秸稈爐內燃燒煙氣排放特性及灰分的養分潛力分析

張從洋,張 波,吳春篤*,賈衛東,楊學軍,董 祥,胡欣康

(1江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室,鎮江 212013;2中國農業機械化科學研究院,北京 100020)

我國是農業生產大國,秸稈資源十分豐富,每年大約有7.3億t主要農作物秸稈產生[1]。隨著現代農村生活方式的改善以及農村產業結構的調整,農作物秸稈出現區域性、季節性和結構性過剩的問題[2]。目前,我國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、利潤較小、農民接受程度不足等問題,秸稈綜合利用產業發展緩慢,在個體農戶方面,秸稈利用效率不高,秸稈直接廢棄的現象依然存在[4]。而秸稈直接廢棄不僅會造成資源浪費,還會引發蟲害,影響作物生長,造成作物減產,使農業生產效益降低。

傳統農業時期,農民處理秸稈的主要方式為田間直接焚燒[5]。除方便快捷外,另一個重要原因是秸稈焚燒能夠一定程度上促進作物生產。秸稈焚燒產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生;且焚燒后產生的秸稈灰是一種天然的無機農家肥,富含鉀、鈣、磷、鎂等營養元素[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。同時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],改善土壤環境。因此,在當前生態環境保護要求下,如何簡單高效地減少秸稈燃燒的污染排放,實現環保高效的秸稈就地燃燒還田,是目前面臨的重要問題。

秸稈露天燃燒環境開放、范圍廣、數量大,不論是燃燒還是污染排放都較難控制,而爐內燃燒可將秸稈燃燒以及污染排放限制在有限的空間內,更有利于其污染物的減排。徐婷等[8]研究表明,不同物質爐內燃燒的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燃燒污染排放因子均高于露天燃燒。許潔等[10]以馬弗爐結合X射線衍射、X射線熒光光譜分析檢測手段發現玉米秸稈灰中的K元素含量最高。本研究以水稻、小麥和玉米秸稈為試材,探究秸稈爐內燃燒的煙氣基本排放特性,為秸稈就地焚燒還田提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 秸稈材料

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

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

1.1.2 試驗裝置

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

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

1.2 試驗方法

污染排放物的測定:將秸稈材料放入燃燒爐的爐膛內,采用丁烷作為燃料氣體,采用電子點火方點燃秸稈,并使其充分燃燒,實時監測記錄從煙氣產生至煙氣消失過程中各儀器監測分析的數據。

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

煙氣中各類污染物的排放因子的測定:計算公式為

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。

秸稈資源數量測定:采用草谷比法計算[11],草谷比指作物秸稈產量與作物經濟產量的比值,草谷比法是最接近實際作物秸稈資源數量的計算方法[12],其具體公式如下:

式中,Wj為農作物j的秸稈資源數量;Yj為農作物j的經濟產量;Rj為農作物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,水稻秸稈燃燒產生的煙氣溫度為40.3℃,小麥秸稈和玉米秸稈燃燒產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濕度最低,為38.4%,水稻秸稈的煙氣相對濕度最高,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,其燃燒轉化為熱能的能力相對較低,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和顆粒物的實時排放因子分別在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(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的含氧量相對較低,NO轉化為NO2的速度相對較慢。

表2 生物質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污染物的濃度不同,三種秸稈燃燒產生的NOx(NO、NO2)排放因子的大小順序為:玉米秸稈＞小麥秸稈＞水稻秸稈,其中NO排放因子大小順序為: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產生的氣態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。

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

2.2 秸稈灰分的主要營養元素測定

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。不同秸稈灰中各營養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 三種秸稈灰分營養成分含量Fig.4 The ash nutrient contents of three kinds of straws

2.3 理論秸稈灰養分可替代化肥潛力

參考2019年全國各類作物產量和各類農用化肥的施用折純量[13],對三種秸稈灰養分可替代化肥率進行估算,結果如表5所示。2019年全國水稻、小麥和玉米秸稈總量達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分輸入量分別為1 580.2萬t(K2O)、142.8萬t(P2O5)、416.1萬t(CaO),對于鉀肥、磷肥和鈣肥的可替代率分別達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 秸稈灰養分含量及可替代化肥率Table 5 Nutrient content of straw ash and rate of alternative fertilizer

3 結論與討論

本研究表明,水稻、小麥、玉米秸稈燃燒時,燃燒產生的氣態污染物的排放因子存在一定差異,玉米秸稈的氣態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,與水稻、小麥秸稈相比,玉米秸稈的氮含量和揮發分含量較高,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,燃燒爐的氧氣供應受到影響,并且空燃比低,使得秸稈在燃燒爐中的燃燒相對不充分,NO向NO2的轉化率更低,另外,爐內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,因此秸稈爐內燃燒的氣態污染排放高于露天燃燒。

本研究探討了燃燒后灰分的養分利用潛力,結果表明:不同秸稈灰含有的營養元素成分有所差異,理論上秸稈灰全量還田對于鉀肥、磷肥和鈣肥的可替代率分別達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。