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生物質(zhì)固體成型燃料燃燒顆粒物排放特性研究姚宗路博士/高級(jí)工程師農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所江蘇鎮(zhèn)江2013.8.21中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)2013年學(xué)術(shù)年會(huì)主要內(nèi)容研究背景一國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀二顆粒物排放特性試驗(yàn)三農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/CAAE研究背景一1、

霧霾天氣2013年1月,我國(guó)北方地區(qū)連續(xù)遭遇5次霧霾侵襲,污染之重、持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)、社會(huì)影響之大,前所未有,引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注。北京:2013年1月,霧霾天氣達(dá)到25天1、霧霾天氣導(dǎo)致華北地區(qū)霧霾天氣的主要原因?yàn)槿济?、機(jī)動(dòng)車尾氣以及粉塵;農(nóng)作物秸稈可收集資源量每年約6.9億噸,每年約有3億噸被焚燒、廢棄;我國(guó)農(nóng)村地區(qū)約有2.26億農(nóng)戶采用爐灶炕,滿足冬季采暖、炊事需要,直接產(chǎn)生霧霾主要組成物?!巴砩?點(diǎn),PM2.5升高為每立方米79微克,為輕度污染,10點(diǎn)攀升到103微克,11點(diǎn)竟達(dá)310微克,為嚴(yán)重污染。”“安徽一些地方、特別是皖北秸稈焚燒現(xiàn)象普遍,記者在宿州G3高速公路沿途兩邊看到,不少村莊的麥地正在燒秸稈,煙霧陣陣,焦糊味嗆鼻,焦黑的麥田連成一片,看不到盡頭”--

《全國(guó)新聞聯(lián)播》顆粒物(particulatematter)又稱煙塵,主要由揚(yáng)塵、燃料燃燒排放、以及大氣中某些污染氣體組分之間通過光化學(xué)氧化反應(yīng)、催化氧化反應(yīng)或其他化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成。顆粒物是大氣污染的主要成分之一。碳黒有機(jī)物氨鹽硝酸鹽硫酸鹽重金屬燃煤,汽車、裝潢材料、塑料板等養(yǎng)殖場(chǎng)、農(nóng)業(yè),汽車、工業(yè)脫硝過程等燃煤、機(jī)動(dòng)車等其中對(duì)人有害的有銅、鋅、鉛和鋅機(jī)動(dòng)車冒黑煙,煤炭和生物質(zhì)燃燒,輪胎磨損。PM成分2、顆粒物分類及危害根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)直徑的不同,顆粒物主要包括:總懸浮顆粒物(TSP):指大氣中100um以下的顆粒。PM10:指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于10um的大氣顆粒物,可通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體的顆粒,稱作可吸入顆粒物,簡(jiǎn)稱為細(xì)微顆粒。PM2.5:指大氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2.5um的顆粒物,也稱為可入肺顆粒物。

細(xì)微顆粒物排放對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重危害,細(xì)微顆粒的大量排放會(huì)污染水質(zhì)、降低大氣能見度,并造成各方面人體身體系統(tǒng)疾病等。空氣中顆粒物濃度的上升會(huì)引起各種呼吸系統(tǒng)疾病,尤其是能吸入肺泡的PM2.5進(jìn)入人體后對(duì)人類的神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等都會(huì)造成極大的危害。秸稈成型燃料具有高效、潔凈、點(diǎn)火容易、CO2零排放、SO2和NOx排放極低等優(yōu)點(diǎn),可替代煤炭,已廣泛應(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。截止到2010年底,我國(guó)的生物質(zhì)固體成型燃料達(dá)到300萬噸,按照國(guó)家生物質(zhì)能源十二五發(fā)展規(guī)劃,到2015年,達(dá)到1000萬噸。3、生物質(zhì)成型燃料是解決焚燒途徑之一國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀二國(guó)外對(duì)生物質(zhì)成型燃料顆粒物研究主要有三個(gè)方面:顆粒物形成研究:顆粒物的生成機(jī)理、形成過程,主要成分;顆粒物排放分布研究:顆粒物的排放的狀態(tài)和分布,以及燃料密度,燃燒負(fù)載,燃燒溫度,過量空氣系數(shù)等對(duì)顆粒物的分布產(chǎn)生的影響;顆粒物元素成分研究:顆粒物氣溶膠中主要元素K、S、Cl、K、Na、Pb、Si、Al、Mg、Ca等在顆粒物中的主要分布情況,在不同條件下的最終去向。瑞典農(nóng)業(yè)大學(xué)燃燒實(shí)驗(yàn)室---顆粒排放特性試驗(yàn)國(guó)內(nèi)在生物質(zhì)燃燒顆粒排放方面的研究,多集中在生物質(zhì)燃料和傳統(tǒng)煤粉之間的顆粒物的比較,以及農(nóng)作物秸稈的顆粒物的分布和組成成分。復(fù)旦大學(xué)建立了一套氣態(tài)污染物和顆粒物采樣實(shí)驗(yàn)裝置,通過對(duì)水稻、小麥、玉米秸稈三種生物質(zhì)燃料燃燒排放的煙氣及煙塵顆粒物分析,研究了三種農(nóng)作物秸稈燃燒排放的顆粒物的個(gè)數(shù)濃度、體積濃度和質(zhì)量濃度粒徑分布特征。華中科大在一種自制的沉降爐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,將鋸末和稻草與煤混合進(jìn)行燃燒,研究了不同混合配比和配比溫度對(duì)顆粒物排放總量的影響和對(duì)顆粒物分布的影響;對(duì)脫堿后的稻草和煤進(jìn)行燃燒,研究了K、P、Na、Ca、Si、Al等堿金屬對(duì)顆粒物排放和分布的影響。顆粒物的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)2005年世界衛(wèi)生組織(WHO)制定了《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》,該準(zhǔn)則對(duì)大氣中可吸入顆粒物的濃度限值制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),WHO規(guī)定:PM2.5年平均濃度為10μg/m3,24h平均濃度為25μg/m31997年美國(guó)環(huán)保局頒布了PM2.5的國(guó)家大氣標(biāo)準(zhǔn)為65μg/m3·d-1和15μg/m3·a-1,于2006年將日均值下調(diào)至35μg/m3/天和15μg/m3/年

歐盟目前的PM2.5年均值極限為25μg/m3,歐盟標(biāo)準(zhǔn)制定了中長(zhǎng)期PM2.5達(dá)標(biāo)的目標(biāo)值,即2015年目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為20μg/m3,2020年標(biāo)準(zhǔn)為18μg/m3。

我國(guó)對(duì)空氣中PM2.5排放的標(biāo)準(zhǔn)為:較高的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為年均值為15μg/m3,日均值為35μg/m3;較低的一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)為年均值35μg/m3,日均值75μg/m3。2013年8月13號(hào)2013年8月19日顆粒物排放特性試驗(yàn)三生物質(zhì)成型燃料燃燒試驗(yàn)平臺(tái)和燃燒器采用由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院研發(fā)的生物質(zhì)自動(dòng)高效燃燒器,功率為20kW的上進(jìn)料式燃燒器生物質(zhì)燃燒試驗(yàn)平臺(tái)1、試驗(yàn)儀器ELPI測(cè)試系統(tǒng)本試驗(yàn)的測(cè)量?jī)x器為低壓電子沖擊儀(ElectricalLowPressureImpactor),ELPI是芬蘭坦佩雷大學(xué)開發(fā)的用于實(shí)時(shí)測(cè)量氣溶膠粒徑分布的儀器。其主要部件有低壓級(jí)聯(lián)撞擊器、電暈放電器和多通道靜電計(jì)等。ELPI把顆粒物分成12級(jí),從0.003~10μm,如圖,能夠?qū)γ考?jí)的顆粒數(shù)目和質(zhì)量進(jìn)行瞬態(tài)記錄。燃燒試驗(yàn)平臺(tái)ELPI測(cè)試系統(tǒng)儀器介紹

ELPI主測(cè)器排氣采樣筒采氣泵空氣壓縮機(jī)排氣稀釋器3種顆粒燃料棉桿玉米秸稈2、試驗(yàn)材料與測(cè)試方法木質(zhì)測(cè)量參數(shù):除了總顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度外,主要測(cè)不同粒徑(12個(gè)級(jí)別)顆粒物的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。數(shù)量濃度:在每平方厘米內(nèi)含顆粒物個(gè)數(shù)。質(zhì)量濃度:在每平方米內(nèi)含顆粒物質(zhì)量。1)不同功率對(duì)顆粒物數(shù)量分布影響a玉米秸稈b棉桿c木質(zhì)三種成型燃料的顆粒物排放數(shù)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(jí)(0.1—0.7μm),占總顆粒物數(shù)量的70%以上.3、試驗(yàn)結(jié)果c木質(zhì)2)不同功率對(duì)顆粒物質(zhì)量分布影響a玉米秸稈b棉桿顆粒物質(zhì)量峰值在7級(jí)和12級(jí),占顆粒物總質(zhì)量50%以上。PM2.5(10級(jí)以下)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。顆粒物質(zhì)量幾種在7級(jí)和12級(jí),7級(jí)為積聚膜態(tài)粒子(亞微米),為K2SO4.KCL等堿金屬鹽結(jié)核、凝聚而成。12級(jí)為粗膜態(tài)粒子(超微米),為Si.Ca等耐高溫粒子生成。隨著功率增加,PM2.5較少,因?yàn)楣β试黾?,溫度升高,顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)加快,大大增加了相互撞擊的頻率,排除后溫差大,迅速凝結(jié)成大顆粒。減少PM2.5的方法:1.大大提高爐膛燃燒溫度。2.盡量降低排氣溫度。3)空氣量對(duì)顆粒物數(shù)量分布影響c木質(zhì)a玉米秸稈b棉桿4)空氣量對(duì)顆粒物質(zhì)量分布影響c木質(zhì)a玉米秸稈b棉桿空氣量對(duì)顆粒物分布趨勢(shì)基本無影響,只改變排放總量。風(fēng)速增大,過量空氣系數(shù)越大,顆粒物燃燒的更充分,各級(jí)顆粒物都相應(yīng)減少。。目前,國(guó)外對(duì)木質(zhì)顆粒燃料開展顆粒物排放特性研究,尤其是在顆粒物形成、分布、元素成分等方面。對(duì)于我國(guó)秸稈成型燃料,將重點(diǎn)研究有毒成分的聚集的顆粒物粒徑級(jí)別,并且根據(jù)有毒成分所在級(jí)別研究如何減少該粒徑下顆粒物的生成。單位基本情況農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所,作為農(nóng)業(yè)部生物質(zhì)工程中心、農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托單位。重點(diǎn)研究領(lǐng)域:農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)沼氣技術(shù)及裝備研究;農(nóng)作物秸稈固體成型燃料成型、高效燃燒技術(shù)與裝備研究;秸稈熱裂解制取生物炭技術(shù)以及生物炭綜合開發(fā)利用研究;農(nóng)村生產(chǎn)生活廢水處理及生產(chǎn)能源微藻高新技術(shù)研究;科研項(xiàng)目:承擔(dān)“十二五”科

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