鍋爐燃用甲醇、柴油混合生物質(zhì)油燃燒排放研究

張義俊，劉文福

(河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451450)

0 引言

地溝油通常指用餐廚廢棄物、肉類加工廢棄物和檢驗檢疫不合格畜禽產(chǎn)品等非食品原料生產(chǎn)、加工的油脂。地溝油最大來源為城市大型飯店下水道的垃圾泔水油，新聞多次報道，泔水油經(jīng)不法廠商進(jìn)行粗略加工重返餐桌成為餐飲廉價用油，形成黑色利潤鏈。粗略加工后的地溝油主要成分是甘油三脂和各種致病、致癌物質(zhì)，給人民生活帶來極大的危害，造成嚴(yán)重的食品安全問題。

按照《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)地溝油整治和餐廚廢棄物管理的意見》(國辦發(fā)〔2010〕36號)要求，各地不斷加大打擊力度、強(qiáng)化源頭治理，以餐廚廢棄物為原料制售劣質(zhì)食用油的違法犯罪活動得到遏制。要想徹底截斷地溝油重返餐桌的途徑，必須建立長效機(jī)制的治理措施和方法，以推動廢油的無害化處理和資源化利用，引導(dǎo)資源轉(zhuǎn)化企業(yè)適度規(guī)模經(jīng)營并給予稅收優(yōu)惠政策。本文把生物質(zhì)油-甲醇(BM)，生物質(zhì)油-柴油(BD)兩種混合油分別以不同的比例應(yīng)用于氣、油兩用蒸汽式取暖鍋爐上，對每種混合燃料的燃燒特性和廢氣排放物組成進(jìn)行測定，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益得出最佳混合比，實踐驗證地溝油可以作為鍋爐燃料原材料進(jìn)行推廣和應(yīng)用，為可再生能源的應(yīng)用開辟新的應(yīng)用途徑提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

試驗用鍋爐為合作企業(yè)加熱供暖油氣兩用蒸汽鍋爐，借助于比例閥調(diào)節(jié)試驗用混合燃料的比例。實驗用鍋爐自動控制系統(tǒng)保證燃料燃燒所提供的熱量滿足對鍋爐輸出蒸汽負(fù)荷的需求，相關(guān)運(yùn)行參數(shù)包括燃料消耗量、霧化送風(fēng)量和引風(fēng)量，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量和進(jìn)氣量的比例，確保鍋爐的最佳燃燒狀態(tài)。圖1為燃料混合燃燒示意圖。

圖1 燃料混合燃燒示意圖

試驗用0號柴油、地溝油(生物質(zhì)油)和甲醇主要燃燒參數(shù)見表1。根據(jù)腐蝕指標(biāo)酸值的大小可知，燃料對鍋爐腐蝕性可以忽略不計。根據(jù)生物質(zhì)油和甲醇、柴油兩種燃料的互溶性，目標(biāo)試驗用油設(shè)定為：BM10(生物質(zhì)油10%，甲醇90%)，BM40，BM60，BM80；BD10(生物質(zhì)油10%，柴油90%)，BD30，BD50，BD70。記錄燃料消耗率、加熱效果及燃燒尾氣排放，加熱效果以相同工況條件下、相等加熱時間內(nèi)不同燃料加熱下輸出蒸汽溫度來衡量。

表1 三種燃料主要燃燒指標(biāo)

混合燃料的配比通過比例調(diào)節(jié)閥控制，加熱數(shù)據(jù)通過控制面板讀取，時間的設(shè)置通過控制模塊輸入。鍋爐自帶燃燒尾氣檢測儀，數(shù)據(jù)反饋至控制單元，可直接進(jìn)行讀取。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合燃料理化參數(shù)的變化

由于甲醇、柴油、生物質(zhì)油三種燃料的制取冶煉的特殊性，其燃燒特征參數(shù)不同。生物質(zhì)油含碳量介于甲醇和柴油之間，熱值介于兩組分的熱值之間，由于其主要成分為脂肪酸酯相對比較穩(wěn)定，故其具有較好的穩(wěn)定性，閃點較高，安全便于儲運(yùn)。甲醇易揮發(fā)，熱值低，具有低的黏度、閃點、十六烷值。因此，甲醇混合生物質(zhì)油有利于降低生物質(zhì)油的黏度，增強(qiáng)了燃料流動性，利于燃料霧化，減低了生物質(zhì)油原有的閃點，利于燃料點火燃燒。燃料在通過燃燒器燃燒過程中，BM燃料在燃燒器啟動打火開始，隨著甲醇含量增多，燃料越容易著火，火焰長度越大，主要原因在于，甲醇能夠降低生物質(zhì)油的運(yùn)動黏度；燃燒器噴嘴附近隨著甲醇含量由多變少，金屬出現(xiàn)腐蝕痕跡。相對BM燃料，BD燃料燃燒火焰更大，但隨著生物質(zhì)油含量增多，燃燒點火越來越困難，BD70燃料需要對進(jìn)氣增壓促進(jìn)霧化并外加火焰引燃才能燃燒。混合燃料理化參數(shù)測定值如表2所示。

表2 混合燃料理化參數(shù)測定值

2.2 排放特性分析

柴油和生物質(zhì)油的混合燃料燃燒排放特性結(jié)果基本和其在柴油機(jī)上的燃燒接近。甲醇和生物質(zhì)油的混合燃料燃燒排放測量值見表3。隨著甲醇含量變化，燃燒廢氣中顆粒物PM含量變化不大，主要原因如下：甲醇含量多，燃料黏度小易霧化，燃燒充分；甲醇含量減少，由于生物質(zhì)油含氧量增多，燃燒充分；甲醇和生物質(zhì)油均屬于綠色可再生燃料，對燃燒器腐蝕很小，幾乎不含固體雜質(zhì)顆粒。

由表3中數(shù)據(jù)可以看出：燃燒廢氣中SO2含量隨著生物質(zhì)油增多降低，說明生物質(zhì)油中硫化物含量少于甲醇中的硫化物含量，主要原因在于實驗用甲醇為粗煉，其含有的硫化物較多；柴油本質(zhì)上是礦物油，含有較多的硫，燃燒尾氣中SO2較多；隨著生物質(zhì)油增多氮氧化物增多，這說明燃料中含氧量增多，燃燒多余的氧和空氣中的氮結(jié)合是燃燒廢氣中NOx含量增多的主要原因。

表3 混合燃料燃燒排放測量值 ×10-6

2.3 鍋爐供暖參數(shù)分析

調(diào)節(jié)燃燒器噴油嘴控制燃料消耗率，在相同燃料消耗率的條件下，對于BM燃料，隨著甲醇含量的增多，鍋爐輸出水溫稍有降低，BM80時的最高溫度92 ℃，BM10時的最低溫度88 ℃；對BD燃料，隨著柴油含量的增加，鍋爐輸出水溫逐漸升高，BD10時的最高溫度96 ℃，BD70時最低溫度92 ℃。從而說明柴油、生物質(zhì)油、甲醇三種燃料，隨著含碳量減少燃燒熱值依次降低。

3 結(jié)論

生物質(zhì)油作為可再生燃料，與柴油、甲醇混合既可以用于汽車燃料也可以用于工業(yè)鍋爐燃燒取暖。由于三種燃料不同的物化參數(shù)，甲醇和柴油可以作為稀釋劑和生物質(zhì)油混合，混合后的物化參數(shù)稍有變化，改變了甲醇低閃點的缺陷，甲醇和柴油低黏度和高的流動性改善了生物質(zhì)油高黏度和低流動性的弊端，生物質(zhì)油高的含氧量促進(jìn)了柴油的完全燃燒。

當(dāng)生物質(zhì)油含量大于50%后，燃燒器原有點火系統(tǒng)不易動作，輔助空氣霧化和手動點火后，混合燃料仍可以正常燃燒。相同燃料消耗率的條件下，混合燃料都能滿足基本供暖要求，輸出水溫可達(dá)到95 ℃。鑒于此，本項目在后續(xù)研究中針對燃燒器結(jié)構(gòu)給予改進(jìn)創(chuàng)新，設(shè)計出適用于生物質(zhì)油高黏度燃料的專用燃燒器。