定性差的有机硫,以H2S、COS(羰基硫)等形式分解析出,然后氧化生成SO2.后者主要来源于无机硫酸盐的分解释放[21],SO2可以进一步反应生成碱金属及碱土金属硫酸盐,并被固定于灰分中[22-24].

如图2所示,当燃烧器负荷为60%时,烟气中SO2的排放量为零,随着进料量的增加,当燃烧器负荷达到80%时,烟气中SO2的排放值为13.2mg/m3,继续提高进料量,当负荷达到100%时,SO2的排放值为39.5mg/m3.SO2的排放值随燃烧器负荷的提升,显著增加.

一方面由于进料量的增加,以H2S、COS(羰基硫)等形式随挥发分一起排出的有机硫数量增多,有机硫进一步被氧化生成SO2,导致烟气中SO2的排放量增加;另一方面,由于进料量增加、燃烧器负荷提升,导致过量空气系数下降.贫氧燃烧条件下,由于氧气量不足, SO2未能被进一步氧化与碱金属生成硫酸盐,剩余的SO2气体随烟气排出,导致烟气中SO2的排放量增加.

2.2 不同原料燃烧常规污染物排放

棉杆生物质成型燃料和稻杆生物质成型燃料在容量同为0.02t的家用生物质颗粒采暖炉中燃烧的NO、CO、SO2和烟尘排放量,如图3所示.稻杆成型燃料燃烧的CO和烟尘排放量明显高于棉杆成型燃料,而SO2排放量低于棉杆,2种燃料的NO排放量无显著差别.

图3 棉杆和稻杆成型燃料相同条件下燃烧污染物排放量对比

如表1所示,稻杆成型燃料的灰分含量是棉杆成型燃料的1.6倍,明显高于棉杆.灰分含量过高使其在燃烧过程中容易结渣,灰渣附着在固定碳表面,阻滞了氧气与固定碳的接触,导致燃烧不充分,CO排放量升高;同时灰分含量高也是造成其烟尘排放较高的原因.虽然稻杆成型燃料的N元素含量是棉杆成型燃料的1.1倍,但是由于固定碳燃烧不充分,导致炉膛处于还原性气氛,挥发分N难以被氧化生成NO,所以稻杆成型燃料和棉杆成型燃料的NO排放量无显著差别.棉杆成型燃料燃烧的SO2排放量高于稻杆成型燃料,前者是后者的1.2倍.一方面由于棉杆成型燃料的S元素含量明显高于稻杆成型燃料(约1.4倍),导致棉杆成型燃料的SO2排放量较高;另一方面,由于稻杆成型燃料的灰分含量较高,其中的碱金属和碱土金属元素可以将SO2转化为硫酸盐,固定在灰分中,减少SO2气体的排放.

2.3 不同原料燃烧VOCs排放

2.3.1 VOCs组分排放分布 VOCs的排放系数指单位质量的成型燃料燃烧生成的VOCs的质量.在容量为0.02t的采暖炉,相同燃烧器负荷下棉杆成型燃料和稻杆成型燃料的VOCs排放系数分别为8.42mg/kg和11.96mg/kg.由于棉杆成型燃料挥发分和固定碳含量高,挥发分更易于在炉内挥发燃烧,VOCs燃烧更充分,排放系数较稻杆成型燃料低.将棉杆成型燃料和稻杆成型燃料燃烧的VOCs排放组分,依据不同官能团分类,归一化得到不同官能团种类的质量分数,如图4所示.两种燃料排放最多的VOCs组分均为酮类,分别占棉杆成型燃料和稻杆成型燃料VOCs总排放系数的39%和48%.棉杆成型燃料和稻杆成型燃料燃烧除烷烃含量差异较大外,其余物种分布较为相似,VOCs排放主要种类均依次为酮类、苯系物、醛类.两种成型燃料燃烧均未检测出卤代烃成分.

图4 生物质成型燃料燃烧排放VOCs物种分布

2.3.2 VOCs排放的臭氧生成潜势分析 由于不同VOCs物种的化学活性不同,影响其生成臭氧的潜势.因此采用增量反应活性指标,计算单个VOCs物种的臭氧生成潜势(OFP)[25].公式如下:

OFP=MIR×EF

式中:OFP表示单位生物质燃烧生成臭氧的量(mg/kg),MIR为单个VOCs物种的最大增量反应活性(mg/kg),EF为单个VOCs物种的排放系数.其中MIR取自Carter提供的数据库,库内没有的物种,取其相似物种的MIR值[26].

棉杆成型燃料和稻杆成型燃料的VOCs臭氧生成潜势总量分别为27.20mg/kg和29.86mg/ kg,稻杆略高于棉杆,需着重关注.2种燃料燃烧排放VOCs臭氧生成潜势质量百分比分布如图5所示.2种成型燃料燃烧臭氧生成潜势较高的化合物种类依次是醛类、其他物种、烯烃/炔烃和苯系物.两种成型燃料燃烧排放的VOCs中,臭氧生成潜势较高的化合物依次是丙烯醛、四氢呋喃和丙烯.

图5 生物质成型燃料燃烧排放VOCs臭氧生成潜势分布

2.4 烟气净化处理对污染物排放的影响

图6 有无除尘设施下棉杆燃烧烟尘排放量对比

棉杆在主体部分一致的炉型2(水浴除尘)和炉型3(无除尘设施)上,相同负荷下燃烧的烟尘排放量对比,如图6所示.添加水浴除尘烟气处理设施的家用生物质颗粒采暖炉,其烟尘排放量为109.35mg/m3比无除尘设施下的烟尘排放(214.85mg/m3)降低49%,水浴除尘效果明显.

目前常用的除尘设施为水浴除尘和布袋除尘.相比于林业生物质成型燃料,农业生物质成型燃料燃烧结焦结渣现象严重,少量灰渣与焦油随烟气到达布袋,造成布袋堵塞、破损,严重影响布袋的除尘效果.布袋除尘需要经常更换布袋,增加了居民的用能成本,经济性较差.相比于布袋除尘,水浴除尘具有设备简单、操作简便和运行稳定性高等优点,且无需频繁更换布袋,适用于小型家用生物质颗粒采暖炉烟气除尘.

2.5 与国标/地标污染物排放限值的对比

表2列举了国内与生物质锅炉大气污染物排放限值相关的标准.天津市尚未出台针对生物质锅炉的大气污染物排放标准.根据中华人民共和国环境保护部关于执行大气污染物特别排放限值的公告,天津市被划入《重点区域大气污染防治“十二五”规划》的重点控制区,执行大气污染物特别排放限值.对比了实测排放数据(平均值)和国家标准中的特别排放限值.实测烟尘排放值为109.35mg/m3(水浴除尘后),超标近3倍;NO平均值为672.70mg/m3,超标2倍;SO2平均值达标.CO平均值为2297.94mg/m3,对比表2中最严限值(上海地标)100mg/m3,超标22倍.

监测结果表明,试验用家用生物质颗粒采暖炉污染物总体排放水平偏高.主要由于家用生物质颗粒采暖炉的炉型小,挥发分停留时间过短,锅炉设计参数不合理等原因造成.针对目前的污染物排放超标问题,可以通过增添水浴除尘设施,改进水浴除尘器结构,减少烟尘排放;调整风量,延长烟道燃烧回程,减少CO和SO2的排放量;增加二次配风,减少NO排放等手段,对家用生物质颗粒采暖炉进行结构优化,使其污染物达标排放.

表2 国家及各省市生物质锅炉大气污染物排放限值(mg/m3)

注:*表示参考燃煤锅炉排放限值.

3 结论

3.1 家用生物质颗粒采暖炉的NO排放量随着燃烧器负荷的升高而减少,CO和SO2的排放量随燃烧器负荷升高而增大.

3.2 在相同燃烧条件下棉杆生物质成型燃料的CO和烟尘排放量显著小于稻杆生物质成型燃料,SO2排放量高于稻杆生物质成型燃料,NO排放量与稻杆生物质成型燃料无显著差别.

3.3 棉杆成型燃料和稻杆成型燃料VOCs排放主要种类依次为酮类、苯系物、醛类.两种成型燃料燃烧臭氧生成潜势较高的VOCs物种依次是:醛类、其他物种、烯烃/炔烃和苯系物.

3.4 水浴除尘能够明显降低家用生物质颗粒采暖炉烟气排放中的烟尘浓度,除尘效率达49%,同时具有设备简单,运行成本低,稳定性好,操作简便等优点,适用于小型家用生物质采暖炉的烟尘处理,但是需要改进其结构,以进一步提高除尘效率.

3.5 实地监测的家用生物质颗粒采暖炉NO、CO和烟尘的排放超标.其中NO平均值超标2倍,CO平均值超标22倍,烟尘排放超标近3倍,SO2平均值排放达标.

3.6 应根据天津地区家用生物质颗粒采暖炉污染物排放特点,制定配套的大气污染物排放标准,并合理调控不同燃烧负荷下的风机送风量以减少污染物排放.

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致谢：感谢北京市环科院纪宝钢工程师等人的帮助.

Analysis of pollutant emission of typical domestic biomass pellet heating furnaces in Tianjin.

MA Wen-chao1, TAI Ling-yu1, CHEN Guan-yi2,1, HE Chao3, GUAN Ya-nan1, SONG Guang-wu3, YAN Bei-bei1, CHENG Zhan-jun1*

(1.Department of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China；2.School of Sciences, Tibet University, Lasha 850000, China；3.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China)., 2018,38(3)：845~851

In order to investigate the pollutant emission status of Tianjin’s domestic biomass pellet heating furnaces and provide scientific support for the governments’ policy formulation, this study investigated the effect of the briquette fuel type and the furnace capacity on the pollutant emissions in Tianjin. The result showed that: rice straw contains more ash residues and less sulfur content than cotton straw, causing more smog and CO emissions, and less SO2emission. The emission amounts of CO and SO2increased, and that of NOdecreased with the increasing of the feed rate during the cotton straw combustion in the same furnace. The major components of volatile organic compounds (VOC) emission, during the combustion process of these two briquette fuels, were ketones, benzenes, and aldehydes. The average emission values of NO, CO, SO2, smog were 672.70, 2297.94, 124.00, 109.35mg/m3, respectively. It is necessary to reduce the pollution emission of domestic biomass heating furnaces by adding water-bath duster device, adjusting the supply air rate to match the feed rate, and maintaining an appropriately excessive coefficient. Appropriate standards and policies are also needed to control of the quality of the domestic biomass heating furnaces and briquette biomass fuels.

Tianjin；biomass briquette；domestic biomass pellet heating furnace；pollutant emission

X501

A

1000-6923(2018)03-0845-07

马文超(1982-),女,黑龙江省鹤岗人,博士,主要从事生物质资源化利用的相关研究.发表论文20篇.

2017-08-03

国家重点研发计划资助(2016YFE0201800);天津市环保局课题(TGPC-2015-F-0215-1)

* 责任作者, 讲师, zjcheng@tju.edu.cn