国内外中小型生物质燃烧设备排放标准比较研究

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国内外中小型生物质燃烧设备排放标准比较研究

摘要：应用中小型生物质燃烧设备进行农村供暖和工农业生产供能，对于我国节能减排、资源有效利用具有重要意义。制定科学合理的燃烧设备排放标准是生物质燃烧设备行业健康发展的重要保证。分析了目前欧美及我国生物质燃烧设备的排放标准，对比了生物质和煤燃烧小型设备的排放现状。研究表明：欧美小规模生物质燃烧设备排放要求较松，且标准体系较完善；我国目前生物质燃烧设备排放标准主要借鉴其他相关标准，且排放要求普遍较高；小型生物质燃烧设备的污染物排放显著低于相同规模的煤燃烧设备。我国应尽快建立专门针对生物质燃烧设备的排放标准体系，并适当放宽排放要求。
　　随着我国农业结构调整和农村经济发展，迫切需要解决农产品干燥、农业设施供暖等分布式小型供热问题。以粮食干燥为例，目前我国机械化干燥水平仅为10%（日本、韩国为80%~90%），湿谷物霉变等损失高达5%（发达国家＜1%）[1]，急需发展干燥机械及与之配套的小型供热装置[2]（一般功率＜2.8MW）。我国2/3面积的农业设施（畜禽舍、温室等）供暖需求也极为迫切。秸秆是我国主要的生物质资源，每年产出约8.4亿t[3]。应用这些季节性收获的秸秆满足农产品干燥和农业设施供暖等用能需求，可以节约优质化石能源、有效利用农业资源、维护农业生态，对促进生物质能源的应用及农业的可持续发展具有重要意义。　　Loo对大量生物质燃烧设备总结后指出，应用成型燃料使设备具有自动化程度高、热效率高、污染排放低等特点，是中小型锅炉的首选[4]。近些年，我国研究人员对以成型燃料为主的各类中小型生物质燃烧设备进行了大量的研究和分析[5-11]。如姚宗路等[7]开发了抗渣生物质固体燃料燃烧器，降低了生物质燃烧的结渣率；刘圣勇等[9]开发了小型的玉米秸秆捆烧锅炉，并进行了检测实验，发现这种锅炉燃烧效率高、污染物排放低、工艺简单。　　近年来，由于大气污染形势严峻，国家对各种锅炉设备的排放要求越来越严格。2014-2015年，在拟建设120个生物质成型燃料锅炉供热示范项目中，明确要求烟尘排放浓度小于30mg/m3，SO2排放浓度小于50mg/m3，Nox排放浓度小于200mg/m3。10t/h及以上容量的锅炉应安装环保部门认可的污染物排放自动监测设备。生物质锅炉排放的合理制定是其行业健康发展的重要保证。然而，过低的标准要求起不到应有的作用，过高的要求则会在一定程度上阻碍技术的推广。如何制定合理的标准，目前研究相对较少。本文拟通过总结和研究欧美及我国中小型生物质锅炉排放标准，对比生物质锅炉和燃煤锅炉的排放现状，探讨我国中小型锅炉现阶段排放标准制定时应注意的问题，以期为相关工作提供参考。
1欧美中小型生物质燃烧设备排放要求　　由于欧美居民以独立供暖为主，小型生物质燃烧供暖设备需求量较大，在市场作用的推动下已形成产业化[4，12]。特别是在欧洲，拥有数百家中小型生物质燃烧设备生产企业[12]。各国先后制定了各种排放标准[4]，大多标准规定了颗粒物、NOx、SO2、CO的排放，有些增加了VOC和氨等排放的规定。德国、瑞士等国标准见表1和表2。

　　欧洲国家排放要求大多根据燃烧设备功率以及燃料种类的不同而有所不同，排放限值较为详细。大多数国家对小型生物质锅炉的排放要求较松，比如瑞士对小于0.02MW的小设备无任何要求。德国对小燃烧设备主要对颗粒排放物有一定的要求，其余指标均较松。欧洲大多数国家只对大于2MW的锅炉才有较为严格的要求，而且，标准中各排放指标数值的折算烟气基准氧浓度常为11%、13%等，显著高于煤炭燃料燃烧设备常用的6%。这些表明，欧洲各国生物质燃烧设备的排放标准普遍比煤炭燃烧设备或通用标准要求宽松。对于小锅炉采用宽松的排放限值，可以鼓励企业和用户开发和使用生物质锅炉，大大促进生物质燃烧技术的发展和应用。有些欧洲国家，如挪威等，对现有设备和新建设备的排放限值分别作了详细的规定。挪威对小于0.5MW的小型生物质燃烧设备的排放限值不作规定。这些措施都使排放限值更加具体细化和完善化。
　　美国的生物质燃烧设备排放法规不如欧洲完善，对大于9MW的燃烧设备限制较为严格，而对较小设备则要求宽松。美国生物质燃料的使用多集中于东北部各州，且主要以木质燃料为主[13]。由于木质燃料中S、N的含量较少，因此排放法规侧重于对颗粒物和CO排放的控制，对SO2和NOx排放要求较少。联邦法规将每年排放大于10t某一污染物或大于25t混合污染物的设备称为主污染源，低于此排放值的设备称为区域污染源[14]。美国联邦空气污染物排放部分标准见表3。

2国内排放标准情况
　　国内目前没有专门针对生物质锅炉排放的国家标准，根据《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2014）中的有关规定，生物质成型燃料锅炉参照燃煤锅炉的排放标准。同时国标还规定了新建锅炉排放标准以及重点地区特别排放标准。国内在小型生物质炉具生产行业标准中有对其排放的相关要求。除了行业标准规定外，某些地方如北京、河北等对小型生物质炉具排放也有各自的地方标准。　　表4中列举了我国目前与生物质燃烧设备相关的一些排放要求，本文也将2014-2015年拟建生物质锅炉供暖示范项目要求列于表中，以便于对比。表4中锅炉排放基准氧含量为9%，小型生物质炉具排放无基准氧含量的规定。

　　通过对比可以看出，我国生物质燃烧设备排放标准目前还不完善，主要参考燃煤锅炉的排放标准，没有依据燃烧设备类型和规模形成体系标准，但总体来说比欧美要求严格，特别是对常用中小型燃烧设备。这些严格的要求会在一定程度上影响我国尚不成熟的生物质燃烧设备行业的发展，不利于生物质能的开发和应用。

3国内外现有生物质燃烧设备排放情况及与小型煤炉对比　　3.1国外生物质锅炉排放现状
　　Williams[16]总结了世界各国生物质燃烧设备排放情况，如表5所示。从表5中可以看出，采用成型燃料燃烧的锅炉以及稍大规模带有除尘设备的锅炉，可以大大减少颗粒物以及未完全燃烧气体的排放。小型燃烧设备CO排放值较高，这是由于碳的未完全氧化导致的。

　　2009年美国北部各州协调大气利用管理组织和相关协会[13]对美国生物质锅炉进行了检测，测出的主要排放物浓度如表6所示。

　　3.2国内生物质燃烧设备排放现状

　　我国生物质锅炉排放数据较少，本文收集列举了部分文献中的数据[17-19]，如表7所示。本文作者于2015年12月份检测了山东师范大学历山学院7MW生物质热水锅炉；于2016年5月份检测了潍坊博泰能源科技有限公司4kW小型生物质供暖炉和1MW生物质山楂食品干燥炉的排放。设备如图1所示。检测设备均采用德国ecom-J2kn型烟气分析仪，经多次检测，平均结果列于表7中。

　　从表7可以看出，我国小型生物质燃烧设备的排放并不明显比国外高或超出国外排放限值，这是由生物质本身低硫低氮的成分特性决定的。

　　3.3小型生物质锅炉和煤炉排放对比

　　我国传统小煤炉应用较多，特别是农业生产用能和北方农村地区冬季家庭供暖。Wang等[20]的研究表明，采用柳林煤和临汾煤的传统小煤炉（10kW以下）的SO2排放可高达1300mg/m3和1200mg/m3，NOx排放约为100mg/m3，数据见表8。Mitch-ell等[21]对比了采用同样的小型固定床燃烧设备，波兰煤和生物质的排放情况，结果也列于表8中。表7中4kW、8kW小型生物质炉排放值和表8中数据对比表明，小型煤炉的SO2排放远高于生物质炉，NOx排放也相对偏高。

　　煤的大型燃烧已经非常成熟，辅以各种烟气处理设备，可以实现高效率、低排放燃烧。然而，对于小型燃煤设备，烟气处理设备结构复杂、价格高、运行费用高，目前难以推广。和煤相比，小型生物质锅炉排放明显低，特别是SO2的排放。而且生物质在农村的分散应用会大大降低收集、运输、储存成本。因此，国家可以制定相关政策，鼓励农村小型供热、供能设备采用生物质燃烧的方式，用来代替小型燃煤设备，这样可以大大降低环境污染。

4结束语
　　通过总结分析欧美及我国生物质燃烧设备排放标准、对比小型生物质和燃煤燃烧设备的排放现状可知：欧美排放标准多根据设备规模大小不同而有所不同，越小规模的设备，排放要求越松；目前我国生物质燃烧设备排放标准不完善，主要借鉴其他相关标准，排放要求普遍较高，不利于中小型生物质燃烧技术的发展和应用；生物质燃烧设备的颗粒物、NOx、SO2等的排放相对低于燃煤燃烧设备。　　生物质燃烧应用对我国节能减排和农村可持续发展都具有重要意义。为了发展我国中小型生物质燃烧设备行业，根据我国现有技术情况应当完善并适当放宽中小型燃烧排放标准，根据设备规模及可能采取的排放措施，制定合理的颗粒物、SO2、NOx及CO的排放限值。

内容来源：山东理工大学学报