典型農(nóng)林廢棄物不同燃燒方式下污染物排放特征研究

張嘯樂，駱仲泱，王昕，余春江

（浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

0 引 言

生物質(zhì)作為第四大能源，應(yīng)用十分廣泛[1]，但其燃燒過程排放出氣體及顆粒物影響人類健康，與多種急性呼吸道疾病有關(guān)，如哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺纖維化、肺炎和肺癌[2]。空氣污染（環(huán)境和家庭）是人類健康的主要威脅之一，增加了肺部和心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)，并導(dǎo)致全球約700 萬人過早死亡[3]。生物質(zhì)燃燒是大氣中一次性碳顆粒的最大來源，是痕量氣體的第二大來源[4]。除了對健康的影響外，生物質(zhì)燃燒還將影響全球氣候，排放顆粒物中的碳黑是次于二氧化碳的氣候變暖貢獻(xiàn)的主要成分之一[5]。生物質(zhì)燃燒，包括露天焚燒（野火），民用爐灶燃燒和工業(yè)鍋爐燃燒[6-7]。我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年有大量秸稈產(chǎn)生，這些廢棄物主要用于鍋爐燃燒，部分被用作炊事和民用供熱，還有部分就地農(nóng)田焚燒，產(chǎn)生大量空氣污染物。2016—2018 年期間,我國發(fā)生森林火災(zāi)4157 起，年均森林火災(zāi)受害率達(dá)0.83%，居世界首位[8]。研究表明，生物質(zhì)燃燒已成為大氣顆粒物的重要來源[9-12]。

王俊芳[13]等對露天焚燒時(shí)燃燒狀態(tài)及含水量對排放因子的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)顆粒物和CO 的排放因子均與秸稈含水量呈正相關(guān)關(guān)系，且燜燒大于明火。王艷妮[14]針對貴州省戶用生物質(zhì)爐進(jìn)行了多種生物質(zhì)燃燒實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)探究了含水量對排放因子的影響。唐喜斌[15]對露天焚燒和家用爐灶的污染物排放因子進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)家用爐灶的排放因子大于露天焚燒。生物質(zhì)全球排放清單的數(shù)據(jù)多側(cè)重單一燃燒方式，或僅針對少數(shù)空氣污染物，使用這樣的清單進(jìn)行氣候建模研究將導(dǎo)致一定程度的不確定性[16]。大量研究將排放因子的變異性歸因于爐型、燃料類型、含水量、燃料來源等因素，這使得不同研究結(jié)果間難以進(jìn)行直接比較。本論文使用代表北方農(nóng)村家庭使用的生物質(zhì)樣品在不同的燃燒方式下燃燒的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，研究燃燒條件對CO、SO2、NOX和顆粒物排放的影響。量化了在不同燃燒條件下燃燒相同燃料對污染物排放的影響，并研究了在相同條件下燃燒不同燃料的情況，較為系統(tǒng)地說明不同污染物與不同控制因素的相關(guān)性，為制定污染物排放相關(guān)政策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

露天焚燒及家用爐灶實(shí)驗(yàn)在煙塵罩實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1(a)所示。煙塵罩設(shè)計(jì)尺寸為1.5m×1.5m，下端距地面1.5m。燃燒升降臺在0.28m 至1m 高度范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。農(nóng)林廢棄物焚燒產(chǎn)生的煙氣被煙塵罩抽吸進(jìn)入管道中，經(jīng)過足夠長的煙氣管道充分混合后由采樣槍等速采樣，經(jīng)稀釋后，通入Dekati PM10 撞擊器分粒徑收集至石英膜上。同時(shí)，煙氣組分通過Fodisch MCA14 煙氣分析儀進(jìn)行檢測和記錄。工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)在自主設(shè)計(jì)的沉降爐[17]中模擬進(jìn)行，沉降爐系統(tǒng)見圖1(b)所示，在800～1000℃時(shí)模擬工業(yè)鍋爐[18]，在600℃時(shí)研究溫度對污染物排放的影響。煙氣分析儀和Dekati PM10 撞擊器對稀釋后的尾部煙氣進(jìn)行煙氣組分的檢測和記錄以及不同粒徑顆粒物的采集。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 燃料特性及燃燒實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原料選取典型農(nóng)林廢棄物水稻、小麥、玉米和楊木。露天焚燒和家用爐灶實(shí)驗(yàn)選用原生秸稈和楊木條，工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)將上述燃料破碎篩分后選取80～120 目（0.125～0.180mm）的生物質(zhì)顆粒用于實(shí)驗(yàn)。各燃料的工業(yè)分析與元素分析如表1 所示，由浙江大學(xué)分析測試中心測定。

表1 燃料的工業(yè)分析和元素分析

通過對高水分秸稈進(jìn)行不同程度的烘干制取不同含水量的秸稈。風(fēng)干時(shí)各類燃料含水量為9.68%～10.4%（表中統(tǒng)一寫作10%），烘干時(shí)秸稈含水量為0%，加濕含水量為14.7%。

露天焚燒實(shí)驗(yàn)中堆放方式分為堆垛和平鋪。家用爐灶選用無鼓風(fēng)的燃燒狀態(tài)較差的爐灶，燃料量分為500g 和1000g 兩個(gè)工況，燃料均勻放入家用爐灶中。工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)中過量空氣系數(shù)通過調(diào)整一二次風(fēng)量實(shí)現(xiàn)，燃燒溫度通過調(diào)整沉降爐溫度控制實(shí)現(xiàn)三種燃燒方式的工況設(shè)置見表2，每個(gè)工況進(jìn)行2-4 次實(shí)驗(yàn)。

表2 實(shí)驗(yàn)工況表

1.3 測試及計(jì)算方法

采用Dekati PM10 撞擊器將顆粒物收集在石英膜上。通過撞擊器的煙氣額定流速控制在30L/min，撞擊器前所有管路均采用加熱保溫，以避免水蒸氣冷凝導(dǎo)致的顆粒物損失。使用Fodisch MCA14 煙氣分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)煙氣組分分析。采樣前后的石英膜均在恒溫恒濕室中靜置至少24 小時(shí)后再進(jìn)行稱量，可以有效避免環(huán)境因素干擾。

排放因子的計(jì)算公式如下：

式中：EFi為物質(zhì)i的排放因子，g/kg；Mi為物質(zhì)i的排放總質(zhì)量，g；Mf為燃料的燃燒總質(zhì)量，kg；T為燃燒總時(shí)間，s；Q為稀釋管道內(nèi)流量，m3/s;Ci為對應(yīng)時(shí)間t內(nèi)污染物質(zhì)量濃度，g/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物及氣態(tài)污染物排放因子

表3 為三種燃燒方式不同燃料在不同工況下的污染物排放因子數(shù)據(jù)及修正燃燒效率MCE值。通過對比不同燃燒方式顆粒物排放因子可以發(fā)現(xiàn)，露天焚燒＞家用爐灶＞工業(yè)鍋爐。多項(xiàng)研究證明[9,11,19,20]，燃燒時(shí)外側(cè)秸稈燃燒后的不可燃灰分覆蓋在未燃燒秸稈表面，阻礙了燃料與氧氣的接觸；同時(shí)開闊的環(huán)境導(dǎo)致熱量散失，燃燒溫度降低，兩者共同作用導(dǎo)致的燜燒狀態(tài)會使露天焚燒排放因子顯著增大。而在工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)中，燃燒溫度和氧氣含量的穩(wěn)定性都遠(yuǎn)優(yōu)于露天焚燒及家用爐灶，因此工業(yè)鍋爐顆粒物排放因子最優(yōu)。

表3 污染物排放因子總表

四種燃料中，露天焚燒及家用爐灶實(shí)驗(yàn)中水稻秸稈的顆粒物排放因子最高，玉米秸稈最小，原因在于水稻秸稈直徑較小，堆放間隙小，堆積密度高[21]，玉米秸稈直徑遠(yuǎn)大于其他農(nóng)作物秸稈，堆放間隙大，與環(huán)境空氣接觸面積大；工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)中楊木顆粒物排放因子最高，達(dá)0.78～3.03g/kg。

通過不同燃燒方式CO 排放因子對比可以看出，三種燃燒方式中，家用爐灶CO 排放因子最大，露天焚燒次之，工業(yè)鍋爐最小。該順序與顆粒物排放因子順序不同，但與MCE 規(guī)律一致。原因可能是盡管爐膛燃燒溫度高于露天焚燒，但未使用鼓風(fēng)設(shè)備的家用爐灶爐膛氧氣量極端不足，所以碳氧化物被迫以CO 的形式存在[22]。四種燃料中，小麥的CO 排放因子最大。

圖2 中顯示了四種燃料類型的MCE 顆粒物CO2及CO 排放因子分布，所有燃料的MCE 值在0.808 到0.975 之間，這些數(shù)值符合前人研究結(jié)論[23-25]。CO 顆粒物排放因子均表現(xiàn)出與MCE 存在良好的相關(guān)性，顆粒物和CO 呈負(fù)相關(guān)性，這在之前的研究中也得到了證實(shí)[23-25]。CO 排放因子值對燃燒條件高度敏感，當(dāng)同一燃料的MCE 值從0.81～0.97 變化時(shí)，會有一個(gè)數(shù)量級的增長。

圖2 四種燃料排放因子箱線圖

2.2 顆粒物及氣態(tài)污染物排放因子影響因素

2.2.1 露天焚燒

露天焚燒實(shí)驗(yàn)的控制因素為堆垛方式和秸稈含水量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燃料烘干降低含水量可以有效降低顆粒物總排放因子，這與多項(xiàng)研究結(jié)果吻合[9,19]。可能是由于隨著濕度升高,需要更多的熱量使秸稈樣品中水分揮發(fā),導(dǎo)致峰值燃燒溫度和整體燃燒溫度降低，提高燜燒階段在燃燒過程的占比[9,26]。

對于農(nóng)作物秸稈，堆垛的排放因子大于平鋪，且堆放方式對顆粒物總排放因子的影響大于含水量。林業(yè)廢棄物楊木的堆垛烘干工況的顆粒物總排放因子小于平鋪風(fēng)干工況，意味著對于楊木，含水量的影響要大于堆垛方式。原因是楊木條密度較高，形成的堆垛體積遠(yuǎn)小于其他燃料，未接觸環(huán)境空氣的燃料占比小于其他燃料；楊木條較其他原生秸稈灰分含量較低，絕大部分燃料燃燒后以氣體形式揮發(fā)，少量的灰分無法充分覆蓋剩余燃料以隔絕環(huán)境氧氣。以上兩個(gè)原因?qū)е露逊欧绞綄钅绢w粒物排放因子的影響減小，含水量成為影響顆粒物排放因子的主要因素。

圖3 為露天焚燒各粒徑顆粒物及CO 排放因子規(guī)律，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，堆垛時(shí)，粒徑小于1μm的顆粒物比例小于平鋪時(shí)，粒徑1～2.5μm 的顆粒物比例大于平鋪時(shí)。這說明在惡劣的燃燒工況下，即存在燜燒時(shí)，更傾向于產(chǎn)生較大粒徑的顆粒物。王俊芳[13]的研究雖然未分析該規(guī)律，但其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同樣支持該結(jié)論。

圖3 露天焚燒各粒徑顆粒物及CO 排放因子規(guī)律圖

對露天焚燒不同燃燒工況下CO 排放因子進(jìn)行定性分析可以發(fā)現(xiàn)，其排放規(guī)律與顆粒物基本吻合，即堆垛時(shí)CO 排放因子大于平鋪，烘干時(shí)CO 排放因子小于風(fēng)干時(shí)。

綜上所述，露天焚燒方式下，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注提高秸稈堆積松散程度，降低秸稈含水量，以提高燃燒溫度，減小燜燒，最終減少污染物排放。但這在野外環(huán)境中是很難做到的，因此露天焚燒也被國家政策嚴(yán)令禁止。

2.2.2 家用爐灶

圖4 為家用爐灶顆粒物排放因子與燃料量的關(guān)系。燃料量增加時(shí)，PM1 占比降低，粒徑1～2.5μm 的顆粒物占比增加。隨著燃料量的增加，顆粒物及氣態(tài)污染物 CO、NOX的排放因子增加，SO2的排放因子減小。這與MCE 表征的未完全燃燒程度的變化規(guī)律一致。

圖4 家用爐灶各粒徑顆粒物及CO 排放因子變化圖

綜上所述，家用爐灶燃燒方式中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注爐膛中的含氧量。在使用時(shí)設(shè)定合適的給料量，在保障保溫效果的同時(shí)提高配風(fēng)和爐膛過量空氣系數(shù)，能有效改善家用爐灶燃燒[27]。

2.2.3 工業(yè)鍋爐

如圖5 所示，工業(yè)鍋爐在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的工況范圍內(nèi)，顆粒物總排放因子隨著溫度的上升、過量空氣系數(shù)的提高而降低。過量空氣系數(shù)達(dá)到1.3之后，爐膛內(nèi)氧氣量飽和，提高過量空氣系數(shù)對燃燒狀況的改善減小，對各粒徑顆粒物排放因子的影響減弱[28]。通過方差分析可以得出，在工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)中，溫度對顆粒物排放因子影響最大，過量空氣系數(shù)次之，含水量最小。

圖5 顆粒物排放特性

溫度、過量空氣系數(shù)會對CO 排放因子產(chǎn)生顯著的負(fù)向影響關(guān)系。而含水量并不會對CO 排放因子產(chǎn)生顯著影響關(guān)系。這是由于工業(yè)鍋爐燃燒時(shí)，爐膛內(nèi)溫度、氧氣含量比較穩(wěn)定，燃料的含水量對燃燒溫度的影響較小，從而導(dǎo)致含水量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較小。

綜上所述，工業(yè)鍋爐燃燒方式中，過量空氣系數(shù)應(yīng)控制在1.3 以上，溫度在設(shè)定工況內(nèi)越高越好。在保證爐膛內(nèi)參數(shù)穩(wěn)定的情況下，燃料的含水量對燃燒狀態(tài)的影響并不顯著。

3 結(jié)論

(1) 多種農(nóng)林廢棄物平均顆粒物排放因子排序?yàn)椋郝短旆贌炯矣脿t灶＞工業(yè)鍋爐。四種燃料中，露天焚燒及家用爐灶實(shí)驗(yàn)中水稻秸稈的顆粒物排放因子最高，工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)中楊木顆粒物排放因子最高。

(2) 多種農(nóng)林廢棄物平均CO 排放因子排序?yàn)椋杭矣脿t灶＞露天焚燒＞工業(yè)鍋爐。四種燃料中，小麥的CO 排放因子最大，SO2和NOX排放因子未呈現(xiàn)顯著規(guī)律。

(3) 總體而言，顆粒物及CO 排放因子隨燃燒溫度的上升，含水量的減小，過量空氣系數(shù)的增大而減小，且堆垛時(shí)大于平鋪時(shí)。當(dāng)燃燒狀態(tài)趨于惡劣時(shí)，細(xì)顆粒物（粒徑小于1μm）占比會下降，粗顆粒物占比會上升。CO 排放因子的變化規(guī)律與顆粒物相反。

(4)在工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)設(shè)定工況范圍內(nèi)，溫度對顆粒物及CO 排放因子的影響最大，過量空氣系數(shù)次之，含水量最小。溫度和過量空氣系數(shù)對CO 排放因子變化的貢獻(xiàn)可達(dá)74.7%～91.7%。CO顆粒物排放因子均表現(xiàn)出與MCE 值存在良好的相關(guān)性，顆粒物和CO 呈負(fù)相關(guān)性