國內外中小型生物質燃燒設備排放標準比較研究

張政清，張 毅，高振強，王 偉，張艷玲，何 芳

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049；2.濰坊博泰能源科技有限公司， 山東 青州 262500)

國內外中小型生物質燃燒設備排放標準比較研究

張政清1，張 毅1，高振強1，王 偉2，張艷玲1，何 芳1

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255049；2.濰坊博泰能源科技有限公司， 山東 青州 262500)

應用中小型生物質燃燒設備進行農村供暖和工農業生產供能，對于我國節能減排、資源有效利用具有重要意義. 制定科學合理的燃燒設備排放標準是生物質燃燒設備行業健康發展的重要保證. 分析了目前歐美及我國生物質燃燒設備的排放標準，對比了生物質和煤燃燒小型設備的排放現狀.研究表明：歐美小規模生物質燃燒設備排放要求較松，且標準體系較完善；我國目前生物質燃燒設備排放標準主要借鑒其他相關標準，且排放要求普遍較高；小型生物質燃燒設備的污染物排放顯著低于相同規模的煤燃燒設備.我國應盡快建立專門針對生物質燃燒設備的排放標準體系，并適當放寬排放要求.

生物質；中小型鍋爐；排放；標準

隨著我國農業結構調整和農村經濟發展，迫切需要解決農產品干燥、農業設施供暖等分布式小型供熱問題. 以糧食干燥為例，目前我國機械化干燥水平僅為10% (日本、韓國為80%～90%)，濕谷物霉變等損失高達5% (發達國家<1%)[1]，急需發展干燥機械及與之配套的小型供熱裝置[2](一般功率<2.8 MW). 我國2/3面積的農業設施(畜禽舍、溫室等)供暖需求也極為迫切. 秸稈是我國主要的生物質資源，每年產出約8.4億t[3]. 應用這些季節性收獲的秸稈滿足農產品干燥和農業設施供暖等用能需求，可以節約優質化石能源、有效利用農業資源、維護農業生態，對促進生物質能源的應用及農業的可持續發展具有重要意義.

Loo對大量生物質燃燒設備總結后指出，應用成型燃料使設備具有自動化程度高、熱效率高、污染排放低等特點，是中小型鍋爐的首選[4]. 近些年，我國研究人員對以成型燃料為主的各類中小型生物質燃燒設備進行了大量的研究和分析[5-11]. 如姚宗路等[7]開發了抗渣生物質固體燃料燃燒器，降低了生物質燃燒的結渣率； 劉圣勇等[9]開發了小型的玉米秸稈捆燒鍋爐，并進行了檢測實驗，發現這種鍋爐燃燒效率高、污染物排放低、工藝簡單.

近年來，由于大氣污染形勢嚴峻，國家對各種鍋爐設備的排放要求越來越嚴格. 2014-2015年，在擬建設120個生物質成型燃料鍋爐供熱示范項目中，明確要求煙塵排放濃度小于30mg/m3，SO2排放濃度小于50mg/m3，NOx排放濃度小于200mg/m3. 10t/h及以上容量的鍋爐應安裝環保部門認可的污染物排放自動監測設備. 生物質鍋爐排放的合理制定是其行業健康發展的重要保證. 然而，過低的標準要求起不到應有的作用，過高的要求則會在一定程度上阻礙技術的推廣. 如何制定合理的標準，目前研究相對較少. 本文擬通過總結和研究歐美及我國中小型生物質鍋爐排放標準，對比生物質鍋爐和燃煤鍋爐的排放現狀，探討我國中小型鍋爐現階段排放標準制定時應注意的問題，以期為相關工作提供參考.

1 歐美中小型生物質燃燒設備排放要求

由于歐美居民以獨立供暖為主，小型生物質燃燒供暖設備需求量較大，在市場作用的推動下已形成產業化[4, 12]. 特別是在歐洲，擁有數百家中小型生物質燃燒設備生產企業[12]. 各國先后制定了各種排放標準[4]，大多標準規定了顆粒物、NOx、SO2、CO的排放，有些增加了VOC和氨等排放的規定. 德國、瑞士等國標準見表1和表2.

歐洲國家排放要求大多根據燃燒設備功率以及燃料種類的不同而有所不同，排放限值較為詳細. 大多數國家對小型生物質鍋爐的排放要求較松，比如瑞士對小于0.02MW的小設備無任何要求. 德國對小燃燒設備主要對顆粒排放物有一定的要求，其余指標均較松. 歐洲大多數國家只對大于2MW的鍋爐才有較為嚴格的要求，而且，標準中各排放指標數值的折算煙氣基準氧濃度常為11%、13%等，顯著高于煤炭燃料燃燒設備常用的6%. 這些表明，歐洲各國生物質燃燒設備的排放標準普遍比煤炭燃燒設備或通用標準要求寬松. 對于小鍋爐采用寬松的排放限值，可以鼓勵企業和用戶開發和使用生物質鍋爐，大大促進生物質燃燒技術的發展和應用. 有些歐洲國家，如挪威等，對現有設備和新建設備的排放限值分別作了詳細的規定. 挪威對小于0.5 MW的小型生物質燃燒設備的排放限值不作規定. 這些措施都使排放限值更加具體細化和完善化.

表1 德國生物質燃燒相關排放限[4]

燃料功率/MWCO/mg·m-3NOX/mg·m-3SO2/mg·m-3顆粒物/mg·m-3秸稈等(13%O2)(BlmSchV)<0.14000-350150秸稈等(11%O2)(TA-Luft5.4.1.3)[0.1,1)25050035050[1,50)25040035020潔凈木質(13%O2)(1.BlmSchV)[0.015,0.05)4000--150[0.05,0.15)2000--150[0.15,0.5)1000--150[0.5,1)500--150潔凈木質(11%O2)(TA-Luft5.4.1.2.1)[1,2.5)150250350100[2.5,5)15025035050[5,50)15025035020廢木(11%O2)(1.BlmSchV)[0.05,0.1)800--150[0.1,0.5)500--150[0.5,1)300--150廢木(11%O2)(TA-Luft5.4.1.2.1)[1,5)15040035050[5,50)15040035020

表2 瑞士生物質燃燒排放限[4]

功率/MW氧濃度/%CO/mg·m-3原木廢木VOC/mg·m-3NOX/mg·m-3氨等/mg·m-3顆粒物/mg·m-3(0.02,0.07]1340001000----(0.07,0.2]1320001000---150(0.2,0.5]131000800---1500.5,113500500---150(1,5]1125025050-30150>51125025050-3050

美國的生物質燃燒設備排放法規不如歐洲完善，對大于9MW的燃燒設備限制較為嚴格，而對較小設備則要求寬松. 美國生物質燃料的使用多集中于東北部各州，且主要以木質燃料為主[13]. 由于木質燃料中S、N的含量較少，因此排放法規側重于對顆粒物和CO排放的控制，對SO2和NOX排放要求較少. 聯邦法規將每年排放大于10t某一污染物或大于25t混合污染物的設備稱為主污染源，低于此排放值的設備稱為區域污染源[14]. 美國聯邦空氣污染物排放部分標準見表3.

表3 美國聯邦空氣污染物排放標準[14-15]

污染源燃料設備類型功率/MWCO/g·MJ-1PM/g·MJ-1主污染源濕生物質窯爐干燥生物質生物質/基于生物質固體燃料傾斜爐排傾斜爐排流化床機組懸浮燃燒器樁式燃燒器燃料電池組混合懸浮爐≥30.860.050.640.050.330.023.40.050.430.010.130.041.510.05區域污染源生物質非季節性或限制性鍋爐3～9-0.01≥9-0.03

注：美國排放限值以磅/MMBtu為單位，表中數據為筆者換算得到

2 國內排放標準情況

國內目前沒有專門針對生物質鍋爐排放的國家標準，根據《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271-2014)中的有關規定，生物質成型燃料鍋爐參照燃煤鍋爐的排放標準. 同時國標還規定了新建鍋爐排放標準以及重點地區特別排放標準. 國內在小型生物質爐具生產行業標準中有對其排放的相關要求. 除了行業標準規定外，某些地方如北京、河北等對小型生物質爐具排放也有各自的地方標準.

表4中列舉了我國目前與生物質燃燒設備相關的一些排放要求，本文也將2014-2015年擬建生物質鍋爐供暖示范項目要求列于表中，以便于對比. 表4中鍋爐排放基準氧含量為9%，小型生物質爐具排放無基準氧含量的規定.

通過對比可以看出，我國生物質燃燒設備排放標準目前還不完善，主要參考燃煤鍋爐的排放標準，沒有依據燃燒設備類型和規模形成體系標準，但總體來說比歐美要求嚴格，特別是對常用中小型燃燒設備. 這些嚴格的要求會在一定程度上影響我國尚不成熟的生物質燃燒設備行業的發展，不利于生物質能的開發和應用.

表4 國內生物質燃燒設備排放限值

數據來源類型功率/kWSO2/mg·m-3NOX/mg·m-3煙塵排放濃度/mg·m-3GB13271-2014在用鍋爐-400550(1)40080新建鍋爐-30030050重點地區-20020030國家行業標準(NB/T34006-2011)生物質爐具<503015050北京地方標準(DB11/T540-2008)生物質爐具(中心城區)生物質爐具(中心城區外)<5020150103015030河北地方標準(DB13/T1407-2011)生物質爐具<505015050國能新能[2014]295號供暖示范≥70005020030

注：(1)位于廣西壯族自治區、重慶市、四川省和貴州省的燃煤鍋爐執行該限值

3 國內外現有生物質燃燒設備排放情況及與小型煤爐對比

3.1 國外生物質鍋爐排放現狀

Williams[16]總結了世界各國生物質燃燒設備排放情況，如表5 所示. 從表5中可以看出，采用成型燃料燃燒的鍋爐以及稍大規模帶有除塵設備的鍋爐，可以大大減少顆粒物以及未完全燃燒氣體的排放. 小型燃燒設備CO排放值較高，這是由于碳的未完全氧化導致的.

表5 生物質燃燒的大致排放水平[16]

設備種類和功率燃料NOX/mg·m-3顆粒物/mg·m-3烴/mg·m-3CO/mg·m-3折算O2/%農戶爐灶木質100～5005000100250～90011戶用鍋爐(2～10kW)鋸片芒草100～50020～100102506成型鍋爐(2～25kW)成型燃料100～500201020011固定床(20kW～2.5MW)生物質150～40011013011移動床(150kW～15MW)秸稈15011015011流化床(100MW)生物質150515511混燒爐(1GW)生物質250150.11006

2009年美國北部各州協調大氣利用管理組織和相關協會[13]對美國生物質鍋爐進行了檢測，測出的主要排放物濃度如表6所示.

表6 美國對大量生物質鍋爐排放的檢測結果

污染物測試次數排放限值/lb·MMBtu-1換算值/mg·MJ-1PM2.5310.12～1.9550～838NO2450.11～0.4347～184CO440.04～2.2717～936

注：排放限值是以lb/MMBtu為單位，筆者根據原數據進行了換算.

3.2 國內生物質燃燒設備排放現狀

我國生物質鍋爐排放數據較少，本文收集列舉了部分文獻中的數據[17-19]，如表7所示. 本文作者于2015年12月份檢測了山東師范大學歷山學院7MW生物質熱水鍋爐；于2016年5月份檢測了濰坊博泰能源科技有限公司4kW小型生物質供暖爐和1MW生物質山楂食品干燥爐的排放. 設備如圖1所示. 檢測設備均采用德國ecom-J2kn型煙氣分析儀，經多次檢測，平均結果列于表7中.

從表7可以看出，我國小型生物質燃燒設備的排放并不明顯比國外高或超出國外排放限值，這是由生物質本身低硫低氮的成分特性決定的.

表7 中國小型生物質鍋爐排放情況

功率原料SO2/mg·m-3NOX/mg·m-3煙塵/mg·m-3CO/mg·m-3數據來源1.4MW2.1MW木質1731436-秸稈10637819-木質1414440-秸稈196303110-文獻[17]8kW秸稈15138-1250文獻[18]1.4MW1.4MW木質1514542-秸稈10538718-木質1832435-秸稈189312110-文獻[19]4kW1MW7MW木質顆粒<1542551200木質顆粒<1818960310木質顆粒-30737224本文作者檢測數據

(a)4kW生物質燃燒爐 (b) 7MW生物質供暖鍋爐圖1 4kW和7MW生物質燃燒設備

3.3 小型生物質鍋爐和煤爐排放對比

我國傳統小煤爐應用較多，特別是農業生產用能和北方農村地區冬季家庭供暖. Wang等[20]的研究表明，采用柳林煤和臨汾煤的傳統小煤爐(10kW以下)的SO2排放可高達1 300mg/m3和1 200mg/m3，NOx排放約為100mg/m3，數據見表8. Mitchell等[21]對比了采用同樣的小型固定床燃燒設備，波蘭煤和生物質的排放情況，結果也列于表8中. 表7中4kW、8kW小型生物質爐排放值和表8中數據對比表明，小型煤爐的SO2排放遠高于生物質爐，NOx排放也相對偏高.

表8 小型燃煤和燃生物質設備排放情況對比表

原料SO2/mg·m-3NOX/mg·m-3煙塵/mg·m-3CO/mg·m-3備注柳林煤1300105--臨汾煤1200100--中國傳統小煤爐波蘭煤-1622942990壓塊松木-321162400英國小燃燒裝置

煤的大型燃燒已經非常成熟，輔以各種煙氣處理設備，可以實現高效率、低排放燃燒. 然而，對于小型燃煤設備，煙氣處理設備結構復雜、價格高、運行費用高，目前難以推廣. 和煤相比，小型生物質鍋爐排放明顯低，特別是SO2的排放. 而且生物質在農村的分散應用會大大降低收集、運輸、儲存成本. 因此，國家可以制定相關政策，鼓勵農村小型供熱、供能設備采用生物質燃燒的方式，用來代替小型燃煤設備，這樣可以大大降低環境污染.

4 結束語

通過總結分析歐美及我國生物質燃燒設備排放標準、對比小型生物質和燃煤燃燒設備的排放現狀可知：歐美排放標準多根據設備規模大小不同而有所不同， 越小規模的設備，排放要求越松；目前我國生物質燃燒設備排放標準不完善，主要借鑒其他相關標準，排放要求普遍較高，不利于中小型生物質燃燒技術的發展和應用；生物質燃燒設備的顆粒物、NOx、SO2等的排放相對低于燃煤燃燒設備.

生物質燃燒應用對我國節能減排和農村可持續發展都具有重要意義. 為了發展我國中小型生物質燃燒設備行業，根據我國現有技術情況應當完善并適當放寬中小型燃燒排放標準，根據設備規模及可能采取的排放措施，制定合理的顆粒物、SO2、NOx及CO的排放限值.

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(編輯：郝秀清)

A comparative study on domestic and foreign emission standards for small-to-medium sized biomass combustion equipments

ZHANG Zheng-qing1, ZHANG Yi1, GAO Zhen-qiang1,WANG Wei2, ZHANG Yan-ling1, HE Fang1

(1. School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China; 2. Weifang Botai Energy Company Limited, Qingzhou 262500, China)

The utilization of small-to-medium sized biomass combustion equipments for energy and heat supply in rural China is of great significance for energy saving, emission reduction and efficient utilization of natural resource. Related emission standards would promote the efficient development of the combustion technology. In this paper, the emission standards of biomass boilers in European countries and the United States are analyzed, and the emissions from biomass and coal of small-scale combustion equipments are compared. Results show that: 1) Emission limits vary with equipment size in European standards. The smaller size of boiler is, the looser requirements of the emissions limits are. 2) Emission limits of small-to-medium sized biomass combustion equipment are not well established in China, which mostly referred to the other related standards and are quite strict. These strict limits would hinder the development of biomass combustion technology. 3) Emissions of PM, NOX, and SO2from small size boilers of biomass are significantly lower than that from coal.

biomass; small-to-medium sized combustion equipments; emission; standards

2016-08-24

國家自然科學基金項目(51676115)

張政清，男，zzqdyx@163.com； 通信作者：何芳，女，hf@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)05-0012-06

TK16

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