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1、生物质固体成型燃料燃烧 颗粒物排放特性研究姚宗路 博士/高级工程师农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所 江苏 镇江 2013.8.21中国农业工程学会2013年学术年会农业部规划设计研究院/ CAAE主要内容研究背景一国内外研究现状二颗粒物排放特性试验三农业部规划设计研究院/ CAAE农业部规划设计研究院/ CAAE研究背景一农业部规划设计研究院/ CAAE1、 雾霾天气2013年1月，我国北方地区连续连续 遭遇5次雾雾霾侵袭袭，污污染之 重、持续时间续时间 之长长、社会影响之大，前所未有，引起全社 会的广泛关注。北京：2013年1月，雾雾霾天气达到25天农业部规划设计研究院/ CAAE1
2、、雾霾天气 导导致华华北地区雾雾霾天气的主要原因为为 燃煤、机动车动车 尾气以及粉尘尘； 农农作物秸秆可收集资资源量每年约约6.9亿亿 吨，每年约约有3亿亿吨被焚烧烧、废废弃； 我国农农村地区约约有2.26亿农户亿农户 采用炉灶 炕，满满足冬季采暖、炊事需要，直接产产 生雾雾霾主要组组成物。“晚上9点，PM2.5升高为每立方 米79微克，为轻度污染，10点攀 升到103微克，11点竟达310微克 ，为严重污染。”“安徽一些地方、 特别是皖北秸秆 焚烧现象普遍， 记者在宿州G3高 速公路沿途两边 看到，不少村庄 的麦地正在烧秸 秆，烟雾阵阵， 焦糊味呛鼻，焦 黑的麦田连成一 片，看不到尽头”-
3、- 全国新闻联播 农业部规划设计研究院/ CAAE颗颗粒物（particulate matter）又称烟尘尘，主要由扬尘扬尘 、燃料燃烧烧排 放、以及大气中某些污污染气体组组分之间间通过过光化学氧化反应应、催化 氧化反应应或其他化学反应转应转 化生成。颗颗粒物是大气污污染的主要成分之一。碳黒有机物氨盐硝酸盐 硫酸盐重金属燃煤，汽车 、装潢材料 、塑料板等养殖场、农 业，汽车、 工业脱硝过 程等燃煤、机 动车等其中对人有 害的有铜、 锌、铅和锌机动车冒黑 烟，煤炭和 生物质燃烧 ，轮胎磨损 。PM成分2、颗粒物分类及危害农业部规划设计研究院/ CAAE根据空气动力学直径的不同，颗粒物主要包括：总
4、悬浮颗粒物(TSP)：指大气中100um以下的颗粒。PM10：指空气动力学直径小于或等于10um的大气颗粒物，可 通过呼吸系统进入人体的颗粒，称作可吸入颗粒物，简称为 细微颗粒。PM2.5：指大气中空气动力学直径小于或等于2.5um的颗粒物， 也称为可入肺颗粒物。农业部规划设计研究院/ CAAE细细微颗颗粒物排放对对人体健康和生态环态环 境严严重危害，细细 微颗颗粒的大量排放会污污染水质质、降低大气能见见度，并造成 各方面人体身体系统统疾病等。 空气中颗颗粒物浓浓度的上升会引起各种呼吸系统统疾病，尤 其是能吸入肺泡的PM2.5进进入人体后对对人类类的神经经系统统、 生殖系统统、消化系统统等都会
5、造成极大的危害。农业部规划设计研究院/ CAAE秸秆成型燃料具有高效、洁净、点火容易、CO2零排放、 SO2和NOx排放极低等优点，可替代煤炭，已广泛应用于炊事 、供暖等民用领域和锅炉燃烧、发电等工业领域。截止到2010年底，我国的生物质质固体成型燃料达到300万吨 ，按照国家生物质质能源十二五发发展规规划，到2015年，达到 1000万吨。3、生物质成型燃料是解决焚烧途径之一农业部规划设计研究院/ CAAE国内外研究现状二农业部规划设计研究院/ CAAE国外对生物质成型燃料颗粒物研究主要有三个方面： 颗粒物形成研究：颗粒物的生成机理、形成过程，主要成分； 颗粒物排放分布研究：颗粒物的排放的状
6、态和分布，以及燃料密度 ，燃烧负载，燃烧温度，过量空气系数等对颗粒物的分布产生的影响； 颗粒物元素成分研究：颗粒物气溶胶中主要元素K、S、Cl、K、Na 、Pb、Si、Al、Mg、Ca等在颗粒物中的主要分布情况，在不同条件下的 最终去向。瑞典农业大学燃烧实验室- 颗粒排放特性试验农业部规划设计研究院/ CAAE国内在生物质燃烧颗粒排放方面的研究，多集中在生物质燃料和传统煤粉之间的颗粒物的比较，以及农作物秸秆的颗粒物的分布和组成成分。 复旦大学建立了一套气态污染 物和颗粒物采样实验装置，通过 对水稻、小麦、玉米秸秆三种生 物质燃料燃烧排放的烟气及烟尘 颗粒物分析，研究了三种农作物 秸秆燃烧排放的
7、颗粒物的个数浓 度、体积浓度和质量浓度粒径分 布特征。农业部规划设计研究院/ CAAE 华中科大在一种自制的沉降炉实验平台上，将锯末和稻草与煤混合进 行燃烧，研究了不同混合配比和配比温度对颗粒物排放总量的影响和 对颗粒物分布的影响；对脱碱后的稻草和煤进行燃烧，研究了K、P、 Na、Ca、Si、Al等碱金属对颗粒物排放和分布的影响。农业部规划设计研究院/ CAAE颗粒物的监控标准 2005年世界卫生组织（WHO）制定了空气质量准则，该准 则对大气中可吸入颗粒物的浓度限值制定了严格的标准，WHO规定 ：PM2.5年平均浓度为10g/m3，24h平均浓度为25g/m3 1997年美国环保局颁布了PM
8、2.5的国家大气标准为65g/m3d-1和 15g/m3a-1，于2006年将日均值下调至35g/m3/天和15g/m3/年 欧盟目前的PM2.5年均值极限为25g/m3，欧盟标准制定了中长期 PM2.5达标的目标值 ，即2015年目标标 准为20g/m3，2020年标准 为18g/m3。 我国对空气中PM2.5排放的标准为:较高的一级标 准为年均值为 15g/m3,日均值为 35g/m3；较低的一级的标准为年均值35g/m3 ，日均值75g/m3。2013年8月13号2013年8月19日农业部规划设计研究院/ CAAE颗粒物排放特性试验三农业部规划设计研究院/ CAAE生物质成型燃料燃烧试验
9、平台和燃烧器采用由农业部规划设计研究院研发的 生物质自动高效燃烧器，功率为20kW的上进料式燃烧器生物质燃烧试验平台1、试验仪器农业部规划设计研究院/ CAAEELPI测试系统本试验的测量仪器为低压电子冲击仪（Electrical Low Pressure Impactor），ELPI是芬兰坦佩雷大学开发的用于实时 测量气溶胶粒径分布的仪器。 其主要部件有低压级联 撞击器、电晕放电器和多通道静电 计等。ELPI把颗粒物分成12级，从0.00310m，如图，能 够对每级的颗粒数目和质量进行瞬态记录 。燃烧试验平台ELPI测试系统农业部规划设计研究院/ CAAE仪器介绍ELPI 主测器排气采样筒
10、采气泵空气压缩机排气稀释器农业部规划设计研究院/ CAAE3种颗粒燃料棉杆玉米秸秆2、试验材料与测试方法木质测量参数：除了总颗粒数量浓度和质量浓度外，主要测不同 粒径（12个级别）颗粒物的数量浓度和质量浓度。 数量浓度：在每平方厘米内含颗粒物个数。 质量浓度：在每平方米内含颗粒物质量。农业部规划设计研究院/ CAAE农业部规划设计研究院/ CAAE1）不同功率对颗粒物数量分布影响a玉米秸秆b棉杆c 木质 三种成型燃料的颗粒物排放数量浓度都随着功率的增高先减小后增 大，在14KW功率下颗粒物排放最少。 三种成型燃料颗粒数量峰值物峰值主要集中在4-7级（0.10.7m） ，占总颗粒物数量的70%以
11、上.3、试验结果农业部规划设计研究院/ CAAEc 木质2）不同功率对颗粒物质量分布影响a玉米秸秆b棉杆 颗粒物质量峰值在7级和12级，占颗粒物总质 量50%以上。PM2.5（10级以下）在颗粒物中 所占的比例也随着功率的增加出现10%-20%的 减少。 颗粒物质量几种在7级和12级，7级为积聚膜 态粒子（亚微米），为K2SO4.KCL等碱金属盐 结核、凝聚而成。12级为粗膜态粒子（超微米 ），为Si.Ca等耐高温粒子生成。随着功率增加，PM2.5较少，因为功率增加，温 度升高，颗粒的布朗运动加快，大大增加了相 互撞击的频率，排除后温差大，迅速凝结成大 颗粒。 减少PM2.5的方法: 1.大大
12、提高炉膛燃烧温度。 2.尽量降低排气温度。农业部规划设计研究院/ CAAE3）空气量对颗粒物数量分布影响c 木质a玉米秸秆b棉杆4）空气量对颗粒物质量分布影 响c 木质a玉米秸秆b棉杆空气量对颗粒物分布趋势基本无影响，只改变排放总量。风速增大，过量空气系数越大 ，颗粒物燃烧的更充分，各级颗粒物都相应减少。农业部规划设计研究院/ CAAE。目前，国外对木质颗粒燃料开展颗粒物排放特性研 究，尤其是在颗粒物形成、分布、元素成分等方 面。对于我国秸秆成型燃料，将重点研究有毒成分的聚 集的颗粒物粒径级别，并且根据有毒成分所在 级别研 究如何减少该粒径下颗粒物的生成。农业部规划设计研究院/ CAAE单位基
13、本情况农业农业 部规规划设计设计 研究院农农村能源与环环保研究所，作为农业 部生物质 工程中心、农业 部农业废 弃物能源化利用重点实验 室依托单位。 重点研究领领域： 农业废弃物生产沼气技术及装备研究; 农作物秸秆固体成型燃料成型、高效燃烧技术与装备研究; 秸秆热裂解制取生物炭技术以及生物炭综合开发利用研究; 农村生产生活废水处理及生产能源微藻高新技术研究；农业部规划设计研究院/ CAAE科研项目：承担“十二五”科技支撑项目、国际合作、公 益性行业（农业）科研专项实施科研项目、农业科技成果 转化资金等30项科研项目， 发表论文：100余篇； 授权专利：35项； 获得省部级奖励：6项； 实验室面积： 5017m2 农业部规划设计研究院/ CAAE谢谢！姚宗路 博士/高级工程师 邮箱： 电话：13811216507 单位：农业部规划设计研究院农村能 源环保研究所
