CN109596771A - 一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置及燃烧测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置，包括燃烧炉壳体、炉盖和气体传输管，在燃烧炉壳体内横向设置有燃烧网，在燃烧网的下部设置有补气传输管，补气传输管穿过燃烧炉壳体延伸至壳体外并与补气泵连接，在燃烧网的上部设置有测试管，测试管穿过燃烧炉壳体延伸至壳体外并与烟气分析仪连接。本发明的燃烧装置可以使生物质进行明火燃烧，避免生物质焖燃，避免燃烧不充分，真实、准确的模拟了露天燃烧的实际情况，通过燃烧定量的烘干的生物质，烟气分析仪监测燃烧过程中CO和CO2浓度来实时计算燃烧效率，通过对燃烧过程的补气控制以保证其长时间明火燃烧，更准确、更真实的模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置及燃烧测试方法，属于环境测试设备技术领域。
背景技术
中国作为世界范围内的农业大国，约有80%的人口以农业为主，生物质燃料在农村能源构成中占重要位置。据统计，1992年中国农村地区消耗的能源总量约为5.70亿吨标准煤，其中农作物秸秆和薪柴分别相当于1.36亿吨标准煤和1.10亿吨标准煤。1995年我国农作物秸秆产量达到6.04亿吨，其中玉米秸秆2.24亿吨，小麦秸秆1.40亿吨，水稻秸秆1.7亿吨，其中约25%农作物秸秆被直接露天燃烧。生物质秸秆燃烧所产生的气溶胶在释放后会参与大气传输与化学过程，其特殊的光学性质和化学构成，影响着地表辐照平衡和大气氧化性，并产生一系列污染事件。
生物质露天燃烧特别是农作物秸秆露天燃烧排放的大气污染物会对我国地区环境气候、居民身心健康产生重要效应。在我国，露天燃烧排放的大气污染物对区域环境和气候的影响方式和影响程度也在不断的发展和变化。为进一步了解并研究农作物秸秆露天燃烧排放大气污染物造成的区域环境影响、气候变化效应以及居民身心健康的问题，需要通过实验室模拟农作物秸秆露天燃烧的方法来研究其排放大气污染物的排放清单和排放特征。
现阶段，实验室模拟农作物秸秆露天燃烧所采用的燃烧炉缺少统一的实验装置，也没有统一的制造和使用标准，已有的模拟农作物秸秆燃烧的燃烧炉大多数情况存在设施简陋、体积大、占地面积多、密封性差、燃烧效率低、农作物秸秆消耗量大等缺点，并且因燃烧炉无法模拟露天环境导致农作物秸秆燃烧过程中会出现长时间的闷燃过程，产生大量不完全燃烧产物，因而无法很好地模拟农作物秸秆露天燃烧的实际情况，导致模拟失去真实性和准确性。
为更真实、更准确的来模拟农作物秸秆露天燃烧的实际情况，更好的揭示农作物秸秆露天燃烧源排放大气污染物所造成的区域环境效应和气候效应，达到减轻并控制大气污染的目的，亟需一种更符合实际露天条件的模拟农作物秸秆露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置。
发明内容 针对上述现有的不足，本发明提供一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置及燃烧测试方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置，包括一端开口另一端密封的燃烧炉壳体，在燃烧炉壳体开口端处设置有炉盖，炉盖与燃烧炉壳体密封连接，炉盖的顶部设置有气体传输管，气体传输管与燃烧炉壳体内部连通，在燃烧炉壳体内横向设置有燃烧网，在燃烧网的下部设置有补气传输管，补气传输管穿过燃烧炉壳体延伸至壳体外并与补气泵连接，在补气传输管的管路上设置有流量控制器和颗粒物过滤器，在燃烧网的上部设置有测试管，测试管穿过燃烧炉壳体延伸至壳体外并与烟气分析仪连接。
根据本发明优选的，在燃烧炉壳体开口端与炉盖之间设置有密封圈，燃烧炉壳体开口端与炉盖通过密封夹固定连接。
根据本发明优选的，燃烧炉壳体为圆柱形壳体，炉盖为倒漏斗形，倒漏斗形的顶部漏斗嘴与气体传输管连接，炉盖开口端内径与燃烧炉壳体开口端内径相匹配，在燃烧网上部的壳体上设置有透明观察窗。
根据本发明优选的，燃烧炉壳体高度为800-1200mm，内直径为700-800mm，炉盖的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，炉盖的高度为100-200mm，炉盖底部开口端内径为700-800mm。
根据本发明优选的，气体传输管的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，气体传输管的内直径为20-40mm。
根据本发明优选的，燃烧网为圆形石棉燃烧网，燃烧网的周边设置有硬性固定架，硬性固定架的另一端固定在燃烧炉壳体的内侧壁上。
根据本发明优选的，在燃烧网的底部设置电打火装置，电打火装置与燃烧炉壳体侧壁外的打火开关电连接，电打火装置紧贴燃烧网底部。
根据本发明优选的，所述的烟气分析仪为德图testo350pro烟气分析仪，颗粒物过滤器为高效空气颗粒物 (HEPA) 过滤器。
根据本发明优选的，补气传输管的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，补气传输管的内直径为10-30mm。
根据本发明优选的，在燃烧炉壳体内底部设置有收集托盘。
根据本发明优选的，位于燃烧炉壳体内的补气传输管端部设置有喷嘴，喷嘴与燃烧网的中心相对, 喷嘴与燃烧网之间的距离为10-15cm。
喷嘴与燃烧网之间的距离配合补气流速可以使生物质进行明火燃烧，避免生物质焖燃，避免燃烧不充分，真实、准确的模拟了露天燃烧的实际情况，通过燃烧定量的烘干的生物质，德图testo350pro烟气分析仪监测燃烧过程中CO和CO2浓度来实时计算燃烧效率，通过对燃烧过程的补气控制以保证其长时间明火燃烧模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的过程。为更好的揭示生物质露天燃烧源排放大气污染物的所造成的区域环境效应和气候效应起到关键的奠基作用。
本发明还提供一种利用上述燃烧装置进行燃烧测试的方法。
一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧测试方法，包括步骤如下：
1）准备阶段：启动补气泵对燃烧装置吹洗4-6min；先将烟气分析仪调零后再与燃烧装置连接；
2）称量5-15g干净的生物质，烘干后置于燃烧网上铺开，密封炉盖与壳体，将气体传输管外接大气气溶胶烟雾箱；打开补气泵，通过流量控制器控制补气流速，通过补气传输管向烧炉壳体输入无颗粒物的空气，打开烟气分析仪进行测试，观察谱图并记录CO、CO2的初始浓度；
3）使用电打火装置点燃生物质，通过透明观察窗观察生物质燃烧情况，10-20秒后开始计时并记录CO、CO2浓度数据，通过烟气分析仪所实时给出的CO、CO2浓度计算生物质燃烧效率。
根据本发明优选的，步骤2）中，所述的生物质为农作物秸秆或/落叶，所述的农作物秸秆为水稻、小麦、玉米、大豆或棉花秸秆中的一种或两种以上组合，所述的落叶为梧桐落叶。
根据本发明优选的，步骤2）中，补气流速为4-10L/min，优选的，补气流速为6-9L/min，被燃烧生物质的重量为5-10g。
根据本发明优选的，步骤3）中，测试过程中根据实时的生物质燃烧效率调节流量控制器，当生物质燃烧效率小于0.9时调增进气流量，使农作物秸秆完全燃烧，保证燃烧效率大于等于0.9，有利于更加准确地模拟农作物秸秆露天燃烧排放大气污染物的燃烧过程，保证后续完成模拟农作物秸秆露天燃烧产生大气污染物的采样及测定工作。
燃烧效率公式：η= [CO2 秸秆燃烧]/([CO2 秸秆燃烧]+[CO秸秆燃烧])
本发明测试方法中使用的燃烧装置、喷嘴与燃烧网之间的距离、补气流速、燃烧物质的选择、燃烧物质的量，可以使燃烧物质经历脱水、挥发分的析出和燃烧（明火的出现）、火焰熄灭后的阴烧（焦炭的表面燃烧）以及灰烬形成等阶段，燃烧时间久，温度高，与现实场景下的露天燃烧过程相符，使燃烧物质在室内情况下真实模拟了露天燃烧过程，使其明火燃烧，避免焖燃，避免燃烧不充分，真实、准确的模拟了露天燃烧的实际情况，能真实准确模拟开放性生物质燃烧的整个过程。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的燃烧装置体积小，占地面积少，所需农作物秸秆样品少，且结构简单，易于操作。
2、本发明的燃烧装置喷嘴与燃烧网之间的距离配合补气流速可以使生物质进行明火燃烧，避免生物质焖燃，避免燃烧不充分，真实、准确的模拟了露天燃烧的实际情况，通过燃烧定量的烘干的生物质，德图testo350pro烟气分析仪监测燃烧过程中CO和CO2浓度来实时计算燃烧效率，通过对燃烧过程的补气控制以保证其长时间明火燃烧，更准确、更真实的模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的过程。
3、本发明的燃烧装置对外部环境条件要求不高，可在较高温度下正常运行，燃烧灰烬收集托盘使得装置在使用后清洁方便，且维护简单，结实耐用。
4、本发明使用的烟气分析仪可从内置电脑快速建立和统计数据记录和预编程序，且实时测量时间持续长，内存储量充足，可更多地记录测试数据。
5、本发明的燃烧炉炉盖以及气体传输管内壁均采用Teflon防粘涂层，可以最大程度地减少农作物秸秆样品燃烧后产生大气污染物的壁损失。
附图说明
图1是模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置的结构示意图。
图中，1为密封夹、2为透明观察窗、3为电打火装置、4为电打火开关、5为燃烧灰烬收集托盘、6为气体传输管、7为炉盖、8为密封圈、9为德图testo350pro烟气分析仪、10为石棉燃烧网、11为硬性固定架、12为补气传输管、13为流量控制器、14为高效颗粒物过滤器（HEPA）、15为补气泵、16为燃烧炉壳体。
图2为采用实施例1的装置通过补气和不补气模拟水稻秸秆露天燃烧产生大气污染物的效果图；
图3为采用实施例1的装置不同补气量下生物质的燃烧效率柱状图；
图4采用实施例1的装置不同补气量下生物质CO排放因子的柱状图；
图5采用实施例1的装置不同补气量下生物质CO2排放因子的柱状图。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于此。
排放因子=气态污染物的排放量/被燃烧物质的量。
实施例1：
一种模拟农作物秸秆露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置，结构如图1所示，包括一端开口另一端密封的燃烧炉壳体16，燃烧炉壳体为圆柱形壳体，燃烧炉壳体高为1000mm，内直径为750mm，在燃烧炉壳体开口端处设置有设置有炉盖7，在燃烧炉壳体开口端与炉盖之间设置有密封圈8，燃烧炉壳体开口端与炉盖通过密封夹1固定连接，炉盖为倒漏斗形，倒漏斗形的顶部漏斗嘴与气体传输管6连接，气体传输管6与燃烧炉壳体内部相通。炉盖的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，炉盖7的高度为150mm，炉盖底部开口端内径位750mm，炉盖底部开口端内径与燃烧炉壳体开口端内径相匹配，气体传输管6的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，气体传输管的内直径为30mm。
在燃烧炉壳体内横向设置有燃烧网10，燃烧网为圆形石棉燃烧网，燃烧网的周边设置有硬性固定架11，硬性固定架的另一端固定在燃烧炉壳体的内侧壁上。在燃烧网的下部设置有补气传输管12，补气传输管12贯穿燃烧炉壳体延伸至壳体外并与补气泵15连接，在补气传输管12的管路上设置有流量控制器13和高效颗粒物过滤器（HEPA）14，在燃烧网的上部设置有测试管，测试管延伸至壳体外并与德图testo350pro烟气分析仪9连接。在燃烧网上部的壳体上设置有透明观察窗2。
在燃烧网的底部设置电打火装置3，电打火装置3与燃烧炉壳体侧壁外的电打火开关4电连接。补气传输管12的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，补气传输管的内直径为10-30mm。在燃烧炉壳体内底部设置有燃烧灰烬收集托盘5，位于燃烧炉壳体内的补气传输管端部设置有喷嘴，喷嘴与燃烧网的中心相对，喷嘴与燃烧网之间的距离为15cm。
实施例2：
利用实施例1的燃烧装置进行燃烧测试的方法，包括步骤如下：
1）准备阶段：启动补气泵对燃烧装置吹洗4-6min；先将烟气分析仪调零后再与燃烧装置连接；
2）称量10g干净的水稻秸秆，在烘箱内烘干24小时后，置于圆形石棉燃烧网10处均匀铺开，盖好密封圈8，盖好漏斗型燃烧炉盖7，扣紧炉盖周围四个密封夹1，保证燃烧炉装置的气密性，将气体传输管6与大气气溶胶烟雾箱连接紧密；打开补气泵14，调节流量控制器13，控制空气流速为6L/min，空气通过高效颗粒物过滤器（HEPA）14去除空气中的颗粒物，并经补气传输管12将无颗粒物的空气通入燃烧炉炉体16中；打开德图testo350pro烟气分析仪9，调至“CO、CO2测定并记录数据模式”，观察谱图及CO、CO2的初始浓度；
3）按下电打火开关4，使用电打火装置3，点燃水稻秸秆样品（液化气点火，点火时间0.2秒，液化气燃烧产生的CO2影响可忽略），通过透明观察窗2观察水稻秸秆燃烧情况，15秒后开始计时并记录数据（目的在于德图testo350pro烟气分析仪所测定的CO、CO2为水稻秸秆燃烧产生，以免影响秸秆燃烧效率实时监测的可靠性）。并以燃烧效率0.9为界限判断燃烧是闷燃还是明燃，当水稻秸秆燃烧效率大于0.9时，农作物以明燃为主，当水稻秸秆燃烧效率小于0.9时，农作物秸秆以闷燃为主。通过德图testo350pro烟气分析仪9所实时给出的CO、CO2浓度，根据实时的水稻秸秆燃烧效率调节流量控制器13，当水稻秸秆燃烧效率小于0.9时调增进气流量，使水稻秸秆完全燃烧，将燃烧效率保证在0.9以上，有利于更加准确地模拟秸秆露天燃烧排放大气污染物的燃烧过程，保证后续完成模拟农作物秸秆露天燃烧产生大气污染物的采样及测定工作。
利用实施例1的燃烧装置进行燃烧测试并与不补气进行对比，结果如图2所示，实施例2在水稻秸秆的补气燃烧实验中，其产生的平均CO2浓度为8500ppm，，其产生的平均CO浓度为740ppm，水稻秸秆平均燃烧效率为0.92＞0.9，一方面说明本燃烧炉装置适当的补气流速可以提高农作物秸秆燃烧效率，另一方面说明本燃烧炉装置合适地补充空气可以延长农作物秸秆明火燃烧的时间，因此可以更好的模拟农作物秸秆露天燃烧排放大气污染物的燃烧过程。
实验例：不同补气流量对不同燃烧物质燃烧效率的影响
1、采用实施例2的测试方法对五种中国典型农作物秸秆（水稻、小麦、玉米、大豆和棉花秸秆）和落叶在流量为9L/min的高补气流量条件下，监测燃烧排放的气态污染物的排放因子（见表1）。从表1可以看到，水稻、小麦、玉米、大豆和棉花秸秆和落叶在高补气流量的明火充分燃烧的状态下，CO的平均排放因子分别为85.84、135.44、96.85、121.08、105.05和101.99 g/kg；CO2的平均排放因子分别为847.27、1595.60、1331.30、1344.86、1227.21和967.90 g/kg。由于生物质秸秆的组分和结构不同，会导致生物质秸秆燃烧模式及燃烧特性不同。所有实验重复4次以上，以确保实验的准确性。
通过上表1可以看出，通过测试不同农作物秸秆和落叶在9L/min补气量条件下，燃烧效率均达到了90以上，秸秆燃烧过程包括了脱水、挥发分的析出和燃烧（明火的出现）、火焰熄灭后的阴烧（焦炭的表面燃烧）以及灰烬形成等阶段，燃烧时间久，温度高，因此与现实场景下的露天燃烧过程基本相符，充分证明了本发明的燃烧装置，能较好地模拟开放性生物质燃烧的整个过程。
2、在现实的开放性生物质燃烧时，由于天气等因素，会导致燃烧秸秆周围环境的补气流量不同，也会对生物质的燃烧过程带来影响。燃烧室进补气流量对生物质秸秆燃烧过程的影响主要有三个：氧气量（空燃比），燃烧温度（外界空气带走生成的热）和颗粒物的稀释作用。含氧气氛中，燃料的燃烧主要存在两个不同过程或者路径：①燃料在高温作用下，先同时热解为挥发分和固定碳，然后这两部分同时燃烧；②固定碳和挥发分的同时多相氧化燃烧。其中，氧气含量会对生物质的燃烧模式以及生物质中固定碳的燃烧过程起着重要的作用。
采用实施例2的测试方法对五种生物质秸秆和落叶在低补气流量（3L/min）下的燃烧情况。表2展示了在低补气流量下，生物质燃烧产生气态污染物的状况。
从表中可以看到，水稻、小麦、玉米、大豆和棉花秸秆和落叶在低补气流量下进行明火燃烧时，CO的平均排放因子分别为117.84、225.44、150.19、160.78、150.55和122.89g/kg；CO2的平均排放因子分别为806.28、1525.60、1258.50、1295.24、1130.21和919.77 g/kg；SO2的平均排放因子分别为0.58、0.60、0.79、1.01、0.63、1.13 g/kg；NOX的平均排放因子分别是4.11、3.40、4.26、4.19、4.15和3.37 g/kg。上述排放因子的数值和高补气流量下的排放因子和燃烧效率有着一定的区别。
通过图4、图5可以看出，CO和CO2在低补气流量下，生物质燃烧过程中产生的CO含量普遍高于高补气流量下的燃烧实验，于此同时CO2含量有所降低，从而导致整个过程的燃烧效率降低。在高补气流量条件下，燃烧效率可以达到90 %以上，而当补气流量降低，空燃比下降，燃烧效率会有所降低，因此，本发明的补气流量可以使生物质进行明火燃烧，避免生物质焖燃，避免燃烧不充分，真实、准确的模拟了露天燃烧的实际情况。
Claims (10)
1.一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置，包括一端开口另一端密封的燃烧炉壳体，在燃烧炉壳体开口端处设置有炉盖，炉盖与燃烧炉壳体密封连接，炉盖的顶部设置有气体传输管，气体传输管与燃烧炉壳体内部连通，在燃烧炉壳体内横向设置有燃烧网，在燃烧网的下部设置有补气传输管，补气传输管穿过燃烧炉壳体延伸至壳体外并与补气泵连接，在补气传输管的管路上设置有流量控制器和颗粒物过滤器，在燃烧网的上部设置有测试管，测试管穿过燃烧炉壳体延伸至壳体外并与烟气分析仪连接。
2.根据权利要求1所述的模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置，其特征在于，在燃烧炉壳体开口端与炉盖之间设置有密封圈，燃烧炉壳体开口端与炉盖通过密封夹固定连接。
3.根据权利要求1所述的模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置，其特征在于，燃烧炉壳体为圆柱形壳体，炉盖为倒漏斗形，倒漏斗形的顶部漏斗嘴与气体传输管连接，炉盖开口端内径与燃烧炉壳体开口端内径相匹配，在燃烧网上部的壳体上设置有透明观察窗，燃烧炉壳体高度为800-1200mm，内直径为700-800mm，炉盖的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，炉盖的高度为100-200mm，炉盖底部开口端内径为700-800mm，气体传输管的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，气体传输管的内直径为20-40mm。
4.根据权利要求1所述的模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置，其特征在于，燃烧网为圆形石棉燃烧网，燃烧网的周边设置有硬性固定架，硬性固定架的另一端固定在燃烧炉壳体的内侧壁上。
5.根据权利要求1所述的模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置，其特征在于，在燃烧网的底部设置电打火装置，电打火装置与燃烧炉壳体侧壁外的打火开关电连接，电打火装置紧贴燃烧网底部，所述的烟气分析仪为德图testo350pro烟气分析仪，颗粒物过滤器为高效空气颗粒物 (HEPA) 过滤器。
6.根据权利要求1所述的模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置，其特征在于，补气传输管的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，补气传输管的内直径为10-30mm，在燃烧炉壳体内底部设置有收集托盘，位于燃烧炉壳体内的补气传输管端部设置有喷嘴，喷嘴与燃烧网的中心相对, 喷嘴与燃烧网之间的距离为10-15cm。
7.一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧测试方法，包括步骤如下：
1）准备阶段：启动补气泵对燃烧装置吹洗4-6min；先将烟气分析仪调零后再与燃烧装置连接；
2）称量5-15g干净的生物质，烘干后置于燃烧网上铺开，密封炉盖与壳体，将气体传输管外接大气气溶胶烟雾箱；打开补气泵，通过流量控制器控制补气流速，通过补气传输管向烧炉壳体输入无颗粒物的空气，打开烟气分析仪进行测试，观察谱图并记录CO、CO2的初始浓度；
3）使用电打火装置点燃生物质，通过透明观察窗观察生物质燃烧情况，10-20秒后开始计时并记录CO、CO2浓度数据，通过烟气分析仪所实时给出的CO、CO2浓度计算生物质燃烧效率。
8.根据权利要求7的燃烧测试方法，其特征在于，步骤2）中，所述的生物质为农作物秸秆或/落叶，所述的农作物秸秆为水稻、小麦、玉米、大豆或棉花秸秆中的一种或两种以上组合，所述的落叶为梧桐落叶。
9.根据权利要求7的燃烧测试方法，其特征在于，步骤2）中，补气流速为4-10L/min，优选的，补气流速为6-9L/min，被燃烧生物质的重量为5-10g。
10.根据权利要求7的燃烧测试方法，其特征在于，步骤3）中，测试过程中根据实时的生物质燃烧效率调节流量控制器，当生物质燃烧效率小于0.9时调增进气流量，使农作物秸秆完全燃烧，保证燃烧效率大于等于0.9。
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