應(yīng)用中小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備進行農(nóng)村供暖和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供能，對于我國節(jié)能減排、資源有效利用具有重要意義。制定科學合理的燃燒設(shè)備排放標準是生物質(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)備的排放標準，對比了生物質(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，且標準體系較完善；我國目前生物質(zhì)燃設(shè)備排放標準主要借鑒其他相關(guān)標準，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)盡快建立專門針對生物質(zhì)燃燒設(shè)備的排放標準體系，并適當放寬排放要求。
隨著我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)村經(jīng)濟發(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5%（發(fā)達國家＜1%）[1]，急需發(fā)展干燥機械及與之配套的小型供熱裝置[2]（一般功率＜2.8MW）。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、維護農(nóng)業(yè)生態(tài)，對促進生物質(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)備具有自動化程度高、熱效率高、污染排放低等特點，是中小型鍋爐的首選[4]。近些年，我國研究人員對以成型燃料為主的各類中小型生物質(zhì)燃燒設(shè)備進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，并進行了檢測實驗，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峻，國家對各種鍋爐設(shè)備的排放要求越來越嚴格。2014-2015年，在擬建設(shè)120個生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱示范項目中，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)保部門認可的污染物排放自動監(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，過低的標準要求起不到應(yīng)有的作用，過高的要求則會在一定程度上阻礙技術(shù)的推廣。如何制定合理的標準，目前研究相對較少。本文擬通過總結(jié)和研究歐美及我國中小型生物質(zhì)鍋爐排放標準，對比生物質(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)階段排放標準制定時應(yīng)注意的問題，以期為相關(guān)工作提供參考。
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準[4]，大多標準規(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、瑞士等國標準見表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。大多數(shù)國家對小型生物質(zhì)鍋爐的排放要求較松，比如瑞士對小于0.02MW的小設(shè)備無任何要求。德國對小燃燒設(shè)備主要對顆粒排放物有一定的要求，其余指標均較松。歐洲大多數(shù)國家只對大于2MW的鍋爐才有較為嚴格的要求，而且，標準中各排放指標數(shù)值的折算煙氣基準氧濃度常為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)備的排放標準普遍比煤炭燃燒設(shè)備或通用標準要求寬松。對于小鍋爐采用寬松的排放限值，可以鼓勵企業(yè)和用戶開發(fā)和使用生物質(zhì)鍋爐，大大促進生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。有些歐洲國家，如挪威等，對現(xiàn)有設(shè)備和新建設(shè)備的排放限值分別作了詳細的規(guī)定。挪威對小于0.5MW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化和完善化。美國的生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放法規(guī)不如歐洲完善，對大于9MW的燃燒設(shè)備限制較為嚴格，而對較小設(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)重于對顆粒物和CO排放的控制，對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準見表3。
國內(nèi)目前沒有專門針對生物質(zhì)鍋爐排放的國家標準，根據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271-2014）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準。同時國標還規(guī)定了新建鍋爐排放標準以及重點地區(qū)特別排放標準。國內(nèi)在小型生物質(zhì)爐具生產(chǎn)行業(yè)標準中有對其排放的相關(guān)要求。除了行業(yè)標準規(guī)定外，某些地方如北京、河北等對小型生物質(zhì)爐具排放也有各自的地方標準。
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)鍋爐供暖示范項目要求列于表中，以便于對比。表4中鍋爐排放基準氧含量為9%，小型生物質(zhì)爐具排放無基準氧含量的規(guī)定。
通過對比可以看出，我國生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放標準目前還不完善，主要參考燃煤鍋爐的排放標準，沒有依據(jù)燃燒設(shè)備類型和規(guī)模形成體系標準，但總體來說比歐美要求嚴格，特別是對常用中小型燃燒設(shè)備。這些嚴格的要求會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。
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比
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致的。
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歷山學院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。
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1300mg/m3和1200mg/m3，NOx排放約為100mg/m3，數(shù)據(jù)見表8。Mitch-ell等[21]對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)對比表明，小型煤爐的SO2排放遠高于生物質(zhì)爐，NOx排放也相對偏高。
煤的大型燃燒已經(jīng)非常成熟，輔以各種煙氣處理設(shè)備，可以實現(xiàn)高效率、低排放燃燒。然而，對于小型燃煤設(shè)備，煙氣處理設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、價格高、運行費用高，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)用會大大降低收集、運輸、儲存成本。因此，國家可以制定相關(guān)政策，鼓勵農(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。
通過總結(jié)分析歐美及我國生物質(zhì)燃燒設(shè)備排放標準、對比小型生物質(zhì)和燃煤燃燒設(shè)備的排放現(xiàn)狀可知：歐美排放標準多根據(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)備排放標準不完善，主要借鑒其他相關(guān)標準，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等的排放相對低于燃煤燃燒設(shè)備。
生物質(zhì)燃燒應(yīng)用對我國節(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)當完善并適當放寬中小型燃燒排放標準，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。
文章來源：山東理工大學學報（作者：張政清1，張毅1，高振強1，王偉2，張艷玲1，何芳1
1.山東理工大學交通與車輛工程學院，山東淄博255049；2.濰坊博泰能源科技有限公司，山東青州262500）
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