張政清，張 毅，高振強(qiáng)，王 偉，張艷玲，何 芳

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)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(nèi)外中小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放標(biāo)準(zhǔn)比較研究

張政清1，張 毅1，高振強(qiáng)1，王 偉2，張艷玲1，何 芳1

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)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(yīng)用中小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備進(jìn)行農(nóng)村供暖和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供能，對(duì)于我國節(jié)能減排、資源有效利用具有重要意義. 制定科學(xué)合理的燃燒設(shè)備排放標(biāo)準(zhǔn)是生物質(zhì)燃燒設(shè)備行業(yè)健康發(fā)展的重要保證. 分析了目前歐美及我國生物質(zhì)燃燒設(shè)備的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比了生物質(zhì)和煤燃燒小型設(shè)備的排放現(xiàn)狀.研究表明：歐美小規(guī)模生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放要求較松，且標(biāo)準(zhǔn)體系較完善；我國目前生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放標(biāo)準(zhǔn)主要借鑒其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且排放要求普遍較高；小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備的污染物排放顯著低于相同規(guī)模的煤燃燒設(shè)備.我國應(yīng)盡快建立專門針對(duì)生物質(zhì)燃燒設(shè)備的排放標(biāo)準(zhǔn)體系，并適當(dāng)放寬排放要求.

生物質(zhì)；中小型鍋爐；排放；標(biāo)準(zhǔn)

隨著我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，迫切需要解決農(nóng)產(chǎn)品干燥、農(nóng)業(yè)設(shè)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(jī)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(dá)5% (發(fā)達(dá)國家<1%)[1]，急需發(fā)展干燥機(jī)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(nóng)業(yè)設(shè)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(zhì)資源，每年產(chǎn)出約8.4億t[3]. 應(yīng)用這些季節(jié)性收獲的秸稈滿足農(nóng)產(chǎn)品干燥和農(nóng)業(yè)設(shè)施供暖等用能需求，可以節(jié)約優(yōu)質(zhì)化石能源、有效利用農(nóng)業(yè)資源、維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)，對(duì)促進(jìn)生物質(zhì)能源的應(yīng)用及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

Loo對(duì)大量生物質(zhì)燃燒設(shè)備總結(jié)后指出，應(yīng)用成型燃料使設(shè)備具有自動(dòng)化程度高、熱效率高、污染排放低等特點(diǎn)，是中小型鍋爐的首選[4]. 近些年，我國研究人員對(duì)以成型燃料為主的各類中小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備進(jìn)行了大量的研究和分析[5-11]. 如姚宗路等[7]開發(fā)了抗渣生物質(zhì)固體燃料燃燒器，降低了生物質(zhì)燃燒的結(jié)渣率； 劉圣勇等[9]開發(fā)了小型的玉米秸稈捆燒鍋爐，并進(jìn)行了檢測實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(yán)峻，國家對(duì)各種鍋爐設(shè)備的排放要求越來越嚴(yán)格. 2014-2015年，在擬建設(shè)120個(gè)生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱示范項(xiàng)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(yīng)安裝環(huán)保部門認(rèn)可的污染物排放自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備. 生物質(zhì)鍋爐排放的合理制定是其行業(yè)健康發(fā)展的重要保證. 然而，過低的標(biāo)準(zhǔn)要求起不到應(yīng)有的作用，過高的要求則會(huì)在一定程度上阻礙技術(shù)的推廣. 如何制定合理的標(biāo)準(zhǔn)，目前研究相對(duì)較少. 本文擬通過總結(jié)和研究歐美及我國中小型生物質(zhì)鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比生物質(zhì)鍋爐和燃煤鍋爐的排放現(xiàn)狀，探討我國中小型鍋爐現(xiàn)階段排放標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)應(yīng)注意的問題，以期為相關(guān)工作提供參考.

1 歐美中小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放要求

由于歐美居民以獨(dú)立供暖為主，小型生物質(zhì)燃燒供暖設(shè)備需求量較大，在市場作用的推動(dòng)下已形成產(chǎn)業(yè)化[4, 12]. 特別是在歐洲，擁有數(shù)百家中小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)[12]. 各國先后制定了各種排放標(biāo)準(zhǔn)[4]，大多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了顆粒物、NOx、SO2、CO的排放，有些增加了VOC和氨等排放的規(guī)定. 德國、瑞士等國標(biāo)準(zhǔn)見表1和表2.

歐洲國家排放要求大多根據(jù)燃燒設(shè)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(xì). 大多數(shù)國家對(duì)小型生物質(zhì)鍋爐的排放要求較松，比如瑞士對(duì)小于0.02MW的小設(shè)備無任何要求. 德國對(duì)小燃燒設(shè)備主要對(duì)顆粒排放物有一定的要求，其余指標(biāo)均較松. 歐洲大多數(shù)國家只對(duì)大于2MW的鍋爐才有較為嚴(yán)格的要求，而且，標(biāo)準(zhǔn)中各排放指標(biāo)數(shù)值的折算煙氣基準(zhǔn)氧濃度常為11%、13%等，顯著高于煤炭燃料燃燒設(shè)備常用的6%. 這些表明，歐洲各國生物質(zhì)燃燒設(shè)備的排放標(biāo)準(zhǔn)普遍比煤炭燃燒設(shè)備或通用標(biāo)準(zhǔn)要求寬松. 對(duì)于小鍋爐采用寬松的排放限值，可以鼓勵(lì)企業(yè)和用戶開發(fā)和使用生物質(zhì)鍋爐，大大促進(jìn)生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用. 有些歐洲國家，如挪威等，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和新建設(shè)備的排放限值分別作了詳細(xì)的規(guī)定. 挪威對(duì)小于0.5 MW的小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備的排放限值不作規(guī)定. 這些措施都使排放限值更加具體細(xì)化和完善化.

表1 德國生物質(zhì)燃燒相關(guān)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(zhì)(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(zhì)(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(zhì)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(zhì)燃燒設(shè)備排放法規(guī)不如歐洲完善，對(duì)大于9MW的燃燒設(shè)備限制較為嚴(yán)格，而對(duì)較小設(shè)備則要求寬松. 美國生物質(zhì)燃料的使用多集中于東北部各州，且主要以木質(zhì)燃料為主[13]. 由于木質(zhì)燃料中S、N的含量較少，因此排放法規(guī)側(cè)重于對(duì)顆粒物和CO排放的控制，對(duì)SO2和NOX排放要求較少. 聯(lián)邦法規(guī)將每年排放大于10t某一污染物或大于25t混合污染物的設(shè)備稱為主污染源，低于此排放值的設(shè)備稱為區(qū)域污染源[14]. 美國聯(lián)邦空氣污染物排放部分標(biāo)準(zhǔn)見表3.

表3 美國聯(lián)邦空氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[14-15]

污染源燃料設(shè)備類型功率/MWCO/g·MJ-1PM/g·MJ-1主污染源濕生物質(zhì)窯爐干燥生物質(zhì)生物質(zhì)/基于生物質(zhì)固體燃料傾斜爐排傾斜爐排流化床機(jī)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(qū)域污染源生物質(zhì)非季節(jié)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(shù)據(jù)為筆者換算得到

2 國內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)情況

國內(nèi)目前沒有專門針對(duì)生物質(zhì)鍋爐排放的國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13271-2014)中的有關(guān)規(guī)定，生物質(zhì)成型燃料鍋爐參照燃煤鍋爐的排放標(biāo)準(zhǔn). 同時(shí)國標(biāo)還規(guī)定了新建鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)以及重點(diǎn)地區(qū)特別排放標(biāo)準(zhǔn). 國內(nèi)在小型生物質(zhì)爐具生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有對(duì)其排放的相關(guān)要求. 除了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外，某些地方如北京、河北等對(duì)小型生物質(zhì)爐具排放也有各自的地方標(biāo)準(zhǔn).

表4中列舉了我國目前與生物質(zhì)燃燒設(shè)備相關(guān)的一些排放要求，本文也將2014-2015年擬建生物質(zhì)鍋爐供暖示范項(xiàng)目要求列于表中，以便于對(duì)比. 表4中鍋爐排放基準(zhǔn)氧含量為9%，小型生物質(zhì)爐具排放無基準(zhǔn)氧含量的規(guī)定.

通過對(duì)比可以看出，我國生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放標(biāo)準(zhǔn)目前還不完善，主要參考燃煤鍋爐的排放標(biāo)準(zhǔn)，沒有依據(jù)燃燒設(shè)備類型和規(guī)模形成體系標(biāo)準(zhǔn)，但總體來說比歐美要求嚴(yán)格，特別是對(duì)常用中小型燃燒設(shè)備. 這些嚴(yán)格的要求會(huì)在一定程度上影響我國尚不成熟的生物質(zhì)燃燒設(shè)備行業(yè)的發(fā)展，不利于生物質(zhì)能的開發(fā)和應(yīng)用.

表4 國內(nèi)生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放限值

數(shù)據(jù)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(diǎn)地區(qū)-20020030國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NB/T34006-2011)生物質(zhì)爐具<503015050北京地方標(biāo)準(zhǔn)(DB11/T540-2008)生物質(zhì)爐具(中心城區(qū))生物質(zhì)爐具(中心城區(qū)外)<5020150103015030河北地方標(biāo)準(zhǔn)(DB13/T1407-2011)生物質(zhì)爐具<505015050國能新能[2014]295號(hào)供暖示范≥70005020030

注：(1)位于廣西壯族自治區(qū)、重慶市、四川省和貴州省的燃煤鍋爐執(zhí)行該限值

3 國內(nèi)外現(xiàn)有生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放情況及與小型煤爐對(duì)比

3.1 國外生物質(zhì)鍋爐排放現(xiàn)狀

Williams[16]總結(jié)了世界各國生物質(zhì)燃燒設(shè)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(guī)模帶有除塵設(shè)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(shè)備CO排放值較高，這是由于碳的未完全氧化導(dǎo)致的.

表5 生物質(zhì)燃燒的大致排放水平[16]

設(shè)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(nóng)戶爐灶木質(zhì)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(zhì)150～40011013011移動(dòng)床(150kW～15MW)秸稈15011015011流化床(100MW)生物質(zhì)150515511混燒爐(1GW)生物質(zhì)250150.11006

2009年美國北部各州協(xié)調(diào)大氣利用管理組織和相關(guān)協(xié)會(huì)[13]對(duì)美國生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行了檢測，測出的主要排放物濃度如表6所示.

表6 美國對(duì)大量生物質(zhì)鍋爐排放的檢測結(jié)果

污染物測試次數(shù)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(jù)原數(shù)據(jù)進(jìn)行了換算.

3.2 國內(nèi)生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放現(xiàn)狀

我國生物質(zhì)鍋爐排放數(shù)據(jù)較少，本文收集列舉了部分文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)[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(xué)歷山學(xué)院7MW生物質(zhì)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(zhì)供暖爐和1MW生物質(zhì)山楂食品干燥爐的排放. 設(shè)備如圖1所示. 檢測設(shè)備均采用德國ecom-J2kn型煙氣分析儀，經(jīng)多次檢測，平均結(jié)果列于表7中.

從表7可以看出，我國小型生物質(zhì)燃燒設(shè)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(zhì)本身低硫低氮的成分特性決定的.

表7 中國小型生物質(zhì)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(shù)據(jù)來源1.4MW2.1MW木質(zhì)1731436-秸稈10637819-木質(zhì)1414440-秸稈196303110-文獻(xiàn)[17]8kW秸稈15138-1250文獻(xiàn)[18]1.4MW1.4MW木質(zhì)1514542-秸稈10538718-木質(zhì)1832435-秸稈189312110-文獻(xiàn)[19]4kW1MW7MW木質(zhì)顆粒<1542551200木質(zhì)顆粒<1818960310木質(zhì)顆粒-30737224本文作者檢測數(shù)據(jù)

(a)4kW生物質(zhì)燃燒爐 (b) 7MW生物質(zhì)供暖鍋爐圖1 4kW和7MW生物質(zhì)燃燒設(shè)備

3.3 小型生物質(zhì)鍋爐和煤爐排放對(duì)比

我國傳統(tǒng)小煤爐應(yīng)用較多，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用能和北方農(nóng)村地區(qū)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(tǒng)小煤爐(10kW以下)的SO2排放可高達(dá)1 300mg/m3和1 200mg/m3，NOx排放約為100mg/m3，數(shù)據(jù)見表8. Mitchell等[21]對(duì)比了采用同樣的小型固定床燃燒設(shè)備，波蘭煤和生物質(zhì)的排放情況，結(jié)果也列于表8中. 表7中4kW、8kW小型生物質(zhì)爐排放值和表8中數(shù)據(jù)對(duì)比表明，小型煤爐的SO2排放遠(yuǎn)高于生物質(zhì)爐，NOx排放也相對(duì)偏高.

表8 小型燃煤和燃生物質(zhì)設(shè)備排放情況對(duì)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(tǒng)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(jīng)非常成熟，輔以各種煙氣處理設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)高效率、低排放燃燒. 然而，對(duì)于小型燃煤設(shè)備，煙氣處理設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、運(yùn)行費(fèi)用高，目前難以推廣. 和煤相比，小型生物質(zhì)鍋爐排放明顯低，特別是SO2的排放. 而且生物質(zhì)在農(nóng)村的分散應(yīng)用會(huì)大大降低收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存成本. 因此，國家可以制定相關(guān)政策，鼓勵(lì)農(nóng)村小型供熱、供能設(shè)備采用生物質(zhì)燃燒的方式，用來代替小型燃煤設(shè)備，這樣可以大大降低環(huán)境污染.

4 結(jié)束語

通過總結(jié)分析歐美及我國生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)比小型生物質(zhì)和燃煤燃燒設(shè)備的排放現(xiàn)狀可知：歐美排放標(biāo)準(zhǔn)多根據(jù)設(shè)備規(guī)模大小不同而有所不同， 越小規(guī)模的設(shè)備，排放要求越松；目前我國生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放標(biāo)準(zhǔn)不完善，主要借鑒其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，排放要求普遍較高，不利于中小型生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用；生物質(zhì)燃燒設(shè)備的顆粒物、NOx、SO2等的排放相對(duì)低于燃煤燃燒設(shè)備.

生物質(zhì)燃燒應(yīng)用對(duì)我國節(jié)能減排和農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義. 為了發(fā)展我國中小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備行業(yè)，根據(jù)我國現(xiàn)有技術(shù)情況應(yīng)當(dāng)完善并適當(dāng)放寬中小型燃燒排放標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)設(shè)備規(guī)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(xué)基金項(xiàng)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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