生物質固體成型燃料燃燒顆粒物的數(shù)量和質量分布特性_圖文

1、第29卷 第19期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 V ol.29 No.192013年 10月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct. 2013 185生物質固體成型燃料燃燒顆粒物的數(shù)量和質量分布特性張永亮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）中圖分類號：S216.2 文獻標志碼：A 文章編號：1002-6819(2013-19-0185-08張永亮，趙

2、立欣，姚宗路，等. 生物質固體成型燃料燃燒顆粒物的數(shù)量和質量分布特性J. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(19：185192.Zhang Yongliang, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Distribution characteristics of number and mass for particulate emission of biomass solid fuel combustionJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of t

3、he CSAE, 2013, 29(19: 185192. (in Chinese with English abstract0 引 言中國具有豐富的農(nóng)作物秸稈，每年可收集秸稈總量達6.87億t ，約2.15t 噸秸稈被焚，其焚燒所釋放的空氣中的顆粒物微粒顆粒物造成了嚴重空氣污染1-2。主要以核模態(tài)、積聚模態(tài)和粗粒子模態(tài)3種模態(tài)存在，其空氣動力學直徑在0.0110 m 之間3-5。據(jù)統(tǒng)計，中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。生物質固體成型燃料是通過專門設備將秸稈、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

4、，具有高效、潔凈、點火容易、CO 2零排放等優(yōu)點，可替代煤炭等化石燃料應用于炊事、供暖等民用領域和鍋爐燃燒、發(fā)電等工業(yè)領域8-9。對于固體生物質燃料燃燒后的顆粒物排放問收稿日期：2013-06-09 修訂日期：2013-08-20題，國內外都做了一些研究，國外主要集中在木質成型燃料方面，研究了木質成型燃料的顆粒物分布狀況，國內主要集中在生物質原始狀態(tài)下燃燒后顆粒物排放總量方面，主要研究了水稻、小麥、玉米秸稈等生物質直接燃燒生成顆粒物狀況10-12，但對生物質固體成型燃料燃燒過程中的顆粒物質量和數(shù)量的濃度分布等尚未研究。跟歐美的木質生物質成型燃料相比，中國的生物質成型燃料主要以玉米秸稈、棉桿、水

5、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顆粒燃料有一定差異13-15。因此，本文采用低壓電子沖擊儀（ELPI electrical low pressure impactor），在農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院搭建的生物質固體成型燃料燃燒平臺上，對玉米秸稈、棉桿、木質3種生物質固體成型燃料開展燃燒試驗，對3種燃料燃燒后的顆粒物排放的數(shù)量和質量分布進行研究，以期中國生物質固體成型燃料的顆粒物排放法規(guī)的制定提供參考。1 材料與方法1.1 試驗燃料中國的生物質顆粒燃料主要以農(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3種顆粒成型燃料作為對比分析，所用玉米秸稈和棉

6、桿生物186農(nóng)業(yè)工程學報 2013年質顆粒燃料于2012年12月在北京大興禮賢生物質顆粒燃料公司生產(chǎn)，由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院研制的485型生物質顆粒燃料成型機壓制而成，所用木質顆粒燃料由天津嘉海木業(yè)公司生產(chǎn)。顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8 mm，長度1030 mm，3種生物質顆粒燃料的工業(yè)分析、元素分析、熱值如表1。表1 三種生物質顆粒燃料的工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量Table 1 Proximate analysis, ultimate analysis, and heat value of 3 kinds of pellets原料 Material 玉米秸稈Corn straw 棉稈

7、Cotton stalk 木質Wood工業(yè)分析Industrial analysis/% A ad V ad元素分析Elemental analysis/%H ad N ad低位發(fā)熱量Lower heating value/(kJkg-116254 15707 18308M ad F C,ad C ad S ad7.64 12.08 71.03 9.25 7.53 12.10 72.22 8.15 7.45 1.59 85.24 5.7240.66 5.44 1.10 0.56 39.99 5.30 1.15 0.58 46.75 6.19 0.26 0.59注： M ad 為一般樣本水分（M

8、oisture ）；A ad 為灰分（Ash ）；V ad 為揮發(fā)分（Volatiles ）；F C,ad 為固定碳（Fixed carbon）；C ad 碳元素含量（Carbon content）；H ad 為氫元素含量（Hydrogen content）；N ad 為氮元素含量（Nitrogen content）；S ad 為硫元素含量（Sulfur content）。1.2 儀器與設備生物質成型燃料燃燒試驗平臺以生物質燃燒器和生物質鍋爐為核心，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可控，在燃燒運行時，實現(xiàn)自動點火，自

9、動配風，自動進料，自動清渣。試驗裝置示如圖1。表2 ELPI的粒徑分級Table 2 Particle size grading in ELPI狀態(tài) State 核模態(tài)級別 Level粒徑范圍 直徑Range of particle size/m Diameter/m0.02 0.0070.0290.0290.057 0.0570.101 0.1010.165 0.1650.255 0.2550.393 0.3930.637 0.6370.990 0.9901.610 1.6102.460 2.4603.970 3.97010.1500.04 0.08 0.13 0.21 0.32 0.50

10、0.79 1.26 1.99 3.13 6.35積聚模態(tài)粗模態(tài)12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121. 進水管道 2. 生物質鍋爐 3. 生物質顆粒燃燒器 4. 進料機構 5. 料倉 6. 出水管道 7. 煙氣管道 8. 煙氣/煙塵采樣孔1. Water inlet 2. Biomass piping 3. Biomass boiler 4 Feeding mechanism 5. Bin 6. Water outlet 7. Gas pipeline 8. Smoke/Dust sampling hole圖1 生物質燃燒試驗平臺Fig.1 Biomass combustion

11、test platform燃燒器采用由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設計研究院研發(fā)的最大功率為20 kW的上生物質自動高效燃燒器16，本試驗的測量儀器為低壓電子沖擊儀（ELPI ）和SEMTECH 測試儀，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0.00310 m ，如表2，能夠對每級的顆粒數(shù)目和質量進行瞬態(tài)記錄17。SEMTECH （美國Sensors 公司研發(fā)生產(chǎn)）可以測出廢氣各成分含量。1）在試驗室平臺上分別燃燒3種生物質成型燃料，通過控制進料速度從而控制進料量，根據(jù)試驗平臺的功率范圍標定10、

12、12、14、16和18k W 5種功率，在風機風速最大（8 m/s），空氣量充足的情況下（過量空氣系數(shù)2.0）分別測量5種功率下廢氣成分和顆粒物分布情況，每種功率在穩(wěn)定時，測量記錄30 min。2）選取3種燃料顆粒物排放最佳功率14 kW，在此功率下，根據(jù)試驗平臺風機轉速范圍，通過控制風機轉速來標定空氣進氣量，分別測量風機風速為6、7、8 m/s 3種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 min。第19期 張永亮等：生物質固體成型燃料燃燒顆粒物的數(shù)量和質量分布特性1872 結果與分析2.1 三種生物質成型燃料的廢氣成分在試驗各功率下，風機風速調最大8 m/s，待燃燒穩(wěn)

13、定時，用ELPI 和SEMTECH 測得顆粒物和廢氣成分如表3。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1020 kW，風機風速在8.0 m/s時，即過量空氣系數(shù)2.0條件下，試驗分析功率對顆粒物排放分布的影響。表3 三種燃料廢氣成分Table 3 Gas composition of three fuels原料 Material 玉米秸稈 Corn straw 棉桿 Cotton stalk功率 Power/kW顆粒物數(shù)量 顆粒物質量過量空氣系數(shù)Particulate matter Particulate matterExcess air ratiomass/(mgm-

14、3 number/(個cm-3CO 2/%CO/% NO/% NO 2/% O2/%木質Wood3種成型燃料在不同功率下顆粒物數(shù)量分布如圖2。隨著功率的加大，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。 c. 木質 c. Wood圖2 三種成型燃料顆粒物數(shù)量分布Fig.2 Particle number distribution of three molding fuela. 玉米秸稈a. Corn straw b. 棉桿 b. Cotton stalk 對于玉米秸稈（圖2a ），10 kW時，顆粒物數(shù)量峰值在第5

15、級。12 kW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14 kW時，顆粒物數(shù)量進一步減少，呈雙峰分布，峰值第3級和第6級。功率提高到16和18 kW時，數(shù)量峰值仍為第6級。對于棉桿成型燃料（圖2b ），10、12、14 kW功率下顆粒物數(shù)量都呈雙峰分布狀態(tài)，在第4級和第6級出現(xiàn)2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。16、18 kW時，分布峰值在第6級，說明顆粒物粒徑變大。對于木質燃料（圖2c ），前4種工況下，分布呈雙峰狀態(tài)，第1級和第5級顆粒出現(xiàn)峰值，功率188農(nóng)業(yè)工程學報 2013年增加，數(shù)量分布有向大粒徑方向轉移趨勢。當功率提高

16、到18 kW時，3種燃料的顆粒物總數(shù)量急劇增多，顆粒物數(shù)量的峰值都轉變?yōu)榈?級。3種成型燃料在不同功率下顆粒物質量分布如圖3。隨著功率增加，顆粒物的質量先減小后增大，但大粒徑顆粒物質量所占比例增加。 a. 玉米秸稈 a. Corn straw b. 棉桿 b. Cotton stalk c. 木質 c. Wood圖3 三種成型燃料顆粒物質量濃度分布 Fig.3 Particle mass distribution of three molding fuel對于玉米秸稈成型燃料（圖3a ），5種功率下顆粒物質量峰值分別是第7級和第12級。雖然大功率下顆粒物的質量急劇增加，但是總體分布趨勢沒有發(fā)生

17、太大變化。通過計算，在5種工況下PM2.5（10級以下）質量占總顆粒物分別為65.6%、68.8%、68.7%、62.2%和58.8%。對于棉桿成型燃料（圖3b ），10和12 kW功率下，顆粒物質量的峰值在第7級，在14、16、18 kW時，質量濃度分布出現(xiàn)了雙峰值，為第7級和第12級。通過計算，棉桿燃料在5種工況下PM2.5質量分別占總顆粒物的76%、70%、54.7%、52.7%、55.6%。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致不同的過量空氣系數(shù)。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，風速不同改變燃燒器內

18、部的氣流運動，改變燃燒環(huán)境，對顆粒物的生成和分布也產(chǎn)生一定影響。由以上功率對顆粒物排放影響試驗可知14 kW時顆粒物排放最少，14 kW時，在風速為6、7和8 m/s時，玉米秸稈燃料的過量空氣系數(shù)分別為1.3、1.5、1.7，棉桿的過量空氣系數(shù)分別為1.1、1.3、1.5，木質燃料的過量空氣系數(shù)分別為1.1、1.3、1.5。因此選擇在14kW 功率下，研究空氣量對顆粒物排放的影響。3種成型燃料在不同進氣量下的顆粒物數(shù)量分布如圖4。木質燃料（圖4c ），在風速為7 m/s時（過量空氣系數(shù)1.3），顆粒物排放最小。風速從6 m/s增加到7 m/s，1、2級的核模態(tài)顆粒物數(shù)量降低了30.4%，39級

19、積聚模態(tài)顆粒物數(shù)量減少15.8%，1012級粗模態(tài)顆粒物數(shù)量減少14.8%。第19期 張永亮等：生物質固體成型燃料燃燒顆粒物的數(shù)量和質量分布特性189a. 玉米秸稈 a. Corn straw b. 棉桿 b. Cotton stalk b. 棉桿 b. Cotton stalk c. 木質 c. Wood圖5 進風量對三種生物質成型燃料顆粒物質量影響 Fig.5 Influence of air to three biomass fuel particle massconcentrationc. 木質 c. Wood圖4 進風量對三種生物質成型燃料顆粒物數(shù)量濃度影響 Fig.4 Influe

20、nce of air to three biomass fuel particle numberconcentration3種成型燃料在不同進氣量下的顆粒物質量分布如圖5。 a. 玉米秸稈 a. Corn straw 空氣量對木質燃料顆粒物排放的質量分布影響（圖5c ），顆粒物質量峰值都在第7級和第12級。風速6 m/s時顆粒物最多和7 m/s時顆粒物最少相比較，第1級和第2級核模態(tài)顆粒物的質量升高36%，39級積聚模態(tài)的顆粒物質量降低18%，1012級粗模態(tài)顆粒物質量降低14.3%。PM2.5的質量降低18%。 2.4 討論在不同功率下3種生物成型燃料的顆粒物數(shù)量分布主要集中在47級的積聚模

21、態(tài)的顆粒物，占總數(shù)量的70%以上。3種燃料的顆粒物質量分布除 190 農(nóng)業(yè)工程學報 2013 年 了積聚模態(tài)還有 1012 級的粗模態(tài)顆粒物， 2 種形 態(tài)的顆粒物的質量占總質量的 90%以上。這是因為 顆粒物的形成主要有兩部分，一部分是由 K2SO4、 KCl 等堿金屬鹽在溫度超過 500時通過結核、聚 集、長大等過程結合而成，這種顆粒物主要是亞微 米顆粒物，粒徑在 100600 nm 之間18-20。另一部 分顆粒物的形成主要是燃料中所含有的 Ca、Si 等 耐高溫金屬不易燃燒，在燃燒過程中形成顆粒較大 的超微米顆粒物，粒徑在 1 m 以上21-23。3 種生物 質燃料的顆粒物排放分布規(guī)律

22、恰好符合這一特性。 在 10、12、14 kW 3 種功率下，玉米秸稈燃燒 的過量空氣系數(shù)分別為 2.5、2.0、1.7，棉桿和木質 的過量空氣系數(shù)都分別為 2.0、1.7、1.5。3 種空功 率下爐膛溫度分別為 770、820 和 900，排煙溫度 分別為 105、123 和 144。3 種生物質成型燃料的 顆粒物總體數(shù)量都隨著功率的增大而降低。這 3 個 功率下，影響顆粒物的因素主要是溫度，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 總體數(shù)量下降。 粒物減少， 粗模態(tài)顆粒物增加24-25

23、， 但是繼續(xù)增大功率，顆粒物無論數(shù)量還是質量都急 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，在 16、18 kW 時，爐膛溫度 在 1 000左右，排氣溫度 180以上，3 種燃料燃 燒時的過量空氣系數(shù)急劇下到 1.2 以下，排氣氧氣 比例下降至 4%以下，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，對顆粒物影響主要因素為氧氣，溫度 影響減弱。 當功率增大到 16 和 18 kW 時，進料量增多， 燃燒溫度高，使得燃料極易結渣，在燃燒過程中， 清渣螺旋加快清渣，燃料在爐膛中停留時間變短， 造成燃料燃燒不充分，粗顆粒物增多26。并且，

24、清 渣螺旋頻繁的攪拌灰渣，掀起的揚灰也是造成粗模 顆粒物增多的一個因素。 在 14 kW 時，3 種燃料隨著風機風速的增大、 過量空氣系數(shù)的增加，顆粒物的數(shù)量和質量都成下 降趨勢。過量空氣系數(shù)增加，對于玉米秸稈而言， 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，使得 3 種模態(tài)顆粒物 都減少；對于木質成型燃料而言，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)量和質量都減少， 這是因為過量空氣系數(shù)增加，氧氣充足，使得燃燒 器內氧氣變多，燃料可以充分燃燒，即使沒有在燃 燒器內燃燒盡的較大顆粒物，也可在排氣

25、過程中繼 續(xù)被氧化燃燒成小的顆粒物，甚至燃盡。所以隨著 風速增加，玉米秸稈和木質成型燃料的積聚模態(tài)顆 粒物減少，核模態(tài)顆粒物增加，棉桿燃料 3 種模態(tài) 顆粒物都減少。但是木質的粗模態(tài)顆粒物增加了， 這是因為木質燃料揮發(fā)分和含碳量比另外 2 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。 而且木質燃料燃燒后不易結渣，燃燒后剩余物多為 很輕的灰塵27，風速增大，排氣中揚塵增多，所以 木質燃料隨著風速增大，粗模顆粒物也增多。 3 結 論 1） 在不同功率下 （10、 12、 14、 16 和 18 kW） ， 玉米秸稈、棉稈、木質 3 種成型燃料的

26、顆粒物排放 數(shù)量和質量都隨著功率的增高先減小后增大，在 14 kW 功率下顆粒物排放最少，過量空氣系數(shù)在 1.51.7 時，最利于燃料燃燒，顆粒物最少。 2）3 種成型燃料顆粒物數(shù)量峰值主要集中在 47 級，占總顆粒物數(shù)量的 70%以上；顆粒物質量 峰值在 7 級和 12 級，占顆粒物總質量 50%以上。 PM2.5 質量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，過量空氣系數(shù)越大，棉 桿的變化幅度大于玉米秸稈和木質。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 8 m/s 時顆粒物排放最少。木

27、質的在 7 m/s 時顆粒物排放 最少。隨著進氣量增大，玉米秸稈的核模態(tài)顆粒物 增多，積聚模態(tài)和粗模態(tài)顆粒物減少，木質的核模 態(tài)和粗模態(tài)顆粒物增多，積聚模態(tài)顆粒物減少，棉 桿燃料 3 種模態(tài)顆粒物都減少。 參 考 文 獻 農(nóng)業(yè)部新聞辦公室. 全國農(nóng)作物秸稈資源調查與評價 報告J. 農(nóng)業(yè)工程技術：農(nóng)產(chǎn)品加工，2011(2：15. News Office of Ministry of Agriculture. Investigation and evaluation report of national crop straw resourcesJ. Agricultural Engineering

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47、hulin, Zhao Lixin, et al. Experimental study on combustion and emission characteristics of biomass pelletsJ Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE, 2010, 26(5: 220 226. (in Chinese with English abstract Distribution characteristics of number and mass

48、 for particulate emission of biomass solid fuel combustion Zhang Yongliang1,2, Zhao Lixin1, Yao Zonglu1 , Tian Yishui1, Meng Haibo1, Zhang Xuemin2 (1. Key Laboratory of Energy Resource Utilization from Agricultural Residues, Ministry of Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beiji

49、ng 100125, China; 2. College of Engineering of China Agricultural University, Beijing 100083, China Abstract: The development of biomass solid fuel is one of the effective ways to reduce crop residue waste and coal combustion. However, the distribution about particulate emission of biomass solid fue

50、l under combustion condition has no precise data. More specifically, there is no clear relationship between two variations (burning power and air content and performance of particle distribution. In terms of different types of solid biomass fuels corn straw, cotton stalks and wood, this paper focuse

51、s on characteristics about particulate emission of these three biomass fuels under the combustion test platform condition by using electrical low pressure impactor (ELPI. The solid biomass fuels manufactured and developed by Chinese Academy of Agricultural Engineering were compressed into a cylinder with diameter of 8 mm, length of 1030 mm. In the first experiment, waste gas and particle distribution can be measured through combustion of such three biomass fuels. To be more precise, burning power as variation controlled by adjusting the