典型农林废弃物不同燃烧方式下污染物排放特征研究.pdf

39第 43 卷第 5 期能 源 工 程典型农林废弃物不同燃烧方式下污染物排放特征研究张啸乐，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）摘要：采用自主搭建的烟尘罩烟气采集系统及沉降炉实验台，对典型农林废弃物水稻、小麦、玉米和杨木进行露天焚烧、家用炉灶燃烧和工业锅炉燃烧实验，测定不同燃烧条件下的颗粒物及气态污染物排放因子。结果表明：CO、颗粒物排放因子对燃烧条件较为敏感，与 MCE 值存在良好的相关性。三种燃烧方式颗粒物排放因子大小排序为露天焚烧家用炉灶工业锅炉。颗粒物和 CO 排放因子随燃烧温度的上升，过量空气系数的增大，含水量的减小而减小，且堆垛时大于平铺时。当燃烧状态趋于恶劣时，燃烧会倾向于生成较大粒径颗粒物（粒径 1m）。在工业锅炉实验设定工况范围内，温度对 CO 排放因子的影响最大，过量空气系数次之，含水量最小。关键词：农林废弃物；颗粒物；气态污染物；排放因子；排放特征中图分类号：TK6文献标识码：ADOI：10.16189/j.nygc.2023.05.006Study of pollutant emission characteristics of typical agricultural and forestry waste under different combustion methodsZHANG Xiaole,LUO Zhongyang,WANG Xin,YU Chunjiang(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization,Zhejiang University,Hangzhou,310027,China)Abstract:A systematic study of typical agricultural and forestry wastes rice,wheat,corn and poplar wood was carried out using an independently built soot hood flue gas collection system and a settling furnace experimental bench to determine the particulate matter and gaseous pollutant emission factors under different combustion conditions by open burning,household stove combustion and industrial boiler combustion experiments.The results show that CO and particulate matter emission factors are more sensitive to combustion conditions and have good correlation with MCE values.The particle emission factors of the three combustion methods were ranked as open-air combustion household stoves industrial boilers.Among them,the particulate matter emission factors of open burning ranged from 2.05 to 14.19 g/kg,which could reach 1.510.7 times of those of industrial boilers.The emission factors of particulate matter and CO decrease with the increase of combustion temperature,the increase of excess air coefficient,the decrease of water content,and are greater when stacked than when flat.When the combustion condition tends to be poor,the combustion tends to generate larger particle size particles(particle size 1m).In the range of conditions set in the industrial boiler experiments,temperature has the greatest effect on CO emission factor,excess air coefficient is the second and water content is the smallest,and the contribution of the above three factors to the variation of CO emission factor can reach 74.7%91.7%.SO2 and NOX emission factors do not show significant patterns,and the average emission factors in the three combustion methods are 0.37,2.80 g/kg 0.58,2.57 g/kg,and 0.32,0.95 g/kg.Key Words:agricultural and forestry waste;particulate matter;gaseous pollutants;emission factors;emission characteristics收稿日期：2023-02-22基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（2022ZFJH004）作者简介：张啸乐(1997)，男，浙江金华人，硕士研究生，主要从事生物质焚烧污染物排放特性研究。通讯作者：骆仲泱，男，博士，教授，主要研究方向为燃烧理论，生物质能源，能源利用过程中的污染物生成、迁移及控制理论。Email:VOL.43No.5Oct.2023第 43 卷第 5 期2023 年 10 月能 源 工 程ENERGY ENGINEERING40VOL.43No.5张啸乐等：典型农林废弃物不同燃烧方式下污染物排放特征研究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。20162018 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 1.5m1.5m，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 8001000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。(a)烟尘罩烟气采集实验系统示意图41第 43 卷第 5 期能 源 工 程(b)沉降炉系统示意图图 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 80120 目（0.1250.180mm）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燃料工业分析元素分析VFCACHONS小麦15.7362.7811.0738.345.0734.200.600.30玉米16.4465.598.0439.325.2036.340.580.59水稻18.7563.527.9439.734.9436.151.080.37杨木15.5583.460.4349.285.6743.500.100.46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实验工况表燃烧方式工况编号堆放方式含水量过量空气系数温度/燃料量/g露天焚烧平铺平铺堆垛堆垛堆垛0%50010%5000%50010%50014.7%500沉降炉10%1.16000%1.36005%1.56000%1.18005%1.380010%1.58005%1.1100010%1.310000%1.51000家用炉灶10%50010%10001.3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：(1)(2)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42VOL.43No.5张啸乐等：典型农林废弃物不同燃烧方式下污染物排放特征研究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。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 0.783.03g/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。表 3污染物排放因子总表燃烧方式燃料种类工况编号不同污染物排放因子/(gkg-1)MCE颗粒物COSO2NOX露天焚烧水稻2.920.2634.6230.0004.1200.9396.301.9247.8690.0000.0000.93410.310.7457.2060.4034.1200.92212.210.3062.7630.2120.0540.91514.190.8188.6581.22010.4200.872小麦5.010.4037.7430.0214.5010.9499.331.1545.0790.1472.7170.92910.192.69105.2810.0004.0380.835玉米2.050.2437.7430.0214.5010.9472.800.6545.0790.1472.7170.9374.240.4147.8690.2124.1040.925杨木6.080.6267.5530.2793.4020.9383.640.3530.3210.0001.1480.9575.820.4768.2430.1953.1740.909燃烧方式燃料种类工况编号不同污染物排放因子/(gkg-1)MCE颗粒物COSO2NOX家用炉灶水稻4.651.9580.5730.3334.0590.8828.481.1386.7620.7302.6310.853小麦5.490.53105.7020.5891.5060.8546.400.40110.9861.0031.1470.809玉米4.900.2072.1370.2683.1040.9056.410.3484.6391.2152.1480.878杨木2.290.2341.2380.0141.7110.9582.550.2175.4150.4781.2690.906工业锅炉水稻1.440.1813.550.170.990.9851.020.0210.440.080.660.9880.680.083.590.381.310.996小麦1.770.0860.551.220.480.9551.590.077.920.291.210.9930.780.052.220.131.330.998杨木2.670.2543.920.300.890.9521.880.3219.290.260.800.9780.880.114.230.311.350.996玉米1.690.1772.6720.080.240.9150.520.0434.7360.341.330.9430.210.025.480.081.210.996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 0.810.97 变化时，会有一个数量级的增长。(a)修正燃烧效率(MCE)43第 43 卷第 5 期能 源 工 程(b)颗粒物排放因子(c)CO 排放因子图 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 1m的颗粒物比例小于平铺时，粒径 12.5m 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。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。图 3露天焚烧各粒径颗粒物及 CO 排放因子规律图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12.5m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。44VOL.43No.5张啸乐等：典型农林废弃物不同燃烧方式下污染物排放特征研究图 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。(a)颗粒物总排放因子随过量空气系数变化(b)颗粒物总排放因子随温度变化(c)颗粒物总排放因子随含水量变化图 5颗粒物排放特性温度、过量空气系数会对 CO 排放因子产生显著的负向影响关系。而含水量并不会对 CO 排放因子产生显著影响关系。这是由于工业锅炉燃烧时，炉膛内温度、氧气含量比较稳定，燃料的含水量对燃烧温度的影响较小，从而导致含水量对实验结果的影响较小。综上所述，工业锅炉燃烧方式中，过量空气系数应控制在 1.3 以上，温度在设定工况内越高越好。在保证炉膛内参数稳定的情况下，燃料的含水量对燃烧状态的影响并不显著。45第 43 卷第 5 期能 源 工 程3结论(1)多种农林废弃物平均颗粒物排放因子排序为：露天焚烧家用炉灶工业锅炉。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，工业锅炉实验中杨木颗粒物排放因子最高。(2)多种农林废弃物平均 CO 排放因子排序为：家用炉灶露天焚烧工业锅炉。四种燃料中，小麦的 CO 排放因子最大，SO2和 NOX排放因子未呈现显著规律。(3)总体而言，颗粒物及 CO 排放因子随燃烧温度的上升，含水量的减小，过量空气系数的增大而减小，且堆垛时大于平铺时。当燃烧状态趋于恶劣时，细颗粒物（粒径小于1m）占比会下降，粗颗粒物占比会上升。CO 排放因子的变化规律与颗粒物相反。(4)在工业锅炉实验设定工况范围内，温度对颗粒物及 CO 排放因子的影响最大，过量空气系数次之，含水量最小。温度和过量空气系数对CO 排放因子变化的贡献可达 74.7%91.7%。CO颗粒物排放因子均表现出与 MCE 值存在良好的相关性，颗粒物和 CO 呈负相关性参考文献1 臧良震,张彩虹.国外生物质能源原料供给研究综述与启示 J.经济问题探索,2017(8)：185-190.2 赵利芳.大气 PM2.5及其它污染因子致肺损伤分子机制研究 D.太原：山西大学,2021.3 周连.空气污染对江苏省典型地区人群健康效应影响及预警研究 D.南京：南京信息工程大学,2022.4 AKAGI S K,YOKELSON R J,BURLING I R,et al.Measurement of reactive trace gases and variable O3 formation rates in some South Carolina biomass plumes.J.Atmospheric Chemistrg and Physics Discussion,2012,12(9)：25255-25328.5 张剑.不同大气污染条件下气溶胶的来源及单颗粒的老化机制研究 D.杭州：浙江大学,2021.6 LANGENFELDS R L,FRANCEY R J,PAK B C,et al.Interannual growth rate variations of atmospheric CO2 and its delta C-13,H-2,CH4,and CO between 1992 and 1999 linked to biomass burningJ.Global Biogeochemical Cycles,2002,16(3)：21-22.7 CHEN J M,LI C L,RISTOVSKI Z,et al.A review of biomass burning：Emissions and impacts on air quality,health and climate in ChinaJ.Science Of the Total Environment,2017,579：1000-1034.8 沈姣姣,李建科,张宏芳,等.陕西省森林火灾分析及火灾面积预测 J.森林防火,2019(1)：31-36.9 王艳,郝炜伟,程轲,等.秸秆露天焚烧典型大气污染物排放因子 J.中国环境科学,2018,38(6)：2055-2061.10 蒋美合.典型秸秆焚烧的气态污染物排放特征及对周边地区空气质量影响的分析 D.北京：北京林业大学,2018.11 鞠园华,杨夏捷,靳全锋,等.不同燃烧状态下农作物秸秆 PM2.5排放因子及主要成分分析 J.环境科学学报,2018,38(1)：92-100.12 房文旭.典型寒地民用炉灶燃烧秸秆排放颗粒物的特征研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2020.13 王俊芳.生物质秸秆露天焚烧污染物排放特性及排放规模研究 D.杭州：浙江大学,2017.14 王艳妮,杨敬婷,程燕,等.贵州省户用生物质炉具 PM2.5和碳质组分排放因子 J.中国环境科学,2023,43(5)：2138-2151.15 唐喜斌.秸秆燃烧对灰霾天气的影响分析及其排放因子与颗粒物成分谱 D.上海：华东理工大学,2014.16 吴剑.中国生物质燃烧常规污染物和关键组分排放清单构建及应用研究 D.武汉：中国地质大学,2021.17 彭暄格,余春江,赵越,等.沉降炉中半焦与煤燃烧特性对比研究 J.能源工程,2021(1)：1-7.18 李云皓,周俊虎.20 t/h 生物质燃气蒸汽锅炉燃烧特性的数值模拟研究 J.能源工程,2020(6)：16-21.19 王俊芳,骆仲泱,华晓宇,等.农作物秸秆露天焚烧污染物排放特性研究 J.热力发电,2017,46(6)：14-20.20 陶翔,陈玲红,蒋旭光,等.动力配煤下入炉煤质参数快速计算分析 J.能源工程,2022(6)：1-8.46VOL.43No.521 田杰.基于实验室模拟我国农作物秸秆与家用煤炭燃烧的 PM2.5排放特征研究 D.北京：中国科学院大学环境科学,2016.22 唐喜斌.秸秆燃烧对灰霾天气的影响分析及其排放因子与颗粒物成分谱 D.上海：华东理工大学环境科学与工程,2014.23 SELIMOVIC V,YOKELSON R J,WARNEKE C,et al.Aerosol optical properties and trace gas emissions by PAX and OP-FTIR for laboratory-simulated western US wildfires during FIREXJ.Atmospheric Chemistry and Physics,2018,18(4)：2929-2948.24 STOCKWELL C E,YOKELSON R J,KREIDENWEIS S M,et al.Trace gas emissions from combustion of peat,crop residue,domestic biofuels,grasses,and other fuels：configuration and Fourier transform infrared(FTIR)component of the fourth Fire Lab at Missoula Experiment(FLAME-4)J.Atmospheric Chemistry and Physics,2014,14(18)：9727-9754.25 POKHREL R P,GORDON J,FIDDLER M N,et al.Determination of emission factors of pollutants from biomass burning of African fuels in laboratory MeasurementsJ.Journal of Geophysical Research-Atmospheres,2021,126(20).26 张志高,刘星光,张宏亮.农作物秸秆燃烧对 PM2.5排放影响因子的研究 J.科技通报,2017,33(7)：249-252.27 张文廷.民用生物质炉具排放影响因素及减排效果研究 D.北京：北京化工大学,2020.28 黄斐鹏,秦刚华,杨敬东,等.低温电除尘器运行策略研究及应用 J.能源工程,2022(1)：52-56.（责任编辑罗海华）张啸乐等：典型农林废弃物不同燃烧方式下污染物排放特征研究