張永亮^1，2，趙立欣¹，姚宗路¹，田宜水¹，孟海波¹，張學敏²

（1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125，2.中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083）

　　摘要：針對中國生物質(zhì)固體成型燃料燃燒過程中顆粒物排放粒徑分布不清、燃燒功率和空氣量對顆粒物分布影響不明等問題，該文在生物質(zhì)燃燒試驗平臺上，采用低壓電子沖擊儀（ELPI）設(shè)備，對玉米秸稈、棉桿、木質(zhì)等三種固體生物質(zhì)成型燃料開展了燃燒顆粒排放研究，重點研究了三種生物質(zhì)成型燃料在不同功率下和不同進氣量下的顆粒物的數(shù)量濃度分布和質(zhì)量濃度分布。試驗結(jié)果表明，三種燃料的顆粒物的數(shù)量濃度峰值主要集中在5、6、7三級，占顆粒物總數(shù)量的70%以上；顆粒物質(zhì)量峰值在7級和12級，占顆粒物總質(zhì)量的50%以上。隨著功率增加，顆粒物排放量先減小后增大，在14KW時顆粒物排放最少。隨著進氣量的增加，顆粒物總量減少。

　　0引言

　　我國具有豐富的農(nóng)作物秸稈，每年可收集秸稈總量達6.87億噸，約2.15億噸秸稈被焚，其焚燒所釋放的顆粒物造成了嚴重空氣污染^[1-2]。空氣中的顆粒物微粒主要以核模態(tài)、積聚模態(tài)和粗粒子模態(tài)三種模態(tài)存在，其空氣動力學直徑在0.01~10μm之間^[3-5]。據(jù)統(tǒng)計，我國大氣顆粒物污染主要源于煤炭和農(nóng)作物燃燒、揚塵、車輛排放等，其中煤炭和農(nóng)作物燃燒約占總顆粒物的30%^[6-7]。

　　生物質(zhì)固體成型燃料是通過專門設(shè)備將秸稈、稻殼、木屑等農(nóng)業(yè)廢棄物壓縮成特定形狀來增加其密度的固體燃料，具有高效、潔凈、點火容易、CO2零排放等優(yōu)點，可替代煤炭等化石燃料應(yīng)用于炊事、供暖等民用領(lǐng)域和鍋爐燃燒、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域^[8-9]。

　　對于固體生物質(zhì)燃料燃燒后的顆粒物排放問題，國內(nèi)外都做了一些研究，國外主要集中在木質(zhì)成型燃料方面，研究了木質(zhì)成型燃料的顆粒物分布狀況，國內(nèi)主要集中在生物質(zhì)原始狀態(tài)下燃燒后顆粒物排放總量方面，主要研究了水稻、小麥、玉米秸稈等生物質(zhì)直接燃燒生成顆粒物狀況^[10-13]，但對生物質(zhì)固體成型燃料燃燒過程中的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量的濃度分布等尚未研究。跟歐美的木質(zhì)生物質(zhì)成型燃料相比，中國的生物質(zhì)成型燃料主要以玉米秸稈、棉桿、水稻、小麥等農(nóng)作物生產(chǎn)剩余物為主，在工業(yè)成分、燃燒特性、污染排放的方面都和木質(zhì)顆粒燃料有一定差異^[14-16]。

　　因此，本文采用低壓電子沖擊儀（ELPI），在農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院搭建的生物質(zhì)固體成型燃料燃燒平臺上，對玉米秸稈、棉桿、木質(zhì)三種生物質(zhì)固體成型燃料開展燃燒試驗，對三種燃料燃燒后的顆粒物排放的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度開展研究。

　　1試驗燃料和方法

　　1.1試驗燃料

　　中國的生物質(zhì)顆粒燃料主要以農(nóng)作物秸稈為主，選擇目前市場上常見的玉米秸稈、棉稈、木質(zhì)三種顆粒成型燃料作為對比分析，所用玉米秸稈和棉桿生物質(zhì)顆粒燃料于2012年12月在北京大興禮賢生物質(zhì)顆粒燃料公司生產(chǎn)，由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研制的485型生物質(zhì)顆粒燃料成型機壓制而成，顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8mm，長度10~30mm，三種生物質(zhì)顆粒燃料的工業(yè)分析、元素分析、熱值如表1。

　　1.2儀器與設(shè)備

　　1）生物質(zhì)固體成型燃料燃燒試驗平臺

　　生物質(zhì)成型燃料燃燒試驗平臺以生物質(zhì)燃燒器和生物質(zhì)鍋爐為核心，包括料倉，進料裝置，風機，控制箱，電腦記錄軟件等為一體的科研平臺。其中，進料的速度以及燃燒時配風量的大小均可調(diào)可控，在燃燒運行時，實現(xiàn)自動點火，自動配風，自動進料，自動清渣。實驗裝置示如圖1。

　　燃燒器采用由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研發(fā)的生物質(zhì)自動高效燃燒器^[17]，最大功率為20KW的上進料式燃燒器（PB-20）。

　　2）低壓電子沖擊儀

　　本試驗的測量儀器為低壓電子沖擊儀（ELPI），是芬蘭坦佩雷大學開發(fā)的用于實時測量氣溶膠粒徑分布的儀器。其主要部件有低壓級聯(lián)撞擊器、電暈放電器和多通道靜電計等。ELPI把顆粒物分成12級，從0.003～10μm，如表2，能夠?qū)γ考壍念w粒數(shù)目和質(zhì)量進行瞬態(tài)記錄^[18]。

　　1.3試驗參數(shù)和方法

　　1.3.1試驗參數(shù)

　　試驗所測的參數(shù)為顆粒物排放的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。除了總顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度外，主要測不同粒徑（12個級別）顆粒物的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。數(shù)量濃度是指在每平方厘米內(nèi)含顆粒物個數(shù)。質(zhì)量濃度是指在每平方米內(nèi)含顆粒物質(zhì)量。所測數(shù)據(jù)能準確地反映所排放顆粒物中所包含的不同粒徑級別下的數(shù)量和質(zhì)量。

　　1.3.2試驗方法

　　1)在實驗室平臺上分別燃燒三種生物質(zhì)成型燃料，通過控制進料速度從而控制進料量，標定10KW、12KW、14KW、16KW、18KW五種功率，在風機風速最大，空氣量充足的情況下分別測量五種功率下顆粒物分布情況，每種功率在穩(wěn)定時，測量記錄30分鐘。

　　2)選取三種燃料顆粒物排放最佳功率，在此功率下，通過控制風機轉(zhuǎn)速來標定空氣進氣量，分別測量風機風速為6m/s、7m/s、8m/s三中風速下的顆粒物排放分布情況，每種風速下燃燒穩(wěn)定時，測量記錄30分鐘。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1 在正常標定功率下顆粒物排放分布

　　PB20燃燒器設(shè)計在16KW的功率下熱效率最高，16KW為正常標定下的功率。三種燃料在16KW功率下的顆粒物排放分布如圖2。

　　在16KW功率下，三種燃料的顆粒物數(shù)量總濃度分別為7.77×10^6/cm3、3.41×10^6/cm3、2.28×10^6/cm3。木質(zhì)最少，玉米秸稈最多。由圖2-a可以看出，玉米秸稈的顆粒物數(shù)量主要集中在3、4、5、6級，峰值是第6級，棉桿和木質(zhì)的顆粒物數(shù)量主要集中在4、5、6、7級，棉桿峰值在第5級，木質(zhì)峰值在第5級。

　　在16KW功率下，玉米秸稈、棉桿、木質(zhì)燃料的顆粒物質(zhì)量總濃度分別為227.5mg/m3、176.2mg/m3、101.7mg/m3 。由圖2-b可以看出，三種燃料的質(zhì)量分布都是呈雙峰狀態(tài)，兩個峰值都是在第7級和第12級。在此功率下三種燃料的PM2.5（十級以下顆粒物）分別占總顆粒物質(zhì)量的70.3%、59.5%、72.7%。

　　2.2功率對顆粒物排放分布影響

　　PB20燃燒器的運行功率區(qū)間為10~20KW，在空氣量最大、風機風速在8.0.m/s條件下，試驗分析功率對顆粒物排放分布的影響。

　　2.2.1三種成型燃料在不同功率下顆粒物數(shù)量濃度分布

　　三種成型燃料在不同功率下顆粒物數(shù)量濃度分布如圖3。隨著進料量的增多、功率的加大，顆粒物的總數(shù)量都是先減小后增大。顆粒物分布的峰值向大粒徑方向移動，表明進料量越多、功率越大，燃料燃燒后產(chǎn)生相對更大粒徑顆粒。

　　對于玉米秸稈，從圖3-a可以看出，10KW時三種燃料顆粒物數(shù)量濃度呈雙峰分布狀態(tài)，第1級和第5級積為峰值。12KW時，顆粒物分布的各級別數(shù)量降低，峰值出現(xiàn)在第6級。當功率為14KW時，顆粒物數(shù)量進一步減少，仍然呈雙峰分布，峰值第3級和第6級。功率提高到16KW和18KW時，數(shù)量峰值仍為第6級。

　　對于棉桿成型燃料，如圖3-b，10KW、12KW、14KW功率下顆粒物數(shù)量濃度都呈雙峰分布狀態(tài)，在第4級和第6級達到兩個峰值。雖然隨著功率增加顆粒物排放數(shù)量減少，但是總體數(shù)量分布趨勢沒有過多變化。16KW時峰值變?yōu)榈?級，18KW時的分布峰值在第6級。

　　對于木質(zhì)燃料，如圖3-c三種工況下，分布成雙峰狀態(tài)，第1級核模態(tài)顆粒和第5級積聚模態(tài)顆粒出現(xiàn)峰值，功率增加，數(shù)量分布有向大粒徑方向轉(zhuǎn)移趨勢。當功率提高到16WKW和18KW時，三種燃料的顆粒物總數(shù)量急劇增多，顆粒物數(shù)量的峰值都轉(zhuǎn)變?yōu)榈?級。

　　2.2.2 三種成型燃料在不同功率下顆粒物質(zhì)量濃度分布

　　三種成型燃料在不同功率下顆粒物質(zhì)量濃度分布如圖4。

　　從圖4上可以看出，在所有功率下，三種燃料的顆粒物的質(zhì)量分布都是一個趨勢，有2個峰值。

　　對于玉米秸稈成型燃料，如圖4-a，當功率在10KW、12KW、14KW時，功率的增加對顆粒物質(zhì)量分布影響不大，總質(zhì)量濃度在74~79mg/m3之間，16KW和18KW的顆粒物總質(zhì)量急劇升高，總量分別為227.5mg/m3和303.8mg/m3，5種功率峰值分別是第7級和第12級。雖然大功率下顆粒物的質(zhì)量濃度急劇增加，但是總體分布趨勢沒有發(fā)生太大變化。在5種工況下PM2.5占總顆粒物分別為65.6%、68.8%、68.7%、62.2%和58.8%。

　　對于棉桿成型燃料，如圖4-b，在10KW、12KW、14KW功率下，顆粒物各級質(zhì)量濃度都隨功率的增加而減少，總質(zhì)量濃度在44~90.9mg/m3。10KW和12KW功率下，顆粒物質(zhì)量濃度的峰值在第7級顆粒物，在14KW時，質(zhì)量濃度分布出現(xiàn)了雙峰值，為第7級和第12級。16KW和18KW功率下顆粒物總質(zhì)量濃度明顯提高，總量分別為175mg/m3和197.8mg/m3， 分布呈雙峰狀態(tài)，峰 值依然為第7級和第12級。棉桿燃料在五種工況下PM2.5分別占總顆粒物的76%、70%、54.7%、52.7%、55.6%。

　　對于木質(zhì)成型燃料，如圖4-c，5種功率下顆粒物總質(zhì)量濃度分別為115mg/m3、155mg/m3、77.5mg/m3、101.8mg/m3、962mg/m3。五種功率下顆粒物質(zhì)量濃度分布都呈雙峰分布，分別在第7級和第12級顆粒物出現(xiàn)峰值。在10KW、12KW、14KW功率下，隨著功率增加顆粒物各級質(zhì)量濃度降低，14KW達到最佳排放狀態(tài)，16KW功率下各級顆粒物比14KW最大升高50%。當功 率為18KW時，顆粒物質(zhì)量濃度急劇增多，木質(zhì)燃料排放的PM2.5在五種工況下分別占總顆粒物的71.3%、67.7%、64%、61.3%、59.5%。

　　2.3進氣量對燃料顆粒物排放分布的影響

　　在相同功率下，不同的風機風速會導(dǎo)致不同的空氣量與燃料的配比。更多的空氣能使燃料燃燒后的顆粒物進一步被氧氣氧化，從而改變顆粒物的數(shù)量和分布。而且，風速不同改變?nèi)紵鲀?nèi)部的氣流運動，改變?nèi)紵h(huán)境，對顆粒物的生成和分布也產(chǎn)生一定影響。選擇14KW最佳燃燒功率下，研究空氣量對顆粒物排放的影響。

　　2.3.1不同進氣量下三種燃料顆粒物數(shù)量濃度分布

　　三種成型燃料在不同進氣量下的顆粒物數(shù)量濃度分布如圖6。

　　玉米秸稈成型燃料圖5-a，進風量對顆粒物數(shù)量分布趨勢無影響，峰值都是第3級和第6級，但顆粒物總體的數(shù)量濃度呈下降趨勢，在風速為8m/s時，顆粒物總量最小。風速從6m/s增加到8m/s，第1、2級的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度增加了11.8%，3~9級積聚模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少13.2%，10~12級粗模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少12.7%。

　　棉桿成型燃料圖5-b，空氣量對顆粒物數(shù)量分布趨勢無影響，峰值在第4級和第6級，風速增加，顆粒物總數(shù)量濃度下降，在風速為8m/s時，顆粒物總量最小。風速6m/s時顆粒物最多和8m/s時顆粒物最少相比較，第1級和第2級的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少了78.8%，3~9級積聚模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少46.4%，10~12級粗模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少47.6%。

　　木質(zhì)燃料圖5-c，在風速為7m/s時，顆粒物排放最小。風速6m/s時顆粒物最多和7m/s時顆粒物最少相比較，第1級和第2級的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度降低了30.4%，3~9級積聚模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少15.8%，10~12級粗模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度減少14.8%。

　　2.3.2三種成型燃料在不同進氣量下顆粒物質(zhì)量濃度分布

　　三種成型燃料在不同進氣量下的顆粒物數(shù)量濃度分布如圖7。

　　空氣量對玉米秸稈燃料顆粒物排放的質(zhì)量濃度分布影響圖6-a，顆粒物質(zhì)量峰值都在第7級和第13級。風速8m/s時顆粒物最多和7m/s時顆粒物最少相比較，第1、2級核模態(tài)顆粒物的質(zhì)量量濃度升高29%，3~9級積聚模態(tài)的顆粒物質(zhì)量濃度降低14.4%，10~12級粗模態(tài)顆粒物質(zhì)量濃度降低9%。PM2.5的質(zhì)量濃度降低14%。

　　空氣量對棉桿燃料顆粒物排放的質(zhì)量濃度分布影響圖6-b，顆粒物質(zhì)量峰值都在第7級。風速6m/s時顆粒物最多和8m/s時顆粒物最少相比較，第1級和第2級核模態(tài)顆粒物的質(zhì)量濃度降低76.7%，3~9級積聚模態(tài)的顆粒物質(zhì)量濃度降低50.6%，10~12級粗模態(tài)顆粒物質(zhì)量濃度降低53%。PM2.5的質(zhì)量濃度降低51.5%。

　　空氣量對木質(zhì)燃料顆粒物排放的質(zhì)量濃度分布影響圖6-c，顆粒物質(zhì)量峰值都在第7級和第13級。風速6m/s時顆粒物最多和7m/s時顆粒物最少相比較，第1級和第2級核模態(tài)顆粒物的質(zhì)量濃度升高36%，3~9級積聚模態(tài)的顆粒物質(zhì)量濃度降低18%，10~12級粗模態(tài)顆粒物質(zhì)量濃度降低14.3%。PM2.5的質(zhì)量濃度降低18%。

　　2.4 討論

　　在五種不同功率下三種生物成型燃料的顆粒物數(shù)量濃度分布主要集中在4~7級的積聚模態(tài)的顆粒物，占總數(shù)量的70%以上。三種燃料的顆粒物質(zhì)量濃度分布除了積聚模態(tài)還有10~12級的粗模態(tài)顆粒物，兩種形態(tài)的顆粒物的質(zhì)量濃度占總質(zhì)量濃度的90%以上。在10KW、12KW、14KW三種功率下，三種生物質(zhì)成型燃料的各級顆粒物都隨著功率的增大而降低，這是由于功率增大，導(dǎo)致爐膛溫度升高(分別為770℃、820℃、900℃)，從而排煙溫度升高(分別為105℃、123℃、144℃)，由于空氣 充足，燃料所排放的顆粒物會隨著排氣過程繼續(xù)燃燒，并且由于功率增加，爐膛溫度和排煙溫度增高，使得顆粒物的布朗運動增加，相互撞擊頻率增加，積聚模態(tài)的顆粒物減少，粗模態(tài)顆粒物增加^[18.19]，總體的數(shù)量下降。但是繼續(xù)增大功率，顆粒物無論數(shù)量濃度還是質(zhì)量濃度都急劇上升，這主要是因為進料量增多，雖然爐膛溫度 升高，但是空氣不足，燃料燃燒不完全，積聚模態(tài)顆粒物和粗模態(tài)顆粒物不能在排氣中被多余的氧氣氧化燃燒造成的。

　　在14KW時，三種燃料隨著風機風速的增大、進氣量的增加，顆粒物的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度都成下降趨勢。對于玉米秸稈而言，風速增加使得核模態(tài)顆粒物增加，積聚模態(tài)顆粒物和粗模態(tài)顆粒物減少。對于棉桿而言，風速增加使得三種模態(tài)顆粒物都減少。對于木質(zhì)成型燃料而言，雖然總體趨勢是顆粒物隨進氣量增大而減少，但并不是絕對的線性的關(guān)系。風速變大時，核模態(tài)顆粒物增多，積聚模態(tài)顆粒物減少，粗模態(tài)顆粒物增多。呈兩頭變多中間變少趨勢。

　　風量增大使得顆粒物的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度都減少，這是因為進氣量增加，使得燃燒器內(nèi)氧氣變多，燃料可以充分燃燒；即使沒有在燃燒器內(nèi)燃燒盡的粗顆粒物，也可在排氣過程中繼續(xù)氧化燃燒成小的顆粒物。所以玉米秸稈和木質(zhì)成型燃料隨著風速增加，積聚模態(tài)顆粒物減少，核模態(tài)顆粒物增加。由于木質(zhì)燃料揮發(fā)分和含碳量比另外兩種高，當大風速時，加速揮發(fā)分和碳粒生成，碳粒高速運動，增加碰撞的幾率，凝聚成一定的粗模顆粒物，所以木質(zhì)燃料隨著風速增大，粗模顆粒物也增多。

　　3.結(jié)論

　　（1）在標定功率16KW工況下，玉米秸稈顆粒物排放最大，其次是棉桿，木質(zhì)最小。玉米秸稈的顆粒物數(shù)量主要分布在3-6級，棉桿和木質(zhì)的顆粒物數(shù)量主要分布在4-7級。三種燃料的顆粒物質(zhì)量主要是雙峰分布，都在第7級和第12級。

　　（2）在不同功率下，三種成型燃料的顆粒物排放數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度都隨著功率的增高先減小后增大，在14KW功率下顆粒物排放最少。三種成型燃料顆粒數(shù)量峰值物峰值主要集中在4~7級，占總顆粒物數(shù)量的70%以上；顆粒物質(zhì)量峰值在7級和12級，占顆粒物總質(zhì)量50%以上。PM2.5在顆粒物中所占的比例也隨著功率的增加出現(xiàn)10%-20%的減少。

　　（3）進氣量對顆粒物分布趨勢基本無影響，只改變排放總量。風速增大，進氣量增多，棉桿的變化幅度大于玉米秸稈和木質(zhì)。玉米秸稈和棉桿的顆粒物總量都隨著進氣量增大而減少，在8m/s時顆粒物排放最少。木質(zhì)的在7m/s時顆粒物排放最少。玉米秸稈和木質(zhì)的核模態(tài)顆粒物隨著進氣量增大而增多，積聚模態(tài)和粗模態(tài)相反。

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