清華大學建筑技術科學系  鄧夢思  張雙奇 單明 楊旭東

       【摘   要】我國每年可利用的生物質資源約4.96億tce，但很大一部分被露天焚燒或廢棄，造成了嚴重的資源浪費和環境污染。戶用生物質成型燃料炊暖爐具在農村的應用是解決這些問題的主要途徑之一。本文對一種高自動化的生物質成型燃料炊暖爐進行了測試，選取了秸稈顆粒、稻殼顆粒和木質顆粒三種常用的生物質燃料作為測試燃料，研究了這種爐具的污染物排放特性，并將其與現有一些爐具的測試結果進行了對比。結果表明所測爐具燃燒稻殼和木質顆粒的排放比秸稈低，但三種燃料的NOx的排放均較高，且排放濃隨燃料中氮元素含量的升高而升高。所測爐具的污染物排放因子低于現有很大一部分爐具排放因子的1/3，具有較廣闊的應用前景。

       【關鍵詞】生物質成型燃料；炊暖；碳平衡方法；排放濃度；排放因子

1 我國生物質資源利用概況

       我國是農業生產大國，農作物秸稈、禽畜糞便和林業薪柴等生物質資源豐富。根據相關統計數據，我國每年產生的生物質資源總量約7.73億tce，其中可利用量約4.96億tce，能完全滿足農村2.57億tce的非電生活用能^[1] 。這些生物質資源大多集中在東北、華北和長江流域中上游地區農林業較發達的省份，是農村主要的用能選擇之一。

       目前，我國生物質資源的利用率還較低，每年大約30%左右的秸稈被露天焚燒或廢棄，造成了嚴重的資源浪費、環境污染和生態破壞 ^[1,2]。隨著近些年北方地區散煤治理的進行，生物質在炊事和采暖中的應用越來越受到關注^[3,4]。但傳統生物質炊事采暖利用方式，如火炕粗放燃燒，仍會帶來較嚴重的污染排放，無法體現生物質的清潔特性^[5,6]。生物質成型燃料炊暖爐作為一種清潔高效的生物質炊事和采暖設備，將會是農村地區清潔利用生物質的主要選擇。

       市場上現有的生物質成型燃料采暖爐多為引火柴點火和手動加料設計，需要用戶頻繁填料看火，操作繁瑣。因此，能自動點火加料并能適應多種燃料的新型生物質爐具才能逐漸成為滿足用戶需求的設備。研究該種爐具的排放特性，對于爐具性能優化和節能減排效果評估具有重要作用。

2 生物質成型燃料爐具和測試燃料

       2.1 生物質成型燃料爐具介紹

       本研究對一種燃燒生物質顆粒燃料的炊暖爐具的排放性能進行了測試。這種爐具是清華大學根據北方地區用能特點設計的，為強制通風爐具，其一、二次風分別由一、二次風風機提供。該爐具采用氮化硅陶瓷進行自動點火，并通過往復爐排實現自動進料，產生的高溫煙氣經過多回程煙道與水冷壁傳熱產生供暖熱水（圖1）。此外，爐具爐膛上方有一圓形開口可進行炊事活動，能同時滿足農戶炊事和采暖需求，并通過調節進料量來滿足不同熱負荷要求。

(a)生物質顆粒燃料炊暖爐結構簡圖    (b)生物質顆粒燃料炊暖爐外觀圖
圖1 生物質顆粒燃料炊暖爐結構簡圖和實物圖

       2.2 測試燃料

       測試采用的燃料是三種常用的生物質成型燃料：（玉米）秸稈顆粒、稻殼顆粒和木質顆粒。顆粒的直徑約6mm，長度約30mm，其收到基的工業分析和成分分析結果見表1。生物質普遍具有較高的水分和揮發分含量和較低的固定碳含量。測試的三種顆粒燃料中，木質顆粒的灰分比其他兩種燃料的灰分含量低很多。

表1 三種生物質顆粒燃料的收到基工業分析和成分分析結果

3 測試系統和數據分析

       3.1 測試系統

       常用的爐具排放測試方法主要有全收集法和碳平衡法^[7]。相較于全收集，碳平衡法只需要采集一部分氣體即可進行后續分析，故本研究采用采樣較為靈活的碳平衡法并組建了相應的測試系統。如圖2所示，煙氣中的氣態污染物（如CO，NOX和SO2）和溫室氣體CO2濃度是由煙氣分析儀（Testo 350; Testo Inc; Schwarzwald, Germany）直接采集煙囪中的煙氣進行分析獲得。由于煙氣中顆粒物排放濃度太高，為保證儀器正常運行，本研究采用了一套稀釋系統來進行PM2.5的測試，一定量的空氣經泵鼓出，經過高效過濾器（HEPA）后變為不含顆粒物的干凈空氣，其流量通過流量計和閥門進行調節，這部分空氣與一定比例的煙氣在管道中混合，混合均勻后的氣體進入粉塵儀（DustTrak 8530; TSI Inc; Shoreview, MN）進行PM2.5濃度檢測。試驗所用粉塵儀采用激光散射法對顆粒物濃度進行實時測試，并通過后端濾膜盒放置的37mm特氟龍濾膜采集PM2.5重量來對實時數據進行校準。濾膜在使用前后均放置在恒溫恒濕超凈室中平衡24小時后進行稱重。所有儀器在使用前均進行校零和濃度校準。

圖2 煙氣測試系統簡圖

       3.2 測試程序

     測試前，將采樣管插入煙囪中心處，正對煙氣來流方向。當炊暖爐運行穩定時開啟測試系統。每種燃料測試三次，每次測試時長為一個小時。雖然生物質顆粒燃料的能量密度與其原料相比有了很大提高，但與煤相比仍然較低^[8]，而且爐排面積較小，所以在一個小時內爐具將出現多次進料動作。因此，測試周期保持了多個完整的進料和燃燒過程，避免了短期采樣過程中容易遇到的采樣物濃度隨時間變化的問題。

       3.3 數據分析

       由于不同燃料燃燒產生煙氣量不同和同一燃料在不同燃燒階段所需空氣量不同，使得不同測試在不同時間段爐具產生的煙氣量有所差異。為了對比的直觀和準確，所有測得的污染物濃度均按照9%基準含氧量狀態下的濃度進行折算（其中CO為體積濃度，其余物質為質量濃度）^[9]。

       式中 c 為9%基準含氧量下的污染物濃度(mg/m³);c′是儀器測得的污染物濃度(mg/m³);φ(o₂) 是測得的煙氣氧含量（%）; φ′(o₂) 是基準含氧量（9%）。

       排放因子則通過碳平衡方法計算獲得。該方法認為燃料中的碳燃燒后在煙氣中全部以CO和CO₂的形式存在，忽略了濃度很低的氣態碳氫化合物、碳氧化合物和顆粒物中的碳元素，這種簡化計算導致的誤差小于4%，對結果的影響很小^[9]。

4 結果分析

       4.1 排放濃度

       通過對測得的排放濃度進行統一轉換后，得到了測試爐具燃燒秸稈顆粒、稻殼顆粒和木質顆粒三種燃料排放的煙氣在9%含氧量下的污染物排放濃度，并與測試標準中規定的排放限值進行了對比。圖3直觀反映了對比結果，箱型上下邊線分別表示最大值和最小值，內部短橫線代表平均值，誤差線代表標準差，紅色虛線表示排放限值。

       木質顆粒在所測爐具中燃燒排放的CO濃度最低，為0.02%±0.01% （平均值±標準差），秸稈顆粒和稻殼顆粒的CO濃度平均值均為0.05%。三種燃料燃燒排放的CO濃度均很低，說明生物質成型燃料在所測爐具中燃燒較為充分，燃燒效率較高。三種燃料測試結果表明測試爐具不論燃燒何種生物質成型燃料，其CO排放都較低。

       PM2.5因其復雜的成分和對人體肺部和心血管系統等的影響，是固體燃料燃燒過程中最受到關注的產物。稻殼顆粒燃燒的PM2.5排放濃度最低，為31.1±0.8 mg/m³，其次為木質顆粒，PM2.5排放濃度為39.0±8.8 mg/m³。秸稈顆粒燃燒排放的PM2.5濃度是稻殼顆粒和木質顆粒的四倍左右，這和秸稈疏松的結構和莖葉混合燃燒以及更高的灰分含量有關。圖3表明，采暖爐燃燒稻殼、木質等結構較緊實和成分較均勻的生物質容易獲得較好的PM2.5排放結果，而燃燒秸稈容易導致PM2.5排放較高。因此，改善采暖爐結構使之能更清潔地燃燒秸稈顆粒是接下來生物質爐具設計和改進的重要任務。

圖3 三種生物質顆粒燃料的污染物排放濃度

       由于生物質的含氮量較高，其燃燒產生的NOx較多。圖3所示三種顆粒燃料在炊暖爐中燃燒所排放的NOx濃度均較高，隨著三種燃料氮含量的增加而增加。木質顆粒氮含量很低，但是其煙氣中仍然有較高濃度的NOx，這些NOx基本都為熱力型氮，即高溫下空氣中的氮氣反應生成的NOx，這反映出爐膛內可能存在局部高溫，促進了NOx的生成。要想獲得較低的NOx排放，不僅需要較低氮含量的燃料，還需要合理的爐膛結構，盡量避免爐膛高溫。不同于大型鍋爐，小型戶用采暖爐末端沒有NOx處理裝置，使得NOx排放濃度比大鍋爐偏高。

       由于生物質含有一定量的硫，所以燃燒會生成SO₂。稻殼顆粒和木質顆粒的SO₂排放濃度分別為10.6±5.4 mg/m³和7.5±10.7 mg/m³，排放濃度低。秸稈顆粒燃燒SO₂排放濃度為67.3±14.8 mg/m³，為稻殼顆粒和木質顆粒的7倍左右，這和秸稈中較高的硫含量有關系。

       4.2 排放因子

       排放因子是衡量爐具排放情況的另一個指標，是計算排放總量的基礎。測試的炊暖爐燃燒三種生物質顆粒燃料的污染物排放因子如表2所示。由于三種燃料成分有差異，單位質量燃料排放因子并無法得出直觀的對比結果。考慮到三種燃料是在同種爐具中燃燒，爐具平均熱效率為81.5%，因此引入了單位有效熱值排放因子來比較不同燃料的排放特性。

       秸稈顆粒燃燒的單位有效熱值的CO、PM_2.5、NOx和SO₂排放因子均是三種燃料中最高的，其次為稻殼顆粒。木質顆粒燃料除了PM_2.5排放因子略高于稻殼顆粒外，其余污染物的排放因子均比稻殼顆粒低。這說明每燃燒單位熱值的燃料，木質顆粒排放的污染物最少，秸稈的污染物排放最嚴重。

表2 三種生物質顆粒燃料的污染物排放因子（平均值±標準差）

    相比于現有的一些燃燒生物質顆粒燃料的爐具，本文中測試爐具的單位有效熱值的CO和PM_2.5排放因子要低得多，低于這些爐具單位有效熱值排放因子的1/3^[11,12]，因此所測爐具在排放性能方面要優于現在使用的許多爐具。

5 結論

       本文通過對一種自動化程度高的新型爐具進行了測試，采用了三種常見的生物質成型燃料（秸稈顆粒、稻殼顆粒和木質顆粒）作為測試燃料，探究了被測試爐具燃燒不同燃料的污染排放特性。通過數據分析，可以得出以下結論：

       1）所測炊暖爐燃燒三種生物質成型燃料的排放中，木質顆粒排放最低，其次為稻殼顆粒，這兩種燃料的CO、PM_2.5和SO₂排放濃度均較低。秸稈顆粒的排放最高，除CO濃度與其他兩種燃料相比相差不大外，其余污染物排放濃度均遠遠高于稻殼和木質顆粒。因此，爐具燃燒稻殼、木質顆粒這類成分較均勻和結構較緊密的生物質成型燃料容易得到較低的排放，而燃燒秸稈顆粒則排放較高。在今后爐具開發和改進中，研究燃燒秸稈能得到低排放的爐具是重要一步。

       2）生物質燃料燃燒排放的NOx較高，本文所測試的三種成型燃料的NOx濃度均較高。盡快木質顆粒含氮量極低，但高溫燃燒產生的熱力型氮產生了一部分NOx，因此生物質爐具應避免爐膛出現高溫區域。此外，戶用生物質爐具末端一般未設置NOx去除裝置，加之燃料中較高的含氮量，所以戶用生物質爐具排放的NOx比有末端處理裝置的大鍋爐高。

       3）所測試炊暖爐的排放因子要比現存的許多燃燒生物質顆粒的爐具低，低于這些爐具排放因子的1/3，說明所測炊暖爐的排放性能較好，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。