棉稈燃燒過(guò)程中的顆粒物排放特性

成 偉，陳漢平,，楊海平，邵敬愛(ài),，楊 偉，朱有健，李佳碩

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棉稈燃燒過(guò)程中的顆粒物排放特性

成 偉1，陳漢平1,2※，楊海平1，邵敬愛(ài)1,2，楊 偉1，朱有健3，李佳碩2

（1. 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074； 2. 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，新能源科學(xué)與工程系，武漢430074； 3. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，鄭州450002）

該文利用滴管爐結(jié)合DEKATI低壓撞擊采樣器，研究燃燒溫度和原料粒徑對(duì)棉稈燃燒過(guò)程中顆粒物排放特性的影響，并結(jié)合掃描電鏡和X射線光譜分析儀探討了顆粒物的微觀結(jié)構(gòu)和元素組成。結(jié)果表明PM1排放量隨燃燒溫度升高而顯著降低，從68.90 mg/m3降低至14.02 mg/m3；顆粒物總排放量從75.41 mg/m3降低至16.30 mg/m3；顆粒物分布峰值從0.609m附近移至0.261m附近；原料粒徑減小使得PM1排放量下降，從39.84 mg/m3降低23.06 mg/m3，而PM1-10排放量增加，從5.18 mg/m3增至8.38 mg/m3。分析表明細(xì)顆粒物（0.028～0.261m）主要由K、Cl及少量S元素組成，形成途徑主要為堿金屬化合物如KCl、KOH及K2SO4等的蒸發(fā)-凝集作用，并呈現(xiàn)較規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)，存在形式主要為KCl；粗顆粒物（1.590～9.860m）主要由Ca、Mg及少量Si、P組成，主要通過(guò)大顆粒的破碎或富Ca、Mg和Si顆粒物的異質(zhì)凝結(jié)轉(zhuǎn)化形成，多呈較規(guī)則的球形結(jié)構(gòu)；中間段顆粒物（0.261～1.590m）屬于過(guò)渡段，介于細(xì)顆粒物和粗顆粒物之間，微觀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

秸稈；燃燒；顆粒物；粒徑分布；微觀結(jié)構(gòu)

0 引 言

生物質(zhì)是一種可再生能源，具有環(huán)境友好、二氧化碳“零排放”等優(yōu)點(diǎn)[1]，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，生物質(zhì)逐漸成為化石燃料的替代能源，被人們稱為僅次于煤炭、石油、天然氣的“第四大能源”[2]。在燃燒過(guò)程中，生物質(zhì)中有機(jī)組分與氧氣燃燒產(chǎn)生CO2、H2O和少量碳?xì)浠衔锊⑨尫艧崃縖3]。同時(shí)，部分揮發(fā)性無(wú)機(jī)物如KOH、KCl等釋放到氣相，經(jīng)歷復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)生成顆粒物（particulate matter）[4]。這些顆粒物造成環(huán)境污染并嚴(yán)重威脅人類健康[5]，因此相關(guān)研究受到高度關(guān)注。

早期關(guān)于顆粒物排放的研究主要集中在煤炭燃燒[6-9]。煤中含有大量的Si、Al、Fe、Ca等無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，主要通過(guò)破碎和聚結(jié)形成PM10顆粒[10]。此外，煤中的微量元素（如Na、Zn等）在高溫下蒸發(fā)并隨后冷凝形成PM1顆粒[11]。隨燃燒溫度升高，PM10排放濃度增加，煤粉燃燒室的氧氣比例的增加對(duì)PM10排放影響很大，且溫度越高，影響越明顯[12]。另有研究表明煤燃燒產(chǎn)生的PM1和PM1～10的化學(xué)成分不同：PM1中主要由Na、K的硫酸鹽組成，而在PM1～10中則主要為硅酸鹽和硅鋁酸鹽，Ca和Fe在PM1和PM1～10中的含量基本相等，通常呈現(xiàn)雙峰分布[13]。

生物質(zhì)燃燒特性和元素組成與煤顯著不同，故PM排放特性也有較大差異。研究表明，與煤燃燒相比，生物質(zhì)燃燒狀況良好，炭黑及有機(jī)物顆粒的生成量很少，顆粒物主要是堿金屬和堿土金屬化合物通過(guò)均質(zhì)/異質(zhì)凝結(jié)產(chǎn)生[14]。Garcia-Maraver等[15]發(fā)現(xiàn)橄欖成型顆粒燃燒時(shí)排放顆粒物以PM2.5為主，排放量為100～600 mg/m3，分析表明其主要通過(guò)堿蒸氣的均相成核形成超細(xì)顆粒。Sippula等[16]發(fā)現(xiàn)芬蘭木材燃燒過(guò)程中PM1的無(wú)機(jī)成分是K2SO4、KCl、K2CO3、KOH，借助熱力學(xué)計(jì)算得到顆粒物形成途徑如下：蒸氣中的K2SO4在950～1 050 ℃通過(guò)均相或非均相冷凝開(kāi)始形成小顆粒，之后隨溫度的降低，K2CO3、KOH和KCl等逐漸冷凝形成顆粒物。

農(nóng)業(yè)生物質(zhì)組成與木質(zhì)生物質(zhì)不同，因而顆粒物排放特性也不盡相同[17]。木質(zhì)生物質(zhì)中Ca、Mg含量通常較高，因此燃燒產(chǎn)生的顆粒物中PM10較多；而農(nóng)業(yè)生物質(zhì)（尤其是秸稈）中堿金屬、Cl含量較高，因此PM1的排放量更多[18]。Carroll和Finnan[19]發(fā)現(xiàn)秸稈生物質(zhì)顆粒排放量高達(dá)100～399 mg/m3，遠(yuǎn)高于木材燃燒的顆粒排放量22～51 mg/m。

中國(guó)的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源儲(chǔ)量豐富，具有巨大的應(yīng)用前景和潛力，可在一定程度上替代化石燃料。然而目前對(duì)生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的顆粒物的研究多局限于木質(zhì)生物質(zhì)，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)燃燒的顆粒物形成機(jī)理仍不明晰。鑒于此，本研究選擇典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)棉稈為對(duì)象，研究燃燒溫度和原料粒徑對(duì)棉稈燃燒過(guò)程中顆粒物排放特性的影響，可為農(nóng)業(yè)生物質(zhì)在燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣品

選取典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)棉稈作為研究對(duì)象，樣品選自中國(guó)湖北省農(nóng)村地區(qū)，原料粉碎后篩分成3種粒徑段：>125～177、75～125、<75m。樣品的工業(yè)分析和元素分析分別使用SDTGA-2000工業(yè)分析儀（Las Navas，西班牙）和EL-2型元素分析儀（Vario，德國(guó)）進(jìn)行分析，使用自動(dòng)量熱儀（型號(hào)：6300，America）分析樣品的熱值，分析結(jié)果見(jiàn)表1。棉稈經(jīng)600 ℃的低溫灰化（LTA）得到無(wú)機(jī)礦物質(zhì)灰，采用X射線熒光光譜儀（Eagle III，America）分析，其主要成分見(jiàn)表2。

與文獻(xiàn)[13]中煤樣的工業(yè)分析、元素分析和灰成分分析相比，棉稈的灰分和固定碳含量較低，但揮發(fā)分含量較高，總體熱值較低；另外，含水量和O含量較高，而N、S含量明顯低于煤，體現(xiàn)生物質(zhì)燃料的環(huán)保特性；棉稈灰成分中主要以K、Ca為主，同時(shí)含有一定量的Cl、P以及Mg。

表1 棉稈樣品的工業(yè)分析和元素分析

表2 棉稈灰的成分分析

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

棉稈的燃燒試驗(yàn)在滴管爐（drop tube furnace）燃燒系統(tǒng)上進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括MFEV-10型（Sankyo Piotech，日本）微量給料裝置、電加熱爐、反應(yīng)管、氣體供應(yīng)部分、顆粒物收集系統(tǒng)以及其他相關(guān)管路。爐膛主體部分由剛玉管組成，長(zhǎng)2 000 mm，直徑為52 mm，可耐1 823 K高溫，加熱段使用硅碳棒進(jìn)行電加熱，總功率為36 kW。試驗(yàn)中燃料給料速度為 0.15 g/min，與一次風(fēng)（0.5 L/min）同時(shí)通入爐內(nèi)。為保證完全燃燒，二次風(fēng)以1.5 L/min速率進(jìn)入內(nèi)部燃燒室，一二次風(fēng)比為1∶3。固體生物質(zhì)顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間為3.5～4.0 s。

試驗(yàn)溫度為1 173～1 473 K，過(guò)量空氣系數(shù)為2.2，試驗(yàn)燃盡率>95%。燃料燃燒后，氣體攜帶顆粒物進(jìn)入旋風(fēng)分離器，經(jīng)分離后大顆粒飛灰（>10m）沉積在旋風(fēng)分離器底部，而小顆粒進(jìn)入低壓撞擊采樣器（DLPI）并被收集。DLPI共分為13級(jí)，其具體原理和使用方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7,20-21]。在樣品收集中，旋風(fēng)分離器、DLPI以及相關(guān)管路均用電加熱，并保持在393 K，以避免收集過(guò)程中酸性氣體的凝結(jié)和沉降。

試驗(yàn)選取1 173、1 273、1 373和1 473 K 4個(gè)燃燒溫度，研究工況溫度對(duì)棉稈燃燒過(guò)程中顆粒物排放的影響；選取粒徑為>125～177、75～125和<75m的棉稈，研究原料粒徑對(duì)棉稈燃燒過(guò)程中顆粒物排放的影響。每組工況至少做5次重復(fù)試驗(yàn)，其中3次用于繪制顆粒物的質(zhì)量分布曲線，3組具有較高的重復(fù)性；其余2組試驗(yàn)，一組用于X射線熒光光譜儀（X-ray fluorescence，XRF）分析顆粒物的元素組成，另一組用于環(huán)境掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）分析顆粒物的微觀結(jié)構(gòu)。

1. 微量給料裝置2. 流量計(jì)3. 一次風(fēng)4. 二次風(fēng)5. 注射式探針6. 熱電偶和溫度控制器7. 取樣探頭8. 干空氣9. 旋風(fēng)分離器10. 低壓沖擊采樣裝置11. 真空泵

1.3 樣品分析

分析的樣品為DLPI收集的顆粒物。顆粒物粒徑分布使用鋁箔收集，然后用百萬(wàn)分之一天平（0.001 mg， Sartorius M2P，Germany）稱量，可避免因水分和靜電引力帶來(lái)的質(zhì)量誤差；使用X射線熒光光譜儀（Eagle III，America）分析顆粒物的元素組成，分析時(shí)使用有機(jī)膜片，可保證沒(méi)有任何化學(xué)成分干擾；使用環(huán)境掃描電子顯微鏡（Quanta 200，荷蘭）在二次電子模式下觀測(cè)顆粒物的微觀結(jié)構(gòu)，參數(shù)為：掃描電壓HV=20.0 kV，放大倍數(shù)為2 400 X，顯示長(zhǎng)度單位為20m。

1.4 數(shù)值分析

在不同溫度和不同原料粒徑的工況下進(jìn)行多組重復(fù)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行差異顯著性分析。分析結(jié)果表明相伴概率均小于顯著性水平（=0.05），即表現(xiàn)為不顯著。因?yàn)轭w粒物產(chǎn)生量少，基本以毫克計(jì)算，因此工況間的質(zhì)量差異不會(huì)超過(guò)一個(gè)量級(jí)，導(dǎo)致分析結(jié)果為不顯著；而對(duì)于研究本身，試驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量變化對(duì)顆粒物排放研究有很大意義。差異顯著性分析使用Microsoft Excel 2013進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物質(zhì)量分布

2.1.1 溫度對(duì)顆粒物排放影響

棉稈顆粒（>125～177m）在不同溫度燃燒的顆粒物質(zhì)量粒徑分布特性如圖2所示。燃燒過(guò)程中PM0.1, PM0.1-1, PM1, PM1-10, PM10的排放量見(jiàn)表3。

注：粒徑為125～177 μm。

表3 棉稈燃燒過(guò)程中PM排放量

棉稈燃燒產(chǎn)生的顆粒物主要分布在0.028～9.860m，隨著燃燒溫度的不同其分布有明顯變化。當(dāng)燃燒溫度為1 173 K時(shí)，顆粒物在0.028～0.261m段生成量較少，主要集中在0.380～1.590m段，PM0.1-1的質(zhì)量濃度高達(dá) 68.38 mg/m3。在0.609m附近出現(xiàn)峰值，達(dá)到36.39 mg/m3，較大顆粒（>2.380m）生成量也很少。根據(jù)此分布特征可分為3種粒徑段：細(xì)顆粒段（0.028～0.261m）、中間顆粒段（0.261～1.590m）和粗顆粒段（1.590～9.860m）。然而煤燃燒產(chǎn)生顆粒物的峰值分別在0.1和2.380m處，且2.380m處峰值最高[22]，說(shuō)明煤主要產(chǎn)生粗顆粒物，而棉稈燃燒產(chǎn)生的PM10相對(duì)減少，PM1以下的細(xì)顆粒物顯著增加。這主要是由于棉稈含有較多的K、Cl等元素，顆粒物主要形成途徑為堿金屬氯化物的蒸發(fā)-凝結(jié)作用，而煤含有大量Ca、Mg等元素，主要通過(guò)內(nèi)在礦物質(zhì)聚結(jié)和外在礦物質(zhì)破碎形成顆粒物，因此兩者的顆粒物質(zhì)量粒徑分布差異較大。

結(jié)合圖2和表3可知，隨著燃燒溫度的升高，1 273 K下顆粒物的分布范圍和最高峰位置基本不變，但顆粒物總排放量從75.41 mg/m3降低至45.02 mg/m3。隨著溫度的進(jìn)一步升高（1373、1473 K），顆粒物總排量大幅減少，從最初的75.41 mg/m3降低至16.30 mg/m3。顆粒物分布的最高峰值對(duì)應(yīng)的粒徑向小顆粒偏移，主要分布在0.094～0.609m?？梢?jiàn)較低溫度段（1 173 K）產(chǎn)生的顆粒物主要集中在中間顆粒段，而較高溫度段（1 373、1 473 K）產(chǎn)生的顆粒物主要集中在細(xì)顆粒段。這可能是因?yàn)槊薅捜紵^(guò)程中，隨溫度升高，管內(nèi)局部溫度上升，此時(shí)均相成核過(guò)程占主導(dǎo)因素，細(xì)顆粒物生成量上升，而粗顆粒物生成量下降。

圖3所示為不同溫度下顆粒物的元素分布。由圖3可知，顆粒物中元素成分主要包含K、Cl、Ca、P以及少量Si、Al、S、Fe等。1 173 K下燃燒產(chǎn)生的顆粒物中，K含量很高，主要分布在細(xì)顆粒段和中間顆粒段，約占總量的80%，而在粗顆粒段則大幅降低；Ca與K分布趨勢(shì)相反，主要分布在粗顆粒段，約占總量的75%。Si主要分布在粗顆粒段，Al分布則較為均衡，而S、Cl集中出現(xiàn)在細(xì)顆粒段和中間顆粒段。P、Fe的曲線無(wú)明顯規(guī)律。可以看出，細(xì)顆粒段和中間顆粒段元素組成主要為K、Cl、S，隨著粒徑增加，K、Cl含量逐漸減少，Ca含量大幅增加，粗顆粒段元素組成主要為Ca以及少量P、Al、Si等。

圖3 不同燃燒溫度下顆粒物的元素分布

隨著溫度上升，細(xì)顆粒段和中間顆粒段中Cl和S的含量均增加，且趨勢(shì)為先大幅增加后小幅降低；而K的占比則不斷下降，但降幅相對(duì)較小，故堿金屬化合物總體呈增加趨勢(shì)。這說(shuō)明溫度越高，堿金屬氯化物和硫化物總體含量增加，蒸發(fā)-凝結(jié)過(guò)程成為主導(dǎo)，細(xì)顆粒物增加。而粗顆粒段中Ca含量隨溫度升高而下降；Al、Si隨溫度升高略有增加，但總量較少；P在高溫段含量相對(duì)較低，因此大顆粒物生成量減少，以上分析與圖2的分布一致。

2.1.2 原料粒徑對(duì)顆粒物排放影響

選擇>125～177、75～125、<75m 3個(gè)原料粒徑段，燃燒溫度為1 273 K。不同粒徑棉稈燃燒顆粒物的形成特性如圖4所示。

注：燃燒溫度為1 273 K。

結(jié)合圖4和表3可知，>125～177m的原料產(chǎn)生的顆粒物曲線是一個(gè)單峰結(jié)構(gòu)，在0.609m附近有最高峰，峰值為18.03 mg/m3，產(chǎn)生PM1以下的顆粒物較多；<75m的原料產(chǎn)生的顆粒物曲線有一個(gè)較為明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，0.609m附近出現(xiàn)最高峰，同時(shí)在3.970m處出現(xiàn)一個(gè)肩峰，且PM1以下顆粒物總量較前者有大幅下降，從 39.84 mg/m3降低至23.06 mg/m3，而PM1-10的顆粒物總量有小幅增加，從5.18 mg/m3增至8.38 mg/m3；75～125m的原料介于兩者間，曲線趨勢(shì)與>125～177m相似，顆粒物總量由45.02 mg/m3降至28.26 mg/m3。

可以看出，產(chǎn)生的顆粒物主要為PM0.1-10，原料粒徑對(duì)顆粒物峰值濃度有著明顯的影響。原料粒徑越大，0.609m附近峰值越高；隨著粒徑減小，PM1以下顆粒物排放量下降，而PM1-10逐漸增加；PM0.1以下顆粒物生成量極少，僅為0.38 mg/m3，原料粒徑對(duì)其無(wú)明顯影響。產(chǎn)生上述變化的主要原因?yàn)樵狭皆叫?，受熱比表面積越大，燃燒時(shí)局部溫度越高，非均相凝結(jié)過(guò)程占主導(dǎo)，易形成大顆粒，導(dǎo)致的PM1-10上升和PM1的下降[23]。

顆粒物中無(wú)機(jī)元素分布如圖5所示。由圖5可知大顆粒棉稈（>125～177m）產(chǎn)生的顆粒物中K、Cl、S含量較高，且主要分布在細(xì)顆粒段和中間顆粒段（0.028～1.590m），易結(jié)合形成KCl、K2SO4等化合物，然后通過(guò)蒸發(fā)-凝結(jié)形成晶核并最終形成超細(xì)顆粒物；粗顆粒段(1.590～3.970m)以Ca和P為主，Si、Al含量較低，分布無(wú)明顯規(guī)律。隨棉稈原料粒徑減小，中顆粒棉稈（75～125m）產(chǎn)生顆粒物中細(xì)顆粒段和中間顆粒段的K含量明顯下降，而Cl、S含量有輕微增加，總體上堿金屬化合物含量降低，故0.609m附近峰值有小幅降低；而粗顆粒段中Ca含量下降幅度小，對(duì)曲線分布基本無(wú)影響，因此曲線總體與大顆粒棉稈相近，僅顆粒物總質(zhì)量較之有小幅下降。小顆粒棉稈（<75m）產(chǎn)生的顆粒物與中顆粒棉稈（75～125m）相比，細(xì)顆粒段和中間顆粒段（0.028～1.590m）中K含量有大幅下降，Cl、S含量?jī)H在小顆粒段有小幅增加，故0.609m附近峰值有大幅降低；而粗顆粒段中Ca含量小幅下降，同時(shí)Al、Si等含量有明顯增加，由于Ca富集較多，顆粒凝結(jié)后易吸附在氧化形成的CaO上，形成大顆粒，故粗顆粒排放增加，在3.970m處形成肩峰。以上分析與圖4結(jié)果一致。

圖5 不同粒徑原料燃燒顆粒物的元素分布

2.2 顆粒物結(jié)構(gòu)分析

棉稈（>125～177m）在1 273 K下燃燒產(chǎn)生的顆粒物典型形貌如圖6所示，圖6a到圖6c依次為細(xì)顆粒、粗顆粒和中間顆粒的典型形貌圖，對(duì)應(yīng)的粒徑依次為0.156～0.261、1.590~9.860和0.261～1.590m。如圖6a所示，細(xì)顆粒多呈現(xiàn)規(guī)則的柱體或長(zhǎng)方體形結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖5可知細(xì)顆粒段富含K、Cl等易揮發(fā)性元素，而Ca、Si等難熔性元素含量較少，故在燃燒過(guò)程中，堿金屬蒸汽、堿金屬氯化物和氫氧化物在高溫下從燃料中釋放，然后通過(guò)均勻成核冷凝形成超細(xì)顆粒[11]。此外，這些揮發(fā)性無(wú)機(jī)物也可以通過(guò)均相成核過(guò)程凝集在新形成的或已有的顆粒上，增加顆粒尺寸[24]。聚并過(guò)程也有助于PM1形成[25]。

a. 0.156~0.261 μm b.1.590~9.860 μm c.0.261~1.590 μm

如圖6b所示，粗顆粒多由球狀顆粒團(tuán)簇而成。結(jié)合圖5可知粗顆粒段富含Ca、P、Si以及少量的堿金屬。其形成原因可能有以下2種：1）在脫揮發(fā)分和焦炭燃燒過(guò)程中，有機(jī)結(jié)合的Ca被直接釋放，隨后被氧化成CaO，通過(guò)催化燒結(jié)和揮發(fā)分無(wú)機(jī)物（如KCl、K2SO4）的非均相凝結(jié)共同形成富含Ca的大顆粒[26]；2）含堿金屬和堿土金屬的化合物可以與礦物反應(yīng)生成硅酸鹽和磷酸鹽，并通過(guò)凝結(jié)和破碎生成PM1-10[27]。

由圖6c可知中間顆粒段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形貌不一，兼具前兩種顆粒段形成機(jī)理。此外，圖6c中顆粒物的量級(jí)明顯高于圖6a和圖6b，這與圖2的質(zhì)量粒徑分布結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

本文研究了棉稈燃燒過(guò)程中顆粒物的排放特性，包括質(zhì)量粒徑分布、無(wú)機(jī)礦物質(zhì)組成以及形貌結(jié)構(gòu)，研究了燃燒溫度（1 173、1 273、1 373和1 473 K）以及原料粒徑（>125～177、75～125、<75m）對(duì)顆粒物形成特性的影響。主要結(jié)論可歸納如下：

1）溫度對(duì)顆粒物粒徑分布有著重要影響，顆粒物排放量隨燃燒溫度的升高而顯著下降，由75.41 mg/m3降低至16.30 mg/m3，顆粒物的最高峰值對(duì)應(yīng)的粒徑也隨溫度升高而減小，由0.609m附近降低至0.261m附近。

2）原料粒徑對(duì)顆粒物峰值濃度對(duì)應(yīng)的粒徑有著明顯的影響，原料粒徑越大（>125～177m），產(chǎn)生的PM1以下顆粒物越多（39.84 mg/m3），隨著粒徑減小，PM1排放量下降（23.06 mg/m3），PM1-10逐漸增加，從5.18 mg/m3增至8.38 mg/m3。

3）細(xì)顆粒物元素組成主要為K、Cl以及少量S，形成途徑主要為KCl、KOH及K2SO4等的蒸發(fā)-凝結(jié)；粗顆粒物富含Ca、Si、Al等礦物質(zhì)元素，主要通過(guò)破碎、非均相凝結(jié)過(guò)程形成；中間顆粒物元素組成復(fù)雜，兼具前兩者的顆粒物形成特點(diǎn)。

[1] Stanislav V V, David B, Lars K A, et al. An overview of the chemical composition of biomass[J]. Fuel, 2010, 89(5): 913－933.

[2] Cross R, Leach M, Bauen A. Progress in renewable energy[J]. Environment International, 2003, 29(1): 105－122.

[3] Peter M K. Energy production from biomass (part 2): Conversion technologies[J]. Bioresource Technology, 2002, 83(1): 47－54.

[4] Dan B, Nils S, Alejandro G, et al. Ash transformation chemistry during combustion of biomass[J]. Energy & Fuels, 2012, 26(1): 85－93.

[5] Joey V, Joahnn H P, Philippe S, et al. A critical review of emission standards and regulations regarding biomass combustion in small scale units (<3MW)[J]. Bioresource Technology, 2012, 111: 1－11.

[6] Wen Chang, Gao Xiangpeng, Yu Yun, et al. Emission of inorganic PM10from included mineral matter during the combustion of pulverized coals of variousranks[J]. Fuel, 2015, 140: 526－530.

[7] Yu Dunxi, Xu Minghou, Yao Hong, et al. Use of elemental size distribution in identifying particle formation modes[J]. Proceeding of the Combustion Institute, 2007, 31(2): 1921－1928.

[8] Zhang Ping’an, Yu Dunxi, Luo Guangqian, Yao Hong. Temperature effect on central-mode particle matter formation in combustion of coals with different mineral compositions[J]. Energy & Fuels, 2015, 29(8): 5245－5252.

[9] Gao Xiangpeng, Muhammad U R, Chen Xixia, et al. Significant contribution of organically-bound Mg, Ca, and Fe to inorganic PM10 emission during the combustion of pulverized Victorian brown coal[J]. Fuel, 2014, 117, (Part A): 825－832.

[10] Philip J, Van E, Adam K, et al. Control of agglomeration and defluidization during fluidized-bed combustion of south Australian low-rank coals[J]. Energy & Fuels, 2012, 26(1): 118－129.

[11] Xu Minghou, Yu Dunxi, Yao Hong, et al. Coal combustion- generated aerosols: Formation and properties[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33(1): 1681－1697.

[12] 劉小偉，徐明厚，于敦喜，等. 燃煤過(guò)程中氧含量對(duì)可吸入顆粒物形成及排放特性影響的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(15)：46－50. Liu Xiaowei, Xu Minghou, Yu Dunxi, et al. Research on formation and emission of inhalable particulate matters at different oxygen content during coal combustion[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(15): 46－50. (in Chinese with English abstract).

[13] 劉小偉，徐明厚，于敦喜，等. 燃煤過(guò)程中礦物質(zhì)變化與顆粒物生成的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(22)：104－108. Liu Xiaowei, Xu Minghou, Yu Dunxi, et al. Coal mineral transformation on emission of particulate matters during coal combustion[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(22): 104－108. (in Chinese with English abstract).

[14] 陳振輝，楊海平，楊偉，等. 生物質(zhì)燃燒過(guò)程中顆粒物的形成機(jī)理及排放特性綜述[J]. 生物質(zhì)化學(xué)工程，2014，49(5)：33－38. Chen Zhenhui, Yang Haiping, Yang Wei, et al. Emission characteristics of particles in the biomass combustion process[J]. Biomass Chemistry Engineering, 2014, 49(5): 33－38. (in Chinese with English abstract).

[15] Garcia-Maraver A, Zamorano M, Fernandes U, et al. Relationship between fuel quality and gaseous and particulate matter emissions in a domestic pellet-fired boiler[J]. Fuel, 2014, 119: 141－152.

[16] Sippula O, Hyt?nen K, Tissari J, et al. Effect of wood fuel on the emissions from a top-feed pellet stove[J]. Energy & Fuels, 2007, 21(2): 1151－1160.

從斷面流速分布的形態(tài)變化來(lái)看，各級(jí)流量下斷面流速分布的形態(tài)未發(fā)生大的變化，流速的變化主要表現(xiàn)為位于彎道的匯流斷面的最大流速點(diǎn)位置發(fā)生了偏移和流向的變化，但最大流速點(diǎn)位置的變化幅度不大，一般在150 m范圍內(nèi)，而流向的變化一般也在10°以內(nèi)。

[17] Patrick B, Joahnn H P, Stéphane G, et al. Comparison of the gaseous and particulate matter emissions from the combustion of agricultural and forest biomasses[J]. Bioresource Technology, 2014, 155: 300－306.

[18] Stanislav V V, David B, Christina G V. An overview of the behaviour of biomass during combustion: Part I. Phase- mineral transformations of organic and inorganic matter[J]. Fuel, 2013, 112: 391－449.

[19] Carroll J, Finnan J. Emissions and efficiencies from the combustion of agricultural feedstock pellets using a small scale tilting grate boiler[J]. Biosystems Engineering, 2013, 115(1): 50－55.

[20] Wang Chao, Liu Xiaowei, Li Dong, et al. Effect of H2O and SO2on the distribution characteristics of trace elements in particulate matter at high temperature under oxy-fuel combustion[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2014, 23: 51－60.

[21] Gao Xiangpeng, Wu Hongwei. Effect of sampling temperature on the properties of inorganic particulate matter collected from biomass combustion in a drop-tube furnace[J]. Energy&Fuels, 2010, 24(8): 4571－4580.

[22] 高翔鵬，徐明厚，姚洪，等. 燃煤鍋爐可吸入顆粒物排放特性及其形成機(jī)理的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(17)：11－17. Gao Xiangpeng, Xu Minghou, Yao Hong, et al. Experimental study on emission characteristics and formation mechanisms of PM10from a coal-fired boiler[J]. Proceedings of the CSEE 2007, 27(17): 11－17. (in Chinese with English abstract).

[24] Olli S, Terttaliisa L, Jorma J. Effects of chlorine and sulphur on particle formation in wood combustion performed in a laboratory scale reactor[J]. Fuel, 2008, 87(12): 2425－2436.

[25] Mook T L, Anh P, Dermot R, Adam H. Technologies for measurement and mitigation of particulate emissions from domestic combustion of biomass: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 49: 574－584.

[26] Li Chunzhu. Importance of volatile–char interactions during the pyrolysis and gasification of low-rank fuels: A review[J]. Fuel, 2013, 112(3): 609－623.

[27] Díaz-Ramírez M, Boman C, Sebastián F, et al. Ash characterization and transformation behavior of the fixed-bed combustion of novel crops: Poplar, brassica, and cassava Fuels[J]. Energy & Fuels, 2012, 26(6): 3218－3229.

成 偉，陳漢平，楊海平，邵敬愛(ài)，楊 偉，朱有健，李佳碩.棉稈燃燒過(guò)程中的顆粒物排放特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(19)：223－228. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.029 http://www.tcsae.org

Cheng Wei, Chen Hanping, Yang Haiping, Shao Jingai, Yang Wei, Zhu Youjian, Li Jiashuo.Emission characteristics of particulate matter during combustion of cotton stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 223－228. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.029 http://www.tcsae.org

Emission characteristics of particulate matter during combustion of cotton stalk

Cheng Wei1, Chen Hanping1,2※, Yang Haiping1, Shao Jingai1,2, Yang Wei1, Zhu Youjian3, Li Jiashuo2

(1.430074,; 2.430074,; 3.450002,)

In this paper, DEKATI low pressure impactor and drop tube furnace combustion system were combined to study the emission characteristics of particulate matter during the combustion. The formation mechanism of particulate matter was investigated by scanning electron microscope (SEM) and X-ray fluorescence (XRF). Proximate and ultimate analysis of cotton stalk sample showed that the ash content and the fixed carbon content of the cotton were lower, the volatile content was higher and the overall calorific value was lower compared with coal. It was found that the yield of PM1during the combustion experiments decreased significantly with the increase of the combustion temperature by mass distribution analysis. The combustion temperature increased from 1173 to 1473 K. The yield of PM1decreased from 68.90 to 14.02 mg/m3. At the same time, the total yield of particulate matter also decreased from 75.41 to 16.30 mg/m3. And the peak of particle distribution moved from around 0.609 to around 0.261m. The smaller the particle size of the raw material, the lower the yield of PM1. The yield of PM1decreased from 39.84 mg/m3to 23.06 mg/m3with the decrease of the particle size of the raw material. By contrast, the yield of PM1-10increased from 5.18 to 8.38 mg/m3. The yield of particle under PM0.1was very low, only 0.38 mg/m3, so the particle size of the raw material had no obvious effect on it. The mass-based particle size distributions (PSD) of particulate matter exhibited a bimodal distribution. The analysis of elements showed that the fine particle (0.028-0.261m) mainly consisted of K, Cl and a little amount of S. The main forming pathway of the fine particle was vaporization- condensation of the alkali compound such as KCl, KOH and K2SO4. However, heterogeneous condensation, agglomeration and coalescence contributed to PM1formation at a certain degree during the combustion. The microstructure of the fine particle was regular and the main component was KCl. The elements of coarse particle (1.590-9.860m) were mainly composed of Ca, Mg and a small amount of Si and P. The main forming pathway of the coarse particle was the fracture of large particle or the transformation of Ca-rich, Mg-rich and Si-rich particles with heterogeneous condensation. In addition, the formation of silicates and phosphates influenced the formation of coarse particle. The surface shape of the coarse particle was mostly spherical. Intermediate particle (0.261-1.590m) belonged to the transition section and had the characteristics of both fine particle and coarse particle in complex microstructure.

straw; combustion; particulate matter; particle size distribution; microstructure

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.029

TK6

A

1002-6819(2017)-19-0223-06

2017-05-21

2017-09-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（51476067，51506071）；湖北省自然科學(xué)基金（2016CFB132）

成 偉，湖北武漢人，博士，主要從事生物質(zhì)顆粒物排放特性研究。Email：wchenghust@163.com

※通信作者：陳漢平，湖北武漢人，教授，主要從事煤與生物質(zhì)的資源化利用。Email：fbghust@163.com.