生物质锅炉与燃煤锅炉颗粒物排放特征比较

第26卷第6期2013年6月环境科学研究ＲesearchofEnvironmentalSciencesVol．26，No．6June，2013耿春梅，陈建华，王歆华，等．生物质锅炉与燃煤锅炉颗粒物排放特征比较［J］．环境科学研究，2013，26(6):666-671．GENGChunmei，CHENJianhua，WANGXinhua，etal．Comparativestudyontheparticleemissioncharacteristicsofbiomassboilerwithcoal-firedindustrialboiler［J］．ＲesearchofEnvironmentalSciences，2013，26(6):666-671．收稿日期:2012－12－30修订日期:2013－03－18基金项目:国家自然科学基金项目(40705043，41275135);国家高技术研究发展(863计划)项目(2012AA063506)作者简介:耿春梅(1977－)，女，北京人，高级工程师，博士，主要从事环境科学和大气化学研究，gengcm@craes．org．cn．生物质锅炉与燃煤锅炉颗粒物排放特征比较耿春梅，陈建华，王歆华，杨文，殷宝辉，刘红杰，白志鹏中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京100012摘要:选择2台结构不同的生物质锅炉(BB1、BB2)，针对木质和秸秆2种生物质燃料开展烟尘、PM10和PM2.5排放特征的研究，并与燃煤锅炉进行比较．结果表明:2台生物质锅炉的大气污染物排放质量浓度都未达到北京市DB11139—2007《锅炉大气污染物排放标准》的要求;2台生物质锅炉颗粒物的排放因子存在差别，燃烧木质成型燃料时，BB1和BB2生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为207.10和465.51mgkg，PM10排放因子分别为75.18和149.61mgkg，PM2.5排放因子分别为58.48和106.86mgkg;燃烧秸秆成型燃料时，BB1和BB2生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为142.86和1200.86mgkg，PM10排放因子分别为63.63和102.01mgkg，PM2.5的排放因子分别为50.90和76.51mgkg．与热功率相近的燃煤锅炉比较，2台生物质锅炉除尘器前的PM10平均排放因子低30.41%，PM2.5平均排放因子却高36.84%，即PM2.5在生物质锅炉烟尘中所占比例更高．尽管利用可再生能源的生物质锅炉具有很好的发展前景，但目前该类锅炉仍存在污染物排放不达标的现象，因此，需要提高热能利用效率和除尘效率，以减少污染．关键词:生物质锅炉;燃煤锅炉;颗粒物;排放因子中图分类号:X51文献标志码:A文章编号:1001－6929(2013)06－0666－06ComparativeStudyontheParticleEmissionCharacteristicsofBiomassBoilerwithCoal-FiredIndustrialBoilerGENGChun-mei，CHENJian-hua，WANGXin-hua，YANGwen，YINBao-hui，LIUHong-jie，BAIZhi-pengStateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandＲiskAssessment，ChineseＲesearchAcademyofEnvironmentalSciences，Beijing100012，ChinaAbstract:Biomassboilerswerewidelyusedasaneffectivemethodforbiomasscombustion．However，therewerenotmanystudiesonthecharacteristicsofatmosphericpollutantsemittedfrombiomassboilers．Twobiomassboilerswithdifferentstructurewereselectedtostudytheemissioncharacteristicsofdust，PM10andPM2.5andcompareitwithcoal-firedboiler．Woodenblockfuel(MZ)andstrawblockfuel(JG)wereusedinthisstudy．TheresultsshowedthattheemissionconcentrationsofpollutantsfrombothbiomassboilerscouldnotfulfillBeijinglocalstandard“Emissionstandardofairpollutantsforboilers”(DB11139-2007)．Theemissionfactorsusingtwotypesofbiomassboilersshowedasignificantdifference．Forthewoodenblockfuel，thedustemissionfactorswere207.10mgkg(BB1)and465.51mgkg(BB2);thePM10emissionfactorswere75.18mgkg(BB1)and149.61mgkg(BB2);thePM2.5emissionfactorswere58.48mgkg(BB1)and106.86mgkg(BB2)respectively．Forthestrawblockfuel，thedustemissionfactorswere142.86mgkg(BB1)and1200.86mgkg(BB2)，thePM10emissionfactorswere63.63mgkg(BB1)and102.01mgkg(BB2);thePM2.5emissionfactorswere50.90mgkg(BB1)and76.51mgkg(BB2)respectively．Comparedwiththecoal-firedboilerunderthesimilarconditionofthermalpower，theaveragePM10emissionfactoroftwobiomassboilerswas30.41%lowerthanthatforthecoal-firedboiler，whiletheaveragePM2.5emissionfactoroftwobiomassboilerswas36.84%higherthanthatforthecoal-firedboiler．PM2.5inthedustofbiomassboilerhasahigherproportionthanthatforthecoal-firedboiler．Althoughbiomassboilerhasaverygoodapplicableperspectiveduetoitsrecyclingapplicability，theemissionofatmosphericpollutantsfromsomebiomassboilerscouldnotmeetthelocalstandard．Consequently，thecurrentenergyefficiencyanddustremovalefficiencyshouldbeimprovedtoreducethepollutiontoatmosphericenvironment．Keywords:biomassboiler;coal-firedboiler;particle;emissionfactor我国是农业大国，生物质资源丰富，但并未得到充分利用．自20世纪80年代以来，我国部分地区在第6期耿春梅等:生物质锅炉与燃煤锅炉颗粒物排放特征比较收割季节出现了露天焚烧秸秆的现象，而且越来越严重［1-3］．这不仅浪费了大量的生物质资源，甚至还造成局地严重的大气污染．生物质燃烧会产生大量的气态污染物(如CO2、CO、CH4、NMHC、NOx、N2O、CH3CI、CH3Br、H2O2、HCHO和过氧化有机物等)和颗粒物〔如BC(黑炭)和OC(有机碳)等〕［4-7］，可改变地球辐射平衡［8］，并且对全球大气环境［9-10］、气候系统［11］及生态系统［12］均产生了重要影响．露天秸秆焚烧不仅造成局部大气环境质量恶化、影响交通安全以及存在火灾隐患，还会造成巨大的经济损失．根据王丽等［13］的估算，2004年国内因秸秆焚烧造成的直接生物质资源损失为113.4×108元，大气污染损失为196.5×108元．因此，需要科学引导生物质利用方式，提高利用效率以减少大气污染物排放［14］．生物质能源具有环境友好、可再生的特点，是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，在世界能源总消费量中占14%，被世界上约12的人口用作生活用能源［15］．发展中国家的初级能源为生物质能源，集中在炊事和取暖等传统领域;发达国家生物质能源在能源总消费量中占3%，主要作为区域供暖或发电．我国对于生物质能源的利用非常重视，已于2006年1月实施的《中华人民共和国可再生能源法》为生物质能源等可再生能源的广泛应用提供了制度和法律保证．因此，生物质能源在国内具有很好的发展前景．我国对生物质能源的有效利用，除了传统的家用燃烧外，目前还利用生物质压块作为锅炉燃料燃烧，这也是一种重要的燃烧方式．为实现污染物总量控制目标、减少燃煤污染物排放，国内很多地区限制使用燃煤工业锅炉，并在一定范围内禁止使用．上述限制措施导致部分使用燃煤工业锅炉的地区转而使用生物质锅炉，这为生物质锅炉的发展提供了空间，也促进了生物质锅炉技术的发展．由于生物质锅炉发展时间较短，对其大气污染物排放特征研究不足，因此，选择2台设计结构不同的生物质锅炉开展颗粒物排放特征研究，并且与近似吨位的燃煤锅炉进行比较，以期认识生物质锅炉排放颗粒物的特征及其对大气的贡献．1试验方法1.1研究对象的选择1.1.1锅炉目前使用的生物质锅炉中既有为生物质燃烧专门设计的生物质锅炉，也有在原有燃煤或燃油锅炉基础上改造而成的．选择2台生物质锅炉(BB1和BB2)和1台相近吨位的燃煤锅炉(CB)进行烟气排放测定，锅炉基本信息见表1．各锅炉均为间歇式工作模式，启炉工作和停炉时间的长短根据供暖或供应热水的需要而定，平均每天燃烧时间为10h左右，在整个供暖期工作．表1锅炉基本信息Table1Basicinformationofstudiedboilers锅炉编号锅炉型号额定热功率(th)除尘器炉排用途所在地点备注BB1DZW2.1－0.79570－M3袋式除尘器往复式炉排住房及办公区供暖昌平区燃油锅炉改造BB2CDZL1.4－02水膜除尘器链条炉排办公区及植物大棚供暖房山区CBIＲZL－2.0－03水膜除尘器链条炉排供暖及供应热水昌平区1.1.2燃料生物质燃料为普遍使用的市售木质生物质成型燃料(MZ)和秸秆生物质成型燃料(JG)，2种燃料均为条状，直径0.6～0.8cm，长3～5cm;燃煤为大同烟煤散煤(YM)，块状且直径在4cm以下．为避免因燃料差别造成烟气排放的差异，2台生物质锅炉使用的同质燃料为同一批加工产品．燃料工业和元素分析如表2所示．由表2可见，与烟煤比较，生物质燃料具有较高的w(挥发分)和w(O)，较低的w(固定碳)、发热量、w(S)和w(C)．1.2样品采集利用自动烟尘烟气分析仪(TH－880F)测定锅炉烟气基本参数，包括烟气中SO2、NOx和烟尘的浓度，以及林格曼黑度，以掌握锅炉工作状态及烟气达标状况．表2燃料的工业分析和元素分析(以空气干燥基计)Table2Industrialandelementalanalysisoffuel(drybasis)分析项目木质成型燃料秸秆成型燃料大同烟煤w(分析水)%2.642.593.82w(灰分)%5.2325.2310.64w(挥发分)%75.8056.9631.44w(固定碳)%16.3315.2254.10高位发热量(MJkg)20.3214.4126.52低位发热量(MJkg)19.1213.4825.63w(S)%0.050.140.88w(C)%46.9035.8066.87w(H)%5.524.243.94w(N)%0.130.880.78w(O)%39.5331.1213.07766环境科学研究第26卷建立的烟气稀释采样系统由颗粒物稀释器和颗粒物滤膜采样器组成，如图1所示．颗粒物稀释器(FPS－4000，芬兰Dekati公司)是为燃烧或其他工业过程中颗粒物测量所设计的稀释采样系统［16-18］．稀释过程分2级:一级稀释为热稀释，利用加热后的零空气对烟气进行初步稀释;二级稀释为冷稀释，利用室温下的零空气对烟气进一步稀释．通过对稀释倍数、稀释温度和停留时间的调整，可以对烟气定量稀释，该研究中稀释倍数在14～20倍之间．图1烟气稀释、采样系统示意图Fig.1Schemeoffluegasdilutionsystem利用双通道颗粒物旋风采样器进行PM10和PM2.5的膜采样．采集颗粒物(PM10、PM2.5)的滤膜为日本东洋滤纸公司生产的石英滤膜，滤膜直径为47mm．对PM10和PM2.5的滤膜称量、采样及保存均参照HJ618—2011《环境空气PM10和PM2.5的测量重量法》［19］进行．PM10和PM2.5排放质量浓度、排放量的计算依据GBT16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》［20］进行．2结果和讨论2.1锅炉烟气基本参数测定测试锅炉的主要功能为供暖和供应热水，因此，测定时间选择在供暖期的2010年12月进行．锅炉烟气基本参数如表3所示．表3测定锅炉基本参数Table3Basicparametersofstudiedboilers锅炉燃料烟气温度℃过剩空气系数烟气含湿量%标况烟气流量(m3h)燃料用量(kgh)BB1木质1405.364.04797267秸秆1303.724.04250257BB2木质2651.764.73078402秸秆2041.872.22952330CB大同烟煤452.694.42916177北京市地方标准DB11139—2007《锅炉大气污染物排放标准》［21］中将理想过剩空气系数定义为1.8，在GB5468—1999《锅炉烟尘测试方法》［22］中也有类似的规定．2台生物质锅炉烟气温度差别大的原因:①BB1的过剩空气系数是理想过剩空气系数的2倍以上，表明会有大量过剩空气随烟气排入大气，烟气量的增加将导致烟气温度降低．②对于供暖锅炉，热能利用率低则使部分热能随烟气排入大气［23］，致使烟气温度高．③锅炉出口到烟囱测孔的距离对烟气温度也有一定影响．BB2出口到烟囱测孔的距离为10m左右，而BB1为15m左右，而烟道和烟囱均为铁质，具有一定的散热作用，这使得烟气温度随烟道的延长而降低．目前的生物质锅炉设计还需要提高锅炉热能利用效率，对于烟气温度高的锅炉可增加省煤器回收烟气热能，以减少能源浪费［24］．2.2烟尘达标状况根据自动烟尘烟气分析仪测定结果，计算得到3台锅炉排放烟气中的的ρ(烟尘)、ρ(SO2)、ρ(NOx)和林格曼黑度，结果如表4所示．对于燃煤锅炉，由于除尘器后烟气湿度高，造成采集烟尘的滤筒中有水珠出现，干扰测定，因此，未计算除尘器后的ρ(烟尘)．表4锅炉排放大气污染物的平均浓度Table4Theaverageconcentrationsofpollutantsemittedfromthebiomassboiler项目燃料类型ρ(mgm3)烟尘SO2NOx林格曼黑度级BB1木质36.3917314＜1秸秆18.60106378＜1锅炉BB2木质40.6214144＜1秸秆110.41196303＜1CB大同烟煤—1344288＜1大气污染物排放限值1)102015011)DB11139—2007《锅炉大气污染物排放标准》．866第6期耿春梅等:生物质锅炉与燃煤锅炉颗粒物排放特征比较从表4可见，与DB11139—2007中大气污染物排放限值比较，2台生物质锅炉烟气中污染物浓度都未达标，其中ρ(烟尘)超标1～10倍;对于ρ(SO2)，当燃烧木质成型燃料〔w(S)为0.05%〕时，2台生物质锅炉排放烟气中的ρ(SO2)才符合DB11139—2007标准限值要求，但燃烧秸秆成型燃料〔w(S)为0.14%〕时则超标4～9倍;对于ρ(NOx)，除BB2生物质锅炉燃烧木质成型燃料时达标(但已接近限值)外，其他情况下都超标1～2倍．燃料成分是影响烟气中污染物浓度的重要因素．2台生物质锅炉都没有加装脱硫、脱氮装置，烟气中ρ(SO2)与燃料w(S)呈显著正相关(Ｒ2=0.9996)，烟气中ρ(NOx)与燃料中w(N)也呈正相关(Ｒ2=0.8714)．因此，需要根据燃料成分选择增加脱硫或脱氮装置，以实现达标排放．2.3PM10和PM2.5排放浓度2台生物质锅炉和1台燃煤锅炉燃烧排放的ρ(PM10)和ρ(PM2.5)如表5所示．由表5可见，BB1除尘器为袋式除尘器，对PM10、PM2.5的除尘效率均为92%～97%;BB2除尘器为水膜除尘器，对PM10、PM2.5的除尘效率分别为78%～84%、81%～86%，如果采用更高效率的除尘器，则烟尘实际排放的质量浓度相应更低．由于燃煤锅炉出口与除尘器间连接管路很短，并且连接管路中烟气温度在400℃以上，已超出仪器测定范围，因而未测定除尘器前烟气中的污染物浓度，也就无法计算其除尘效率．表5锅炉排放烟气中的颗粒物质量浓度Table5Particleconcentrationinthefluegasesemittedfromboilers锅炉燃料测定位置ρ平均值(mgm3)PM10PM2.5木质除尘器前416.99337.29BB1除尘器后31.8524.78秸秆除尘器前336.67282.80除尘器后12.289.83木质除尘器前43.2138.23BB2除尘器后9.666.90秸秆除尘器前35.8832.72除尘器后5.684.26CB大同烟煤除尘器后41.6538.32对于同种燃料，2台生物质锅炉的颗粒物质量浓度存在很大差别，这主要是设计结构不同所致．BB1生物质锅炉为往复式炉排炉，炉排的前后移动对炉排上的燃料和灰渣造成扰动，致使大量颗粒物悬浮到空气中并随烟气排出;此外，BB1生物质锅炉除渣装置为干式除渣机，燃料燃烧后的炉渣从炉排末端掉入渣斗并需人工定时清理，所造成的人工扰动同样导致烟气中颗粒物质量浓度升高．BB2生物质锅炉为链条炉，不存在炉排扰动，并且其除渣装置为湿式除渣机，炉渣直接掉入具有冷却水的渣斗中，由除渣机自动清除到室外，因而颗粒物质量浓度较低．2.4PM10和PM2.5排放因子利用颗粒物质量浓度及燃料使用量，计算各锅炉的烟尘、PM10和PM2.5的排放因子，并与其他研究结果进行比较，结果如表6所示．燃煤锅炉除尘器前的排表6生物质锅炉、燃煤锅炉的烟尘、PM10和PM2.5排放因子比较Table6Comparisonofemissionfactorsofdust，PM10andPM2.5emittedfrombiomassboilerswithcoalfiredboilers锅炉类型燃料采样位置排放因子(mgkg)烟尘PM10PM2.5数据来源生物质锅炉木质成型燃料除尘器前—1214.16982.10该研究BB1袋式除尘器后207.1075.1858.48该研究秸秆成型燃料除尘器前—2057.561728.35该研究袋式除尘器后142.8663.6350.90该研究木质成型燃料除尘器前—583.00515.73该研究BB2水膜除尘器后465.51149.61106.86该研究秸秆成型燃料除尘器前—635.99587.16该研究水膜除尘器后1200.86102.0176.51该研究燃煤锅炉2th锅炉煤除尘器前—650430文献［25］璧山煤旋风除尘器后—200150文献［25］CB(3th锅炉)大同烟煤散烧水膜除尘器后—366.92337.57该研究型煤除尘器前—2510790文献［26］原煤除尘器前—1680870文献［26］4th锅炉煤除尘器后—3432文献［27］蛟河煤旋风除尘器后——210文献［25］二类烟煤湿式除尘器后20380——文献［28］966环境科学研究第26卷放因子采用2～4th锅炉数据［25-28］的平均值，PM10和PM2.5的平均排放因子分别为1613.33和696.67mgkg．而该研究生物质锅炉PM10和PM2.5的平均排放因子分别为1122.67和953.34mgkg．与燃煤锅炉比较，生物质锅炉的PM10排放因子比燃煤锅炉低30.41%，但PM2.5的排放因子却比燃煤锅炉高36.84%，表明PM2.5在烟尘中所占比例更高．家用炉灶仍然是农村地区，尤其是北方农村地区广泛使用的一种方式．田贺忠等［29］对家用炉灶的研究表明，以秸秆为燃料时烟尘排放因子为6370mgkg，以薪柴为燃料时的排放因子为3330mgkg．该研究中2台生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为142.86和1200.86mgkg，平均值为504.08mgkg．比较可知，对于除尘装置正常运行的生物质锅炉，其排放因子较民用炉灶平均低9倍以上．因此，有条件的地区可用生物质锅炉取代家用炉灶，以大幅降低颗粒物排放．3结论a)2台生物质锅炉的污染物排放质量浓度均未达到DB11139—2007标准限值．其中，ρ(烟尘)超标2～7倍;ρ(SO2)与燃料w(S)显著相关，燃烧木质成型燃料时ρ(SO2)符合DB11139—2007排放标准但接近限值，而燃烧秸秆成型燃料时则超标4～9倍;对于ρ(NOx)，除BB2生物质锅炉燃烧木质成型燃料达标外，其他情况超标1～2倍．b)燃烧木质成型燃料时，BB1和BB2生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为207.10和465.51mgkg，PM10排放因子分别为75.18和149.61mgkg，PM2.5排放因子分别为58.48和106.86mgkg;燃烧秸秆燃料时，BB1和BB2生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为142.86和1200.86mgkg，PM10排放因子分别为63.63和101.01mgkg，PM2.5的排放因子分别为50.9和76.51mgkg．与相近吨位燃煤锅炉比较，2台生物质锅炉除尘器前的PM10平均排放因子低30.41%，但PM2.5的平均排放因子却高36.84%，即PM2.5在烟尘中所占比例更高．目前生物质锅炉所用的除尘器对PM10和PM2.5的除尘效率在78%～96%之间，袋式除尘器具有较好的除尘效果．c)2台生物质锅炉颗粒物排放因子存在很大差别，可能由于锅炉结构设计不同所致．BB1生物质锅炉为炉排炉和干式除渣机，由于炉排的前后移动及炉渣掉入渣斗时对颗粒物造成了很大扰动，因而颗粒物质量浓度高;而BB2生物质锅炉为链条炉和湿式除渣机，减少了对颗粒物的扰动，因而烟气中颗粒物质量浓度低．d)生物质锅炉存在过剩空气系数与理想状况差距大、烟气温度高等问题，说明生物质锅炉的设计和操作技术有待提高．我国地域广阔，生物质种类繁杂，不同生物质的燃烧性能差别大，应相应开发不同类型的燃烧技术及燃烧设备，实现生物质锅炉的能源高效利用，使大气污染物达标排放．另外，需要加强监管，保证除尘装置、脱硫脱氮装置随锅炉正常运转，在实现有效利用生物质能源的同时，减少对大气环境的污染．参考文献(Ｒeferences):［1］DUANFengkui，LIUXiande，YUTong，etal．IdentificationandestimateofbiomassburningcontributiontotheurbanaerosolorganiccarbonconcentrationsinBeijing［J］．AtmosEn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