PDF《生物质固体成型燃料燃烧颗粒物的数量和质量分布特性》

第29 卷第19 期农业工程学报Vol.

29 No.19

2013 年10 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct.

2013 185 生物质固体成型燃料燃烧颗粒物的数量和质量分布特性 张永亮 1,2 ,赵立欣

1 ,姚宗路

1 ,田宜水

1 ,孟海波

1 ,张学敏

2 (1. 农业部规划设计研究院,农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京 100125;

2. 中国农业大学工学院,北京 100083) 摘要:针对中国生物质固体成型燃料燃烧过程中排放的颗粒物粒径分布不清、燃烧功率和空气量对颗粒物分布 影响不明等问题,该文在生物质燃烧试验平台上,采用低压电子冲击仪(electrical low pressure impactor)设备, 对玉米秸秆、棉杆、木质等

3 种固体生物质成型燃料分别开展了燃烧颗粒排放研究,重点研究了

3 种生物质成型 燃料在不同功率下和不同空气量下的颗粒物的数量和质量分布.试验结果表明,3 种燃料的颗粒物的数量峰值主 要集中在 4~7 四级,占颗粒物总数量的 70%以上;

颗粒物质量峰值在

7 级和

12 级,占颗粒物总质量的 50%以上. 随着功率增加,颗粒物排放量先减小后增大,大粒径颗粒物增多,在14 kW 时颗粒物排放最少.随着空气量的增 加,分布趋势不变,颗粒物总量减少.该研究为中国生物质固体成型燃料的颗粒物排放法规的制定提供参考. 关键词:燃料,颗粒物,排放控制,生物质,分布 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.19.023 中图分类号:S216.2 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2013)-19-0185-08 张永亮, 赵立欣, 姚宗路, 等. 生物质固体成型燃料燃烧颗粒物的数量和质量分布特性[J]. 农业工程学报, 2013, 29(19):185-192. Zhang Yongliang, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Distribution characteristics of number and mass for particulate emission of biomass solid fuel combustion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 185-192. (in Chinese with English abstract)

0 引言中国具有丰富的农作物秸秆, 每年可收集秸秆总 量达 6.87 亿t, 约2.15t 吨秸秆被焚, 其焚烧所释放的 颗粒物造成了严重空气污染[1-2] . 空气中的颗粒物微粒 主要以核模态、 积聚模态和粗粒子模态3种模态存在, 其空气动力学直径在 0.01~10 μm 之间[3-5] .据统计, 中国大气颗粒物污染主要源于煤炭和农作物燃烧、 扬尘、车辆排放等,其中煤炭和农作物燃烧约占总 颗粒物的 30%[6-7] . 生物质固体成型燃料是通过专门设备将秸秆、 稻壳、 木屑等农业废弃物压缩成特定形状来增加其密度 的固体燃料,具有高效、洁净、点火容易、CO2 零排 放等优点,可替代煤炭等化石燃料应用于炊事、供暖 等民用领域和锅炉燃烧、发电等工业领域[8-9] . 对于固体生物质燃料燃烧后的颗粒物排放问 收稿日期:2013-06-09 修订日期:2013-08-20 基金项目: 十二五 国家科技计划课题(2012BAD30B0202) 作者简介:张永亮(1989-) ,男,河北承德人,主要从事汽车生物燃 料排放方面的研究.北京 农业部规划设计研究院,农业部农业废弃物 能源化利用重点实验室,100125.北京 中国农业大学工学院,100083. Email:[email protected] 通信作者:姚宗路(1980-) ,男,山东临沂人,工学博士,高级工 程师,主要从事生物质资源开发利用方面研究.北京市朝阳区麦子店街

41 号农业部规划设计研究院,100125.Email:[email protected] 题,国内外都做了一些研究,国外主要集中在木质 成型燃料方面,研究了木质成型燃料的颗粒物分布 状况,国内主要集中在生物质原始状态下燃烧后颗 粒物排放总量方面,主要研究了水稻、小麦、玉米 秸秆等生物质直接燃烧生成颗粒物状况[10-12] ,但对 生物质固体成型燃料燃烧过程中的颗粒物质量和 数量的浓度分布等尚未研究.跟欧美的木质生物质 成型燃料相比,中国的生物质成型燃料主要以玉米 秸秆、棉杆、水稻、小麦等农作物生产剩余物为主, 在工业成分、燃烧特性、污染排放的方面都和木质 颗粒燃料有一定差异[13-15] . 因此,本文采用低压电子冲击仪(ELPI electrical low pressure impactor),在农业部规划设 计研究院搭建的生物质固体成型燃料燃烧平台上, 对玉米秸秆、棉杆、木质

3 种生物质固体成型燃料 开展燃烧试验,对3种燃料燃烧后的颗粒物排放的 数量和质量分布进行研究,以期中国生物质固体成 型燃料的颗粒物排放法规的制定提供参考.

1 材料与方法 1.1 试验燃料 中国的生物质颗粒燃料主要以农作物秸秆为主, 选择目前市场上常见的玉米秸秆、棉秆、木质

3 种颗 粒成型燃料作为对比分析, 所用玉米秸秆和棉杆生物 农业工程学报

2013 年186 质颗粒燃料于

2012 年12 月在北京大兴礼贤生物质颗 粒燃料公司生产,由农业部规划设计研究院研制的

485 型生物质颗粒燃料成型机压制而成,所用木质颗 粒燃料由天津嘉海木业公司生产. 颗粒燃料均压缩加 工为圆柱型,直径

8 mm,长度 10~30 mm,3 种生 物质颗粒燃料的工业分析、元素分析、热值如表 1. 表1三种生物质颗粒燃料的工业分析、元素分析和发热量 Table

1 Proximate analysis, ultimate analysis, and heat value of

3 kinds of pellets 工业分析 Industrial analysis/% 元素分析 Elemental analysis/% 原料 Material Mad Aad Vad FC,ad Cad Had Nad Sad 低位发热量 Lower heating value /(kJ・kg-1 ) 玉米秸秆 Corn straw 7.64 12.08 71.03 9.25 40.66 5.44 1.10 0.56

16254 棉秆 Cotton stalk 7.53 12.10 72.22 8.15 39.99 5.30 1.15 0.58

15707 木质 Wood 7.45 1.59 85.24 5.72 46.75 6.19 0.26 0.59

18308 注: Mad 为一般样本水分 (Moisture) ;

Aad 为灰分 (Ash) ;

Vad 为挥发分 (Volatiles) ;

FC,ad 为固定碳 (Fixed carbon) ;

Cad 碳元素含量 (Carbon content) ;

Had 为氢元素含量(Hydrogen content);

Nad 为氮元素含量(Nitrogen content);

Sad 为硫元素含量(Sulfur content). 1.2 仪器与设备 1.2.1 生物质固体成型燃料燃烧试验平台 生物质成型燃料燃烧试验平台以生物质燃烧 器和生物质锅炉为核心,包括料仓,进料装置,风机,控制箱,电脑记录软件等为一体的科研平台. 其中,进料的速度以及燃烧时配风量的大小均可调 可控,在燃烧运行时,实现自动点火,自动配风, 自动进料,自动清渣.试验装置示如图 1. 1. 进水管道 2. 生物质锅炉 3. 生物质颗粒燃烧器 4. 进料机构 5. 料仓 6. 出水管道 7. 烟气管道 8. 烟气/烟尘采样孔 1. Water inlet 2. Biomass piping 3. Biomass boiler

4 Feeding mechanism 5. Bin 6. Water outlet 7. Gas pipeline 8. Smoke/Dust sampling hole 图1生物质燃烧试验平台 Fig.1 Biomass combustion test platform 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[16] , 最大功率为

20 kW 的上 进料式燃烧器(PB-20). 1.2.2 低压电子冲击仪 本试验的测量仪器为低压电子冲击仪(ELPI) 和SEMTECH 测试仪,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0.003~10 μm, 如表 2,能够对每级的颗粒数目和质量进行瞬态记 录[17] .SEMTECH(美国 Sensors 公司研发生产)可 以测出废气各成分含量. 表2ELPI 的粒径分级 Table

2 Particle size grading in ELPI 状态 State 级别 Level 粒径范围 Range of particle size/μm 直径 Diameter/μm

1 0.007~0.029 0.02

2 >

0.029~0.057 0.04 核模态

3 >

0.057~0.101 0.08

4 >

0.101~0.165 0.13

5 >

0.165~0.255 0.21

6 >

0.255~0.393 0.32

7 >

0.393~0.637 0.50

8 >

0.637~0.990 0.79 积聚模态

9 >

0.990~1.610 1.26

10 >

1.610~2.460 1.99

11 >

2.460~3.970 3.13 粗模态

12 >

3.970~10.150 6.35 1.3 试验参数和试验设计 1.3.1 试验参数 试验所测的参数为颗粒物排放的数量和质量. 除了总颗粒数量和质量外,还测不同粒径(12 个级 别)颗粒物的数量和质量.数量是指在每平方厘米 内含颗粒物个数.质量是指在每平方米内含颗粒物 的质量.所测数据能准确地反映所排放颗粒物中所 包含的不同粒径级别下的数量和质量. 1.3.2 试验设计 1)在试验室平台上分别燃烧

3 种生物质成型 燃料,通过控制进料速度从而控制进料量,根据试 验平台的功率范围标定

10、

12、

14、

16 和18k W

5 种功率,在风机风速最大(8 m/s),空气量充足的 情况下(过量空气系数≥2.0)分别测量

5 种功率下 废气成分和颗粒物分布情况,每种功率在稳定时, 测量记录

30 min. 2)选取

3 种燃料颗粒物排放最佳功率

14 kW, 在此功率下,根据试验平台风机转速范围,通过控 制风机转速来标定空气进气量,分别测量风机风速 为

6、

7、8 m/s

3 种风速下的颗粒物排放分布情况, 每种风速下燃烧稳定时,测量记录

30 min. 第19 期 张永亮等:生物质固体成型燃料燃烧颗粒物的数量和质量分布特性

187 2 结果与分析 2.1 三种生物质成型燃料的废气成分 在试验各功率下,风机风速调最大

8 m/s,待 燃烧稳定时,用ELPI 和SEMTECH 测得颗粒物和 废气成分如表 3. 2.2 功率对颗粒物排放分布影响 PB20 燃烧器的运行功率区间为10 ~

20 kW,风机风速在 8.0 m/s 时,即过量空气系 数≥2.0 条件下,试验分析功率对颗粒物排放分 布的影响. 表3三种燃料废气成分 Table

3 Gas composition of three fuels 原料 Material 功率 Power/kW CO2/% CO/% NO/% NO2/% O2/% 颗粒物数量 Particulate matter number/(个・cm-3 ) 颗粒物质量 Particulate matter mass/(mg・m-3 ) 过量空气系数 Excess air ratio

10 8.0 0.083 0.0196 0.00223 13.2 3.85*106 77.3 2.5

12 9.5 0.055 0.02 0.0007 11.1 3.27*106 78.9 2.0

14 11.0 0.038 0.0288 0.00117 9.0 2.80*106 74.8 1.7

16 16.3 5.752 0.0187 0.00071 4.7 7.77*106 227.5 1.3 玉米秸秆 Corn straw

18 16.0 5.5754 0.0170 0.00086 3.8 9.19*106 303.8 1.2

10 10.0 0.059 0.03

0 11.0 2.91*106 90.8 2.0

12 13.0 0.03 0.0335

0 9.0 1.52*106 60.7 1.7

14 14.2 0.021 0.034

0 7.2 0.85*106 44.0 1.5

16 17.3 3.2 0.015

0 3.0 3.41*106 176.0 1.2 棉杆 Cotton stalk

18 18.0 3.325 0.02

0 2.0 3.74*106 197.8 1.1

10 9.0 0.17 0.008

0 10.8 6.68*106 115.2 2.0

12 11.5 0.1456 0.009

0 9.1 6.59*106 155.0 1.7

14 15.0 0.088 0.0095

0 6.8 0.28*106 77.4 1.5

16 17.0 0.09 0.008

0 2.9 2.28*106 101.7 1.2 木质 Wood

18 18.3 2.9 0.0036

0 1.2 1.59*106 962.0 1.1 2.2.1 三种成型燃料在不同功率下颗粒物数量分布

3 种成型燃料在不同功率下颗粒物数量分布如 图2.随着功率的加大,颗粒物的总数量都是先减 小后增大.颗粒物分布的峰值向大粒径方向移动, 表明进料量越多、功率越大,燃料燃烧后产生相对 更大粒径颗粒. a. 玉米秸秆 a. Corn straw b. 棉杆 b. Cotton stalk c. 木质 c. Wood 图2三种成型燃料颗粒物数量分布 Fig.2 Particle number distribution of three molding fuel 对于玉米秸秆(图2a),10 kW 时,颗粒物数 量峰值在第

5 级.12 kW 时,颗粒物分布的各级别 数量降低, 峰值出现在第

6 级. 当功率为

14 kW 时, 颗粒物数量进一步减少,呈双峰分布,........