摘要: 选择 2 台设计结构不同的生物质锅炉( BB1、BB2) ，针对木质和秸秆 2 种生物质燃料开展烟尘、PM10和 PM2. 5排放特征的研究，并与燃煤锅炉进行比较. 结果表明: 2 台生物质锅炉的大气污染物排放质量浓度都未达到北京市 DB 11?139—2007《锅炉大气污染物排放标准》的要求; 2 台生物质锅炉颗粒物的排放因子存在差别，燃烧木质成型燃料时，BB1 和 BB2 生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为 207. 10 和 465. 51 mg?kg，PM10排放因子分别为 75. 18 和 149. 61 mg?kg，PM2. 5 排放因子分别为 58. 48 和 106. 86 mg?kg; 燃烧秸秆成型燃料时，BB1 和 BB2 生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为 142. 86 和 1 200. 86 mg?kg，PM10排放因子分别为 63. 63 和 102. 01 mg?kg，PM2. 5的排放因子分别为 50. 90 和 76. 51 mg?kg. 与热功率相近的燃煤锅炉比较，2 台生物质锅炉除尘器前的 PM10平均排放因子低 30. 41% ，PM2. 5 平均排放因子却高 36. 84% ，即 PM2. 5 在生物质锅炉烟尘中所占比例更高. 尽管利用可再生能源的生物质锅炉具有很好的发展前景，但目前该类锅炉仍存在污染物排放不达标的现象，因此，需要提高热能利用效率和除尘效率，以减少污染.
关键词: 生物质锅炉; 燃煤锅炉; 颗粒物; 排放因子
我国是农业大国，生物质资源丰富，但并未得到充分利用. 自 20 世纪 80 年代以来，我国部分地区在收割季节出现了露天焚烧秸秆的现象，而且越来越严重[1-3]. 这不仅浪费了大量的生物质资源，甚至还造成局地严重的大气污染. 生物质燃烧会产生大量的气态 污 染 物 ( 如 CO2、CO、CH4、NMHC、NOx、N2O、 CH3CI、CH3Br、H2O2、HCHO 和过氧化有机物等) 和颗粒物〔如 BC( 黑炭) 和 OC( 有机碳) 等〕[4-7]，可改变地球辐射平衡[8]，并且对全球大气环境[9-10]、气候系统[11]及生态系统[12]均产生了重要影响. 露天秸秆焚烧不仅造成局部大气环境质量恶化、影响交通安全以及存在火灾隐患，还会造成巨大的经济损失. 根据王丽等[13]的估算，2004 年国内因秸秆焚烧造成的直接生物质资源损失为 113. 4 × 108 元，大气污染损失为 196. 5 × 108 元. 因此，需要科学引导生物质利用方式，提高利用效率以减少大气污染物排放[14].
生物质能源具有环境友好、可再生的特点，是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，在世界能源总消费量中占 14% ，被世界上约 1?2 的人口用作生活用能源[15]. 发展中国家的初级能源为生物质能源，集中在炊事和取暖等传统领域; 发达国家生物质能源在能源总消费量中占 3% ，主要作为区域供暖或发电.我国对于生物质能源的利用非常重视，已于 2006 年 1 月实施的《中华人民共和国可再生能源法》为生物质能源等可再生能源的广泛应用提供了制度和法律保证. 因 此，生物质能源在国内具有很好的发展前景.
我国对生物质能源的有效利用，除了传统的家用燃烧外，目前还利用生物质压块作为锅炉燃料燃烧，这也是一种重要的燃烧方式. 为实现污染物总量控制目标、减少燃煤污染物排放，国内很多地区限制使用燃煤工业锅炉，并在一定范围内禁止使用. 上述限制措施导致部分使用燃煤工业锅炉的地区转而使用生物质锅炉，这为生物质锅炉的发展提供了空间，也促进了生物质锅炉技术的发展. 由于生物质锅炉发展时间较短，对其大气污染物排放特征研究不足，因此，选择 2 台设计结构不同的生物质锅炉开展颗粒物排放特征研究，并且与近似吨位的燃煤锅炉进行比较，以期认识生物质锅炉排放颗粒物的特征及其对大气的贡献.
1 试验方法
1. 1 研究对象的选择
1. 1. 1 锅炉
目前使用的生物质锅炉中既有为生物质燃烧专门设计的生物质锅炉，也有在原有燃煤或燃油锅炉基础上改 造 而 成 的. 选 择 2 台 生 物 质 锅 炉 ( BB1 和 BB2) 和 1 台相近吨位的燃煤锅炉( CB) 进行烟气排放测定，锅炉基本信息见表 1. 各锅炉均为间歇式工作模式，启炉工作和停炉时间的长短根据供暖或供应热水的需要而定，平均每天燃烧时间为 10 h 左右，在整个供暖期工作.
1. 1. 2 燃料
生物质燃料为普遍使用的市售木质生物质成型燃料( MZ) 和秸秆生物质成型燃料( JG) ，2 种燃料均为条状，直径 0. 6 ～0. 8 cm，长 3 ～ 5 cm; 燃煤为大同烟煤散煤( YM) ，块状且直径在 4 cm 以下. 为避免因燃料差别造成烟气排放的差异，2 台生物质锅炉使用的同质燃料为同一批加工产品. 燃料工业分析和元素分析如表 2 所示. 由表 2 可见，与烟煤比较，生物质燃料具有较高的 w( 挥发分) 和 w( O) ，较低的 w( 固定碳) 、发热量、w( S) 和 w( C) .
1. 2 样品采集
利用自动烟尘烟气分析仪( TH -880F) 测定锅炉烟气基本参数，包括烟气中 SO2、NOx 和烟尘的浓度，以及林格曼黑度，以掌握锅炉工作状态及烟气达标状况.
建立的烟气稀释采样系统由颗粒物稀释器和颗粒物滤膜采样器组成，如图 1 所示. 颗粒物稀释器( FPS - 4000，芬兰 Dekati 公司) 是为燃烧或其他工业 过 程 中 颗 粒 物 测 量 所 设 计 的 稀 释 采 样 系统[16-18]. 稀释过程分 2 级: 一级稀释为热稀释，利用加热后的零空气对烟气进行初步稀释; 二级稀释为冷稀释，利用室温下的零空气对烟气进一步稀释.通过对稀释倍数、稀释温度和停留时间的调整，可以对烟气定量稀释，该研究中稀释倍数在 14 ～ 20 倍之间.
利用双通道颗粒物旋风采样器进行 PM10和 PM2. 5 的膜采样. 采集颗粒物( PM10、PM2. 5 ) 的滤膜为日本东洋滤纸公司生产的石英滤膜，滤膜直径为 47 mm. 对 PM10和 PM2. 5的滤膜称量、采样及保存均参照 HJ 618— 2011《环境空气 PM10和 PM2. 5的测量 重量法》[19]进行.
PM10和 PM2. 5排放质量浓度、排放量的计算依据 GB?T 16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》[20]进行.
2 结果和讨论
2. 1 锅炉烟气基本参数测定
测试锅炉的主要功能为供暖和供应热水，因此，测定时间选择在供暖期的 2010 年 12 月进行. 锅炉烟气基本参数如表 3 所示.
北京市地方标准 DB 11?139—2007《锅炉大气污染物排放标准》[21]中将理想过剩空气系数定义为 1. 8，在 GB 5468—1999《锅炉烟尘测试方法》[22]中也有类似的规定. 2 台生物质锅炉烟气温度差别大的原因: ①BB1 的过剩空气系数是理想过剩空气系数的 2 倍以上，表明会有大量过剩空气随烟气排入大气，烟气量的增加将导致烟气温度降低. ②对于供暖锅炉，热能利用率低则使部分热能随烟气排入大气[23]，致使烟气温度高. ③锅炉出口到烟囱测孔的距离对烟气温度也有一定影响. BB2 出口到烟囱测孔的距离为 10 m 左右，而 BB1 为 15 m 左右，而烟道和烟囱均为铁质，具有一定的散热作用，这使得烟气温度随烟道的延长而降低.目前的生物质锅炉设计还需要提高锅炉热能利用效率，对于烟气温度高的锅炉可增加省煤器回收烟气热能，以减少能源浪费[24].
2. 2 烟尘达标状况
根据自动烟尘烟气分析仪测定结果，计算得到 3 台锅炉排放烟气中的的 ρ( 烟尘) 、ρ( SO2 ) 、ρ( NOx ) 和林格曼黑度，结果如表 4 所示. 对于燃煤锅炉，由于除尘器后烟气湿度高，造成采集烟尘的滤筒中有水珠出现，干扰测定，因此，未计算除尘器后的 ρ( 烟尘) .
从表 4 可见，与 DB 11?139—2007 中大气污染物排放限值比较，2 台生物质锅炉烟气中污染物浓度都未达标，其中 ρ( 烟尘) 超标 1 ～ 10 倍; 对于ρ( SO2 ) ，当燃烧木质成型燃料〔w( S) 为 0. 05% 〕时，2 台生物质锅炉排放烟气中的 ρ( SO2 ) 才符合DB 11?139—2007 标准 限 值 要 求，但燃烧秸秆成型燃料〔w ( S ) 为 0. 14% 〕时则超标 4 ～ 9 倍; 对于 ρ( NOx ) ，除 BB2 生物质锅炉燃烧木质成型燃料时达标( 但已接近限值) 外，其他情况下都超标 1 ～ 2 倍.
燃料成分是影响烟气中污染物浓度的重要因素. 2 台生物质锅炉都没有加装脱硫、脱氮装置，烟气中 ρ( SO2 ) 与燃料 w( S) 呈显著正相关( R2 = 0. 999 6) ，烟气中 ρ ( NOx ) 与燃料中 w( N) 也呈正相关( R2 = 0. 871 4) . 因此，需要根据燃料成分选择增加脱硫或脱氮装置，以实现达标排放.
2. 3 PM10和 PM2. 5排放浓度
2 台生物质锅炉和 1 台燃煤锅炉燃烧排放的 ρ( PM10 ) 和 ρ( PM2. 5 ) 如表 5 所示. 由表 5 可见，BB1 除尘器为袋式除尘器，对 PM10、PM2. 5的除尘效率均为 92% ～ 97% ; BB2 除尘器为水膜除尘器，对 PM10、 PM2. 5的除尘效率分别为 78% ～ 84% 、81% ～ 86% ，如果采用更高效率的除尘器，则烟尘实际排放的质量浓度相应更低. 由于燃煤锅炉出口与除尘器间连接管路很短，并且连接管路中烟气温度在 400 ℃ 以上，已超出仪器测定范围，因而未测定除尘器前烟气中的污染物浓度，也就无法计算其除尘效率.
对于同种燃料，2 台生物质锅炉的颗粒物质量浓度存在很大差别，这主要是设计结构不同所致. BB1 生物质锅炉为往复式炉排炉，炉排的前后移动对炉排上的燃料和灰渣造成扰动，致使大量颗粒物悬浮到空气中并随烟气排出; 此外，BB1 生物质锅炉除渣装置为干式除渣机，燃料燃烧后的炉渣从炉排末端掉入渣斗并需人工定时清理，所造成的人工扰动同样导致烟气中颗粒物质量浓度升高. BB2 生物质锅炉为链条炉，不存在炉排扰动，并且其除渣装置为湿式除渣机，炉渣直接掉入具有冷却水的渣斗中，由除渣机自动清除到室外，因而颗粒物质量浓度较低.
2. 4 PM10和 PM2. 5排放因子
利用颗粒物质量浓度及燃料使用量，计算各锅炉的烟尘、PM10和 PM2. 5的排放因子，并与其他研究结果进行比较，结果如表 6 所示. 燃煤锅炉除尘器前的排放因子采用 2 ～ 4 t?h 锅炉数据[25-28]的平均值，PM10和 PM2. 5的平均排放因子分别为 1 613. 33 和 696. 67 mg?kg. 而该研究生物质锅炉 PM10和 PM2. 5的平均排放因子分别为1 122. 67和 953. 34 mg?kg. 与燃煤锅炉比较，生物质锅炉的 PM10 排放因子比燃煤锅炉低 30. 41% ，但 PM2. 5 的排放因子却比燃煤锅炉高 36. 84% ，表明 PM2. 5在烟尘中所占比例更高.
家用炉灶仍然是农村地区，尤其是北方农村地区广泛使用的一种方式. 田贺忠等[29]对家用炉灶的研究表明，以秸秆为燃料时烟尘排放因子为 6 370 mg?kg，以薪柴为燃料时的排放因子为 3 330 mg?kg.该研究中 2 台生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为 142. 86 和 1 200. 86 mg?kg，平均值为 504. 08 mg?kg. 比较可知，对于除尘装置正常运行的生物质锅炉，其排放因子较民用炉灶平均低 9 倍以上. 因此，有条件的地区可用生物质锅炉取代家用炉灶，以大幅降低颗粒物排放.
3 结论
a) 2 台生物质锅炉的污染物排放质量浓度均未达到 DB 11?139—2007 标准限值. 其中，ρ( 烟尘) 超标 2 ～ 7 倍; ρ( SO2 ) 与燃料 w( S) 显著相关，燃烧木质成型燃料时 ρ( SO2 ) 符合 DB 11?139—2007 排放标准但接近限值，而燃烧秸秆成型燃料时则超标 4 ～ 9 倍; 对于 ρ( NOx ) ，除 BB2 生物质锅炉燃烧木质成型燃料达标外，其他情况超标 1 ～ 2 倍.
b) 燃烧木质成型燃料时，BB1 和 BB2 生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为 207. 10 和 465. 51 mg?kg，PM10排放因子分别为 75. 18 和 149. 61 mg?kg，PM2. 5 排 放 因 子 分 别 为 58. 48 和 106. 86 mg?kg; 燃烧秸秆燃料时，BB1 和 BB2 生物质锅炉除尘器后的烟尘排放因子分别为 142. 86 和 1 200. 86 mg?kg，PM10排放因子分别为 63. 63 和 101. 01 mg?kg， PM2. 5的排放因子分别为 50. 9 和 76. 51 mg?kg. 与相近吨位燃煤锅炉比较，2 台生物质锅炉除尘器前的 PM10平均排放因子低 30. 41% ，但 PM2. 5 的平均排放因子却高 36. 84% ，即 PM2. 5在烟尘中所占比例更高.目前生物质锅炉所用的除尘器对 PM10 和 PM2. 5 的除尘效率在 78% ～ 96% 之间，袋式除尘器具有较好的除尘效果.
c) 2 台生物质锅炉颗粒物排放因子存在很大差别，可能由于锅炉结构设计不同所致. BB1 生物质锅炉为炉排炉和干式除渣机，由于炉排的前后移动及炉渣掉入渣斗时对颗粒物造成了很大扰动，因而颗粒物质量浓度高; 而 BB2 生物质锅炉为链条炉和湿式除渣机，减少了对颗粒物的扰动，因而烟气中颗粒物质量浓度低.
d) 生物质锅炉存在过剩空气系数与理想状况差距大、烟气温度高等问题，说明生物质锅炉的设计和操作技术有待提高. 我国地域广阔，生物质种类繁杂，不同生物质的燃烧性能差别大，应相应开发不同类型的燃烧技术及燃烧设备，实现生物质锅炉的能源高效利用，使大气污染物达标排放. 另外，需要加强监管，保证除尘装置、脱硫脱氮装置随锅炉正常运转，在实现有效利用生物质能源的同时，减少对大气环境的污染.——论文作者：耿春梅，陈建华，王歆华，杨 文，殷宝辉，刘红杰，白志鹏
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