秸稈爐內(nèi)燃燒煙氣排放特性及灰分的養(yǎng)分潛力分析

張從洋,張 波,吳春篤*,賈衛(wèi)東,楊學(xué)軍,董 祥,胡欣康

(1江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鎮(zhèn)江 212013;2中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,北京 100020)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó),秸稈資源十分豐富,每年大約有7.3億t主要農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生[1]。隨著現(xiàn)代農(nóng)村生活方式的改善以及農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,農(nóng)作物秸稈出現(xiàn)區(qū)域性、季節(jié)性和結(jié)構(gòu)性過剩的問題[2]。目前,我國(guó)秸稈資源綜合利用方式主要分為肥料化、基料化、飼料化、燃料化、原料化五類[3],但由于“五化”利用均存在成本較高、利潤(rùn)較小、農(nóng)民接受程度不足等問題,秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢,在個(gè)體農(nóng)戶方面,秸稈利用效率不高,秸稈直接廢棄的現(xiàn)象依然存在[4]。而秸稈直接廢棄不僅會(huì)造成資源浪費(fèi),還會(huì)引發(fā)蟲害,影響作物生長(zhǎng),造成作物減產(chǎn),使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益降低。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)時(shí)期,農(nóng)民處理秸稈的主要方式為田間直接焚燒[5]。除方便快捷外,另一個(gè)重要原因是秸稈焚燒能夠一定程度上促進(jìn)作物生產(chǎn)。秸稈焚燒產(chǎn)生的高溫能夠殺死土壤表面以及秸稈自身攜帶的害蟲,一定程度上防止蟲害的發(fā)生;且焚燒后產(chǎn)生的秸稈灰是一種天然的無機(jī)農(nóng)家肥,富含鉀、鈣、磷、鎂等營(yíng)養(yǎng)元素[6],具有可替代化肥的潛力,灰分還田后能夠提高土壤肥力,利于作物生長(zhǎng)。同時(shí)灰分中含有大量水解后呈堿性的碳酸鹽,其還田在一定程度上能夠提高土壤的pH、飽和持水率[7],改善土壤環(huán)境。因此,在當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求下,如何簡(jiǎn)單高效地減少秸稈燃燒的污染排放,實(shí)現(xiàn)環(huán)保高效的秸稈就地燃燒還田,是目前面臨的重要問題。

秸稈露天燃燒環(huán)境開放、范圍廣、數(shù)量大,不論是燃燒還是污染排放都較難控制,而爐內(nèi)燃燒可將秸稈燃燒以及污染排放限制在有限的空間內(nèi),更有利于其污染物的減排。徐婷等[8]研究表明,不同物質(zhì)爐內(nèi)燃燒的PM2.5排放差異較大,其中花生秸稈的PM2.5排放因子明顯高于木柴和竹子。唐喜斌等[9]研究表明,5種典型作物秸稈的爐內(nèi)燃燒污染排放因子均高于露天燃燒。許潔等[10]以馬弗爐結(jié)合X射線衍射、X射線熒光光譜分析檢測(cè)手段發(fā)現(xiàn)玉米秸稈灰中的K元素含量最高。本研究以水稻、小麥和玉米秸稈為試材,探究秸稈爐內(nèi)燃燒的煙氣基本排放特性,為秸稈就地焚燒還田提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 秸稈材料

選擇水稻、小麥和玉米秸稈作為供試材料,自然風(fēng)干后置于密封袋中(圖1),每次稱取20 g作為測(cè)試材料。

圖1 秸稈原料Fig.1 The experimental straw materials

1.1.2 試驗(yàn)裝置

燃燒爐,為半氣化式,由不銹鋼制成,可防止對(duì)樣品產(chǎn)生污染;煙氣排放測(cè)試系統(tǒng)(圖2),由燃燒爐、煙道、煙氣綜合分析儀、顆粒物濃度檢測(cè)儀和溫濕度儀組成;手持式溫濕度儀(CENTER314型,臺(tái)灣群特公司,中國(guó));便攜式煙氣綜合分析儀(NOVA5003-S,NOVA公司,加拿大);粉塵濃度測(cè)量?jī)x(CEL-712,CASELLA公司,英國(guó));火焰光度計(jì)(BWB-XP,BWB公司,英國(guó));原子吸收分光光度計(jì)(4630F,上海向帆儀器有限公司,中國(guó))。

圖2 秸稈燃燒煙氣排放測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Test system of straw combustion flue gas emission test system

1.2 試驗(yàn)方法

污染排放物的測(cè)定:將秸稈材料放入燃燒爐的爐膛內(nèi),采用丁烷作為燃料氣體,采用電子點(diǎn)火方點(diǎn)燃秸稈,并使其充分燃燒,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄從煙氣產(chǎn)生至煙氣消失過程中各儀器監(jiān)測(cè)分析的數(shù)據(jù)。

重金屬元素的測(cè)定:根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB∕T 7887—1987《森林植物及森林枯枝落葉層氮、磷、鉀、鈉、鈣、鎂的測(cè)定》,檢測(cè)秸稈灰中的速效鉀、鈣和磷含量。采用濕灰法將秸稈灰分制成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溶液,采用火焰光度法測(cè)定鉀含量,原子吸收分光光度法測(cè)定鈣含量,鉬銻抗比色法測(cè)定磷含量。

煙氣中各類污染物的排放因子的測(cè)定:計(jì)算公式為

式中,EFi為煙氣污染物i的排放因子(g·kg-1);Mi為污染物i的排放總量;Mf為秸稈的燃燒總量。

秸稈資源數(shù)量測(cè)定:采用草谷比法計(jì)算[11],草谷比指作物秸稈產(chǎn)量與作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的比值,草谷比法是最接近實(shí)際作物秸稈資源數(shù)量的計(jì)算方法[12],其具體公式如下:

式中,Wj為農(nóng)作物j的秸稈資源數(shù)量;Yj為農(nóng)作物j的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;Rj為農(nóng)作物j的草谷比(水稻為0.93、小麥為1.23、玉米為1.37)[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 燃燒爐秸稈燃燒的煙氣排放特性分析

由表1可知,水稻秸稈燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度為40.3℃,小麥秸稈和玉米秸稈燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度為水稻秸稈的1.4—1.5倍。玉米秸稈的煙氣相對(duì)濕度最低,為38.4%,水稻秸稈的煙氣相對(duì)濕度最高,約為玉米秸稈的1.3倍,其原因主要是水稻秸稈的高位熱值略低于小麥秸稈和玉米秸稈,其燃燒轉(zhuǎn)化為熱能的能力相對(duì)較低,燃燒過程中放熱較少。

表1 秸稈燃燒煙氣溫濕度Table 1 Temperature and humidity of flue gas from straw combustion

由表2可知,在秸稈充分燃燒后,三種秸稈的NO、NO2和顆粒物的實(shí)時(shí)排放因子分別在1.48—2.75 g∕kg、0.57—0.79 g∕kg和25.34—28.26 g∕kg,玉米秸稈的NO排放因子最高,達(dá)(2.75±0.21)g∕kg,小麥的NO2排放因子較高,為(0.79±0.14)g∕kg,玉米的PM排放因子最高,為28.26 g∕kg。與水稻和小麥秸稈相比,玉米秸稈在燃燒過程中的污染排放更加明顯,產(chǎn)生的白煙較大,且燃燒最不充分,玉米秸稈的NO∕NO2比值較高表明玉米秸稈燃燒過程中爐內(nèi)的含氧量相對(duì)較低,NO轉(zhuǎn)化為NO2的速度相對(duì)較慢。

表2 生物質(zhì)秸稈燃燒爐燃燒煙氣排放因子Table 2 Combustion flue gas emission factor of biomass straw combustion furnace g·kg-1

由圖3可知,不同秸稈燃燒排放的煙氣中氣態(tài)污染物的濃度不同,三種秸稈燃燒產(chǎn)生的NOx(NO、NO2)排放因子的大小順序?yàn)?玉米秸稈＞小麥秸稈＞水稻秸稈,其中NO排放因子大小順序?yàn)?玉米秸稈＞小麥秸稈＞水稻秸稈,NO2為:小麥秸稈＞水稻秸稈＞玉米秸稈。三種秸稈充分燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣態(tài)污染物的排放因子存在一定差異,這種差異主要與秸稈的類型和成分含量不同有關(guān)。

圖3 三種秸稈燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)污染物排放因子Fig.3 Emission factors of gaseous pollutants from three types of straw burning

2.2 秸稈灰分的主要營(yíng)養(yǎng)元素測(cè)定

由圖4可知,總體上,秸稈灰中的鉀元素含量最高,其次是鈣,磷的含量較低。不同秸稈灰中各營(yíng)養(yǎng)成分的含量也各不相同,其中,玉米秸稈灰中的鉀元素含量最高,水稻秸稈灰中的磷元素含量最高,小麥秸稈灰中的鈣元素含量最高。

圖4 三種秸稈灰分營(yíng)養(yǎng)成分含量Fig.4 The ash nutrient contents of three kinds of straws

2.3 理論秸稈灰養(yǎng)分可替代化肥潛力

參考2019年全國(guó)各類作物產(chǎn)量和各類農(nóng)用化肥的施用折純量[13],對(duì)三種秸稈灰養(yǎng)分可替代化肥率進(jìn)行估算,結(jié)果如表5所示。2019年全國(guó)水稻、小麥和玉米秸稈總量達(dá)71 653.1萬t,理論上全量燃燒可得灰分26 160.3萬t,燃燒后的三種秸稈灰理論全量還田養(yǎng)分輸入量分別為1 580.2萬t(K2O)、142.8萬t(P2O5)、416.1萬t(CaO),對(duì)于鉀肥、磷肥和鈣肥的可替代率分別達(dá)281.6%、21.0%、34.9%。整體上玉米秸稈灰替代化肥的潛力最高,小麥秸稈灰的潛力較低。其中玉米秸稈灰的鉀肥替代率超過了100%,具有完全替代鉀肥的潛力。

表5 秸稈灰養(yǎng)分含量及可替代化肥率Table 5 Nutrient content of straw ash and rate of alternative fertilizer

3 結(jié)論與討論

本研究表明,水稻、小麥、玉米秸稈燃燒時(shí),燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)污染物的排放因子存在一定差異,玉米秸稈的氣態(tài)污染物排放因子和顆粒物排放因子均較高,這種差異主要與秸稈的類型和成分含量不同有關(guān),與水稻、小麥秸稈相比,玉米秸稈的氮含量和揮發(fā)分含量較高,更易形成不完全燃燒。

本研究表明,NOx排放因子為2.17—3.32 g∕kg,與以往研究結(jié)果(2.02—3.60 g∕kg)存在相似性[9,14],但明顯高于其他秸稈露天燃燒結(jié)果(1.12—1.81 g∕kg)[15-18],其原因可能是由于空間的限制,燃燒爐的氧氣供應(yīng)受到影響,并且空燃比低,使得秸稈在燃燒爐中的燃燒相對(duì)不充分,NO向NO2的轉(zhuǎn)化率更低,另外,爐內(nèi)的燃燒溫度高于露天的燃燒溫度,高溫燃燒更有利于氮氧化物的生成,因此秸稈爐內(nèi)燃燒的氣態(tài)污染排放高于露天燃燒。

本研究探討了燃燒后灰分的養(yǎng)分利用潛力,結(jié)果表明:不同秸稈灰含有的營(yíng)養(yǎng)元素成分有所差異,理論上秸稈灰全量還田對(duì)于鉀肥、磷肥和鈣肥的可替代率分別達(dá)281.6%、21.0%、34.9%,具有極好的鉀肥替代潛力。整體上玉米秸稈灰替代化肥的潛力最高,小麥秸稈灰的潛力較低,其中玉米秸稈灰的鉀肥替代率超過了100%,具有完全替代鉀肥的潛力。