生物质燃烧机

日前，中国科大极地环境研究室教授谢周清课题组发现，生物质燃烧影响城市PM10的蛋白质含量，研究成果近日在线发表在英国《大气环境》杂志上。　　空气中存在许多液态或固态微粒悬浮物，被称为气溶胶，直径在10微米以下的可吸入颗粒物叫PM10。其中，生物气溶胶是当前全球变化和公共健康关注的研究热点之一，其浓度一般用大气中总蛋白质含量来表示。由于汽车尾气能改变一些生物气溶胶的化学结构，使其成为能导致严重过敏反应的过敏原，这被认为是近年来城市中哮喘等过敏性疾病发病率升高的一种可能原因。　　谢周清课题组对2008年6月至2009年2月在合肥市采集的PM10进行了总蛋白质以及微量元素和水溶性离子成分的分析研究，发现城区PM10中总蛋白质的含量范围在每立方米2.08～36.71微克，平均值为每立方米11.42微克，明显高于目前世界上3个地区公布的数据——美国北卡罗莱纳州、洛杉矶和人口密度较大的墨西哥城的含量分别为每立方米0～0.2微克、1.0～5.8微克、0～2.54微克。　　论文第一作者康辉博士介绍，合肥城区大气中蛋白质含量呈明显的季节变化：夏季最低，每立方米2.08微克 从夏季到秋季含量逐渐增加，11月达到峰值，每立方米36.71微克。PM10中蛋白质的浓度与采样期间的降雨量呈相反的变化趋势，且秋冬季多雾天蛋白质的浓度和大气污染指数都呈现高值。　　除气象因素外，PM10中蛋白质浓度的变化与空气污染指数和平均可见度分别呈显著的正相关和反相关关系。通过进一步对2008年9月到2009年1月期间出现高含量蛋白质的原因进行探讨，研究人员发现，PM10总蛋白含量与代表生物质燃烧影响的水溶性钾离子以及代表人为污染影响的硝酸根显著相关。9～11月是合肥地区的农作物收获季节，除动植物和人为排放影响外，生物质燃烧可能是PM10蛋白质含量增大的重要原因。　　审稿人认为“这是一项迫切需要的研究工作”，并指出“这份数据独一无二，对评估城市大气污染有重要价值，特别是为理解人体健康的风险评估作出了贡献”。

黑碳作为大气中一种典型的吸光性气溶胶，对全球和区域气候都有着深远影响。它可以改变太阳辐射平衡，抑制边界层发展，沉降到冰雪表面会降低其反照率，加速冰川融化。但是在计算其辐射强迫时仍存在很大不确定性，这种不确定性主要来源于老化过程对黑碳颗粒物光学性质的改变。而黑碳颗粒物主要来源于含碳燃料的不完全燃烧。已有研究表明，新鲜排放的黑碳在被释放到大气中后会通过碰并、凝结和非均相氧化等过程与多种来源的颗粒物、气态污染物之间发生老化作用，表面形成包裹层，导致其在混合态、形貌、粒径和化学组成上发生变化，从而影响黑碳的物理化学及光学性质。为了更好地了解城市大气中黑碳的性质差异及评估吸光性影响因素，中国科学院地球环境研究王启元研究员课题组使用单颗粒黑碳光度计（SP2）、光声气溶胶消光仪（PAX）以及在线重金属分析仪（Xact625）等高时间分辨率在线仪器对西安市高新站点2020年11月大气气溶胶进行连续在线监测，并采用PMF与线性回归结合的方法建立黑碳吸光增强倍数与源的关联。PMF模型是目前常用的污染物源解析方法，在给出污染源类别的同时，还能得出确切的污染源的贡献率，近年来被广泛应用于污染物源解析研究中。他们的结果表明：观测期间西安黑碳气溶胶平均浓度2.16 微克 /立方米；PMF源解析出4个主要来源，分别为生物质燃烧源（38%），燃煤源（29%）、交通运输源（29%）、扬尘源（4%）；降水后厚包裹黑碳的浓度降幅高达83%，而薄包裹黑碳为39%。作为颗粒粒径更大的厚包裹黑碳其核的质量中值粒径却小于薄包裹黑碳颗粒，分别为141 纳米和176纳米。其次，黑碳核的吸光截面积变化范围较大，为3.79 - 5.95 平方米/克，且与整体颗粒的吸光截面积具有显著相关性，相关系数为0.58（p 0.01）。另外，他们还发现在观测期间黑碳的平均吸光增强倍数为1.37±0.11；经过源解析结果表明，二次老化、燃煤、扬尘、生物质燃烧和机动车排放对吸光增强倍数的贡献分别为37%、26%、15%、13% 和 9%。其中二次老化过程是主要贡献源。上述相关研究成果近日发表于《总环境科学》（Science of The Total Environment）期刊。　　(a) 应用PMF进行黑碳质量浓度源解析谱图；(b) 各排放源对总黑碳质量浓度的相对贡献百分比。(a) 大气中含黑碳颗粒物和黑碳核的光吸收系数时间序列；(b) 大气中含黑碳颗粒物和黑碳核的吸光截面积（MAC）时间序列；(c) 大气中含黑碳颗粒物吸光截面积（MAC）相对频率分布；(d) 黑碳核吸光截面积（MAC）相对频率分布。图片均由论文作者提供论文相关信息：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0048969723016157

p　　“一个相比于鲁霾的沉重，冀霾的激烈，沪霾的湿热和粤霾的阴冷，我更喜欢京霾的醇厚，它是如此的真实，又是如此的具体。黄土的甜腥与秸秆焚烧的碳香充分混合，再加上尾气的催化和低气压的衬托，最后再经热源袅袅硫烟的勾兑，使得京霾口感干冽适口，吸入后挂肺持久绵长，让品味者肺腑欲焚，欲罢不能。”这是网友在雾霾来袭的日子里写下的段子，曾一次次刷爆“朋友圈”。其实，调侃段子的背后，透露出的则是对雾霾天气的万般无奈。亚洲开发银行和清华大学在发布的《中国国家环境分析》报告提出，尽管政府部门一直在积极治理大气污染，但世界上污染最严重的10个城市中，中国仍占了7个，在中国500个大型城市中，只有不到1%达到世界卫生组织空气质量标准。在前不久的2016中国环保上市公司峰会上，环保部环境规划院副院长兼总工程师王金南指出，目前我国几乎所有与大气污染物有关的指标的排放，在全世界都是第一，整个大气环境所面临的压力前所未有。/pp　　空气污染真的要了人的命，工业锅炉烟气排放难辞其咎/pp　　雾霾是身体健康的“隐形杀手”，甚至比2013年那场突如其来的“非典”还可怕。这并非耸人听闻。/pp　　“研究结果显示，中国2013年大气PM2.5所致共91.6万例过早死亡。其中燃煤导致的空气污染而过早死亡的达到36.6万例。如果采取行动控制空气污染，2030年之前大气污染水平将大幅度下降，这将避免27.5万例过早死亡。”2016年8月18日，清华大学和美国健康影响研究所联合发布的《中国燃煤和其他主要空气污染源造成的疾病负担》报告指出。“91.6万例过早死亡”，这个冰冷的数据表明人类寿命因空气污染已付出了高昂的代价。/pp　　《报告》称，燃煤产生的颗粒物是大气PM2.5的最重要来源因素，2013年对PM2.5年均浓度的贡献率达到40%。而在特定省市(重庆、贵州、四川)，其贡献率甚至高达近50%。燃煤已是中国疾病负担的重要贡献因素之一，2013年，燃煤产生的大气污染导致死亡率已明显高于高胆固醇甚至吸毒。/pp　　据《报告》的首席科学家、清华大学大气污染与控制研究所所长王书肖介绍，这是第一次在国家和省级层面对中国燃煤和其他颗粒物空气污染的主要来源引起的当前和未来的疾病负担进行的综合评估。评估结果显示，2013年中国的PM2.5人口加权平均浓度为54微克/立方米，估计99.6%的人口生活在超出世界卫生组织空气质量指南标准(10微克/立方米)的地区，工业燃煤排放导致15.5万例死亡，工业过程排放导致9.5万例死亡。“到2030年，燃煤对PM2.5年均浓度的贡献率将上升到44%—49%之间。即便按照最严格的能源消耗和污染控制理念，煤炭仍将是大气PM2.5和疾病负担的最大单一来源。”/pp　　中国疾病预防控制中心在《大气污染与公众健康》报告中也指出：燃煤导致的大气污染已成为影响中国公众健康的最主要危险因素之一。专家估计，如果在燃烧技术和煤的转换上没有大的突破，我国的大气污染可能还会加重。“和燃煤电厂排放相比，工业和民用燃煤还存在很大减排潜力，减少工业和民用燃煤污染排放应成为未来大气污染治理的优先管理策略。”中国工程院院士、清华大学环境学院教授郝吉明曾为此呼吁。/pp　　“要环保必禁煤”?煤炭是我国目前仍不可替代的主要能源/pp　　为减少燃煤对大气造成的污染，我国在重点城市及人口稠密的中心城区设立了“禁烟区”，这使得一些人错误地认为“要环保必禁煤”，甚至一些中小城市脱离缺乏天然气、电等清洁能源的实际，不顾燃油的二硫化碳污染更严重和光化学烟雾污染的危害，也依葫芦画瓢地展开了“环保禁煤”。但实际上，小型燃煤锅炉仍源源不断地大批出厂，用户出于经济利益的考虑，和环保部门玩起了“双行头”：检查时就开启烧油、燃气锅炉，人一走依旧是燃煤锅炉当家。/pp　　临汾市曲沃县立恒钢铁公司转炉车间冒红烟 唐山市滦县兴隆钢铁有限公司3号高炉无组织排放严重 石家庄市晋州塑胶制品厂燃煤小锅炉正在运行 天津市北辰区河北工业大学供热站两台燃煤锅炉烟气无法达标排放……2月19日至20日，2017年第一季度空气质量专项督查的18个督查组， 对京津冀及周边地区18个城市大气污染工作进行现场督导检查，发现包括上述问题137个。由此看来，如全面实施禁煤还难以符合当下中国的国情。/pp　　众所周知，我国的化石能源特点是“富煤少油缺气”，煤炭在我国一次性能源结构中处于绝对位置，50年代的比例曾高达90%。数据显示，2010年，煤炭在我国一次能源消费结构中占68%，到2015年才降到64%。当前，中国煤炭年消耗量仍约占世界煤炭消费量的一半，达40亿吨。/pp　　在《中国可持续能源发展战略》研究报告中，20多位中科院和工程院院士一致认为，即使到2050年，我国煤炭所占能源比例仍然不会低于50%。可以预见，能源资源条件决定了我国以煤炭为主的能源消费结构在短期内难以转变，未来几十年内，在清洁能源不具备经济性的情况下，煤炭仍是我国不可替代的最主要能源。/pp　　中国迫切需要适合国情的治理大气污染的实用技术，燃煤工业锅炉将成为大气污染治理的主战场/pp　　其实，找出污染源头并不难。据不完全统计，我国在用工业锅炉约有47万余台，其中燃煤锅炉占到80%，每年所消耗标准煤约4亿吨。以达到大气污染物排放限额标准Ⅰ时段为例，每公斤标煤实际烟气量按13.46Nm3/kg计算，每年向大气排放烟气达53.84亿Nm3、烟尘16.152万吨、二氧化硫538.4万吨、氮氧化物1346万吨。数据显示，工业锅炉(65吨/小时以下)中烟尘、二氧化硫、氮氧化物等污染的排放比普通煤电厂还高出2—4倍。/pp　　为此，中国环发国际合作委员会在提交的一份建议中指出：煤炭将长期作为中国的主要能源，应推广清洁高效的洁净煤技术， 鼓励研究、开发适应中国国情的技术装备，加速自身的研究开发与自主创新。/pp　　2014年11月6日，国家能源局、国家发改委、环保部等七部委联合发布《燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案》：到2018年，推广高效锅炉50万吨，完成节能改造40万吨，提高燃煤工业锅炉运营效率6个百分点，计划节约4000万吨标准煤。/pp　　这是继火电行业大幅提高排放标准后，国家部委首次针对其他燃煤工业锅炉的环保提标改造措施。业内人士表示，在环保压力倒逼下，燃煤工业锅炉行业迎来了以燃煤清洁化、替代化为主要技术路线的节能减排革命，将催生数千亿元的改造、运营市场。到2018年，燃煤工业锅炉改造市场将高达4500亿元。/pp　　据了解，在火电与其他燃煤工业锅炉行业之间一直存在大气污染物排放双重标准，燃煤工业锅炉标准低，与火电超临界、超超临界机组相比，技术水平和环保措施落后至少十年。我国工业锅炉平均热效率仅为60%，较国外低20%—25%。工业窑炉超过16万座，年耗煤量3亿吨，供热窑炉平均热效率仅为40%，较国外低10%—30%。技术装备落后、环保设施不到位是导致燃烧效率低、污染物排放浓度高的直接原因。/pp　　消除工业污染，中国要走自己的治霾道路/pp　　我国自2013年起已出台一系列治霾政策与法规，环保治理虽初见成效，但仍任重道远。专家表示，我国工业化进程比发达国家晚，雾霾成因更为复杂，治霾要充分考虑自身国情。作为发展中国家，在现阶段资金不足，缺乏先进的、适用的新技术是我国在发展能源工业中消除污染、保护环境很难逾越的障碍。/pp　　对污染防治技术，中国政府报告明确指出：我国环境科技研究的任务，应该是发展适合我国国情的实用技术，努力协调经济发展和环境保护之间的关系，控制环境污染的发展。根据我国的能源结构、资源条件和经济能力，以燃煤为主的基本格局将成为我国大气污染控制的出发点和立足点。今后的研究方向是采用综合的、低投资、低运行费、高效益、适合国情的技术。/pp　　“煤炭本身不是污染，可以通过技术进步实现洁净利用，我国要实现以节能减排治理雾霾天气，必须靠科技手段解决。”烟台华盛燃烧设备工程有限公司董事长姜政华在接受科技日报记者采访时一语中的。他认为，当前社会普遍对治霾的难度认识还不够充分，同时经济效益至上和监管力量薄弱也降低了雾霾治理的效果。我国的一些环保技术如电厂超低排放等已达到甚至超过了国际先进水平，大部分电厂也安装了在线实时监测系统，但仍然有许多工厂偷排，其实都是经济在作祟。更重要的是，关于雾霾治理的技术路线还缺乏创新。无论是英国、美国还是日本，都经历过从制定标准到标准执行、从技术开发到技术应用的过程。我国应该从科学研究出发，针对现实问题，多方参与治理，才能重现“蓝天”。/pp　　大气污染催生新技术，“控制锅炉烟气排放总量”在我国首次提出/pp　　面对我国严峻的空气污染治理形势，企业家们看在眼里，急在心里。日前，姜政华就在国内率先提出了“控制锅炉烟气排放总量，减少废烟气向大气排放”新方法，旨在通过采用富氧烟气再循环技术，为我国工业锅炉及电厂中小型锅炉实现大幅度节能减排找到新的出路。/pp　　烟气再循环是指把锅炉煤炭燃烧后排出的烟气抽回10%—20%，再送进锅炉作为一部分送风助燃，故称烟气再循环。因抽回的烟气中含氮量比空气中含氮气低又称为低碳燃烧技术，烟气再循环低碳燃烧技术是当前大型火力发电锅炉的标准配置，技术成熟。/pp　　姜政华提出的“控制锅炉烟气排放总量”新方法，正是在这个技术之上采用富氧烟气再循环技术，可使减排、节能效率大为提高。/pp　　目前，热电厂锅炉采用烟气再循环技术时的烟气回收率一般都控制在10%—20%。如烟气再循环率太高，造成烟气太多，燃料就得不到充足的氧气，会出现燃烧不稳定或不完全燃烧，导致热损失增加，同时还会增加黑烟的产生量。/pp　　富氧烟气再循环是把锅炉煤炭燃烧后排出的烟气由原来抽回15%—20%增加到50%—70%，在50%—70%的烟气再循环中再增加一定的富氧，姜政华将这项技术命名为富氧烟气再循环混合燃烧技术。据介绍，该技术原理由研究者Home(霍姆)和Steinburg(斯坦伯格)于1981年提出。“此前我国膜法制氧富氧助燃技术尚不完备，所以国内目前还没有企业从事该技术研发。”/pp　　据姜政华介绍，目前一般富氧烟气再循环可抽回50%烟气。工业锅炉如采用该技术后，烟气量可以降低烟尘排放50%，降低二氧化硫排放50%，降低氮氧化物排放50%。/pp　　“在工业燃煤锅炉采用富氧烟气再循环是可行的、技术是成熟的。不仅如此，在工业燃油、燃气、燃生物质工业锅炉、火电厂、中小炉窑等都可采用富氧烟气再循环燃烧技术，以有力控制烟气排放总量，达到减少雾霾的形成。该技术是节能减排可持续发展、治理大气污染最行之有效的简便方法，为我国工业锅炉特别是循环流化床锅炉应用膜法制氧开辟出了一条全新的路径。”姜政华告诉记者：“烟气湿度和温度都能影响雾霾天气，治理脱硫脱硝不能放松，最重要的还是采用富氧烟气再循环技术，减少烟气排放总量，此才是根治我国雾霾天气的必由之路。”/pp　　姜政华认为，在进行大气污染治理时，最重要的设计数据之一是锅炉运行实际烟气排放量。但目前我国在用锅炉大气污染物排放限额标准都是以排出烟气每立方米含烟尘、二氧化硫、氮氧化物多少计算，而没有限定锅炉实际烟气排放总量。/pp　　工业锅炉运行炉膛出口空气过量系数标准应是1.3，按系数1.3计，以每公斤标煤实际烟气量按10.36Nm3/kg计算，每年就向大气排放烟气41.44亿Nm3，工业锅炉运行炉膛出口空气过量系数运行好的锅炉在1.7左右，按系数1.7计，以每公斤标煤实际烟气量按13.46Nm3/kg计算，每年就向大气排放烟气53.84亿Nm3，大部分工业锅炉运行炉膛出口空气过量系数都在2.0左右，按系数2.0计，以每公斤标煤实际烟气量按15.28Nm3/kg计算，每年就向大气排放烟气61.12亿Nm3，工业锅炉运行炉膛出口空气过量系数一般在2.0左右。与工业锅炉运行炉膛出口空气过量系数1.3相比多向大气排放烟气19.68亿Nm3，排放烟尘590.4万吨，排放二氧化硫1968万吨，排放氮氧化物4920万吨。/pp　　因烟气总量是根据空气过量系数的变化而变化，所以导致数据差距非常大，锅炉超排放烟气量也是直接形成大气污染的主要因素。“比较可靠的方法是在锅炉运行中实际测定排烟量，也可以根据锅炉热力计算书、热工测试报告，得出锅炉在运行负荷下的限额排放，不得超额排放排烟量。”/pp　　现有热力设备最大的节能制约因素在于空气燃烧法。在常规的化石燃料燃烧装置中，燃烧过程都是以空气来助燃，空气中含有大量的氮气(接近79%)，因此导致烟气中CO2的浓度较低(约为13%—16%)，直接分离CO2需要消耗大量的能量，致使成本过高。“如果能在燃烧过程中大幅度提高烟气中CO的浓度，使浓度达到无需分离即可回收，就能有效控制CO2的排放。富氧烟气再循环技术就是在这种原理下产生的。”在姜政华看来，控制锅炉烟气排放总量采用烟气再循环技术应用十分灵活，既可在锅炉系统上使用，也可在其他燃烧设备、燃烧技术配合使用，都能达到降低氮氧化物生成量的目的。“通过降低燃烧器氧气的浓度，烟气还可用来输送二次燃料。如利用省煤器后烟气(温度为250℃—350℃)的一部分烟气再循环，并可以实现调节炉膛温度的作用。”/pp　　现有工业锅炉的燃烧方式使NOx排放较高，无法通过燃烧调整达到国家环保要求。“就拿目前普遍采用的SNCR和SCR燃烧后脱硝技术，其运行成本不但高，且脱硝剂为化工产品，在消防等方面存在安全隐患，如氨逃逸会造成二次污染。”姜政华分析说。/pp　　相比之下，O2/CO2混合富氧燃烧技术的优越性就十分明显。首先，采用烟气再循环比达到50%左右后，以烟气中的CO2替代助燃空气中的氮气，与增加的富氧一起参与燃烧，使排烟中CO2体积分数大于95%，可直接回收CO2，与常规空气燃烧相比，SO2、NO排放量大为降低。再者，富氧烟气再循环使得燃烧装置的排烟量仅为传统方式的1/4，使锅炉烟气排放量明显减少，排烟热损失的降低，也使得锅炉热效率显著提高。此外，通过调整CO2的循环比例，还可以实现燃烧、传热的优化设计。/pp　　膜法富氧燃烧技术已在我国钢铁、水泥等行业成功应用，节能减排效果显著/pp　　2012年8月18日，由烟台华盛燃烧设备工程有限公司研制的“MZYR-12000富氧助燃节能装置”在中国企业500强—河南天瑞集团汝州水泥有限公司日产5000吨的水泥回转窑上投入运行。这是目前我国水泥炉窑配备的最大膜法富氧助燃装置。运行效果显示，炉窑火焰温度提高了200℃，二次风温提高100℃，节煤率达到8.18%。通过在线仪表测试，炉窑排放烟气中NOx浓度降低了15.64%，二氧化硫浓度降低7.71%，烟气流速降低2.28%，各项排放指标达到了设计要求。/pp　　该装置采用国内尖端制造技术，率先把膜法制氧设备大型化。为保障在恶劣环境下的使用，该公司精心设计了自洁式PLC控制空气过滤系统，可确保膜组件使用寿命长达10年以上。同时，该装置还首次采用大型集成化膜组件，使富氧流量每小时可达24000立方米，能满足日产10000吨水泥炉窑和企业自备热电联产每小时450吨以下的锅炉使用。局部全富氧助燃技术的应用，不仅让工业炉窑节能率达到了10%—15%，也使设备性价比更加合理。该装置填补了该领域的国内空白，已达到国际同类产品领先水平。/pp　　研究表明，煤炭(包括油品、天然气)在氧浓度为26%时燃烧最完全，速度最快，温度最高，热辐量强度最大，其燃烧机理是高分子膜在压力差的作用下，使空气中的氧气优先通过进入，以提高工业炉窑内氧气的含量，让燃料中的挥发份和没燃尽的碳粒子在富氧中充分燃烧，最大化地转为热能，在不增加燃料的前提下，火焰温度提高100℃—350℃，由此达到节能之目的。/pp　　当前，我国工业总体上尚未摆脱高投入、高消耗、高排放的发展方式，资源能源消耗量大，生态环境问题比较突出，迫切需要加快构建科技含量高、资源消耗低、环境污染少的绿色制造体系。工业和信息化部在印发的《工业绿色发展规划(2016—2020年)》的通知中规定指出，未来五年，是落实制造强国战略的关键时期，是实现工业绿色发展的攻坚阶段。/pp　　“结合国家政策和要求，在我国大力推动以富氧代替空气助燃，锅炉采用控制烟气排放总量的方式，更符合工业绿色发展的方式，此举不仅有利于推进节能降耗、实现降本增效，更补齐了工业绿色发展中的重要短板。”姜政华表示。/p