英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
能源促进可持续发展
炉灶研究已经报告了污染物浓度（主要是PM2.5，黑碳和一氧化碳），并没有将其与炉灶的设计和操作原理进行日常关联。 为了更好地理解污染物形成的机制，需要对炉灶中的污染物进行广泛的表征以及不同运行条件的影响。 在这项研究中，在受控条件下对强制通风（FD）和自然通风（ND）气化改进的炉灶进行了测试。 这些炉灶使用三种燃料（苹果木屑和大块木屑），实时污染物浓度，特别是PM2.5，肺沉积表面积和颗粒数量分布以及气态（一氧化碳，二氧化碳和氮氧化物） 牛粪饼和煤）以及不同的炉灶操作条件（空气流量和有或没有烹饪锅）进行了测量和比较。与ND蒸煮炉相比，FD蒸煮炉倾向于表现出更高的排放浓度。 通过FD炉增加空气流量减少了火焰长度和VOC在火星区内的停留时间，从而增加了污染物浓度。 FD锅炉确定了产生最低颗粒物（PM）浓度的最佳空气流量。 CO-CO2比率是燃烧效率的一个指标，与PM2.5（r = 0.857），颗粒几何平均直径（r = 0.900）和总表面积浓度（r = 0.908）有很强的相关性，表明CO -CO2比率可以用作这些PM度量的代表。 本研究报告的结果将有助于进一步改进未来炉灶的设计。
发展中国家每天在炉灶中燃烧200万吨生物质，包括动物粪便和农业残留物（Naeher等，2007），并且与煤一起，为空间加热和烹饪提供能源到全球近30亿 最穷的人（Rehfuess，2006）。 由于这些固体燃料在炉灶中不完全燃烧，高浓度的污染物如颗粒物（PM），一氧化碳（CO）和有机化合物被排放出去。 由固体燃料燃烧产生的吸入性微粒（UFP）可以逃避人体粘液防御系统，并沉积在肺泡的肺泡区深处，导致短期炎症和氧化应激（Naeher et al。，2007），长时间 慢性阻塞性肺部疾病（COPD）（Smith，2002）。 接触生物质排放物的其他疾病包括急性呼吸道感染（ARI），白内障和结核病（Smith，2002; Bruce等，2000）。世界卫生组织报告说，2012年空气污染暴露导致700万人死亡，使其成为世界上最大的单一环境健康风险（全球卫生观察站）。 家庭空气污染占这些死亡人数的一半以上。
大多数依靠固体燃料的人使用传统的三层厨灶和开放式烹饪来烹饪食物（Legros，2009）。研究报道PM2.5和CO浓度分别超过10 mg / m3和300 ppm（Chengappa et al。，2007; Sahu et al。，2011; Roden et al。，2006; Leavey et al。，2015 ）。由于大多数改进的炉灶具有更好的燃烧效率，因此产生的排放量更少，因此推广和销售这些炉灶的动力已经增加到约8亿人（Legros，2009; Anon。，2011） 。然而，燃烧效率在这些改进的炉灶与基于气化炉灶的炉灶之间差别很大。实验室研究将强制通风（FD）和不经常采用自然通风（ND）的基于气化的炉子与其他炉灶进行比较，反复证明了其改进的效率和减少的排放量（Kar等，2012; MacCarty等2008; Jetter＆Kariher，2009; Jetter等，2012）。例如，Kar等人 （2012）报道FD飞利浦炉的黑碳（BC）排放量比传统的泥浆炉减少77％，而Jetter等人 （2012）报告说，与三石炉相比，输送到蒸煮锅的每单位能量的CO和PM2.5排放较低。 除少数研究外（Jetter＆Kariher，2009; MacCarty等，2010），将污染物浓度与特定炉灶的设计和操作原理联系起来很少进行。 这种相关性对进一步改进炉灶设计至关重要。
另一个重要方面是测试炉子的协议，以便进行比较。许多研究人员已经提出了水煮试验（WBT）。但是，该测试具有WBT协议本身定义的限制（水沸腾测试协议）。 WBT并未规定用于测试的准确锅。这引入了潜在地改变排放特征的另一个变量（罐的大小和材料）。 L#39;Orange等人。 （2012）表明，锅温对PM特性有显着影响。例如，火锅会导致较低的PM10粒度更小。其他测试，如控制烹饪测试（CCT）和非控制烹饪测试（UCT），在实验室和现场环境下烹饪实际食物时，可更好地捕捉炉灶的性能。 Arora等人（2014年）紧接着CCT证明，排放特性取决于熟食的类型，而不仅仅是膳食的类型，而且即使是印度面包类型（印度面包类型）的厚度也会改变排放量。根据不同的烹饪风格，他们发现CO波动高达49％。因为最近发表的研究越来越证明，烹饪（锅/食物/水温）的微小变化改变了排放特性，WBT和其他类似的实验室测试显然未能代表现场条件。 虽然锅炉确实很少在锅底使用，但为了避免复杂性并减少不确定性，尤其是在受控的实验室研究中，必须调查无锅情况下的锅炉性能，以获得对燃烧过程的基本了解。 由于建立的排放因子（EF）的重点强调基于现场烹饪风格，因此往往缺乏这种燃烧研究，因此不能准确对应最终的健康或气候影响。
尽管Jetter和Kariher（2009）比较了对于不同类型的生物质而言，很少有研究将粪和煤纳入其分析中，这是一个关键差距，因为：（1）能量梯级上的粪便特征较低，因此被社会中最贫穷和最脆弱的成员所使用（Rehfuess， 2006; Pohekar等，2005）; （2）煤炭继续在某些社区中占主导地位，尤其令人发指。例如，在印度Damodar谷，每年国内消耗煤炭255万吨（Erkman＆Ramaswamy，2003）。与燃烧生物质的那些相比，燃煤的家庭一直表现出更高的污染物浓度（Zhang＆Smith，2007）。从暴露到煤燃烧排放已经报道了免疫系统受损，CO中毒，COPD和肺癌（Naeher等，2007; Zhang＆Smith，2007）。最后，除少数几项将多种颗粒度量（包括颗粒数量尺寸分布）纳入其研究的研究外（Armendaacute;riz-Arnez et al。，2010; Zhang et al。，2012; Fang et al。，2014;除了一些研究（Sahu等，2011; Leavey等，2015）外，大多数研究集中在PM2.5和CO上，除此之外， ，肺沉积表面积尚未被研究。本研究的总体目标是对来自生物质和颗粒物和气态污染物的两种基于气化的改进炉灶燃烧进行广泛的研究; FD飞利浦（HD 4012）炉灶和ND Quad，Top Lit Upd Updraft（TLUD）炉灶。 调查不同污染物浓度之间的相关性，以评估使用一种污染物作为其他污染物的可行性。 此外，评估了锅炉对污染物浓度的影响。 最后，飞利浦的炉子在3种不同的气流下运行，以检测颗粒数量分布（PNSD）的影响。 本研究所获得的结果是基于气化锅炉的操作原理解释的。 FD和ND炉之间的比较增强了对污染控制的理解，这将有助于炉灶设计的进一步改进。
材料和方法以下各节介绍了不同的系统组件。 表1提供了一个总体测试计划。研究厨灶
研究了两款基于燃气灶的厨灶，飞利浦（型号HD4012 LS）和Quad TLUD。 如图1所示，主要空气通过内筒，生物质被放置在那里。 在有限的氧气存在下，生物质气化发生在主要氧化区（下部区域）。 然后，主要由CO，低碳氢化合物和挥发物组成的生产气体被炉内顶部二次氧化区的空气氧化。 关于炉子的设计和操作原理的更详细的描述在下面的章节中讨论：基于燃气灶的炉灶的结构和操作原理。
燃料
调查的三种燃料是苹果木，牛蒡饼和煤。这些燃料中的每一种都被不同的收入群体使用。 Cowdung蛋糕是印度农村的热门燃料，特别是在中低收入家庭中（Pohekar et al。，2005）。从圣路易斯（密苏里州）附近的一个农场收集来自草饲牛的新鲜粪便，将其成形为馅饼，并在夏季在露天晾干两周。化学未经处理的苹果木是在当地购买的。测试了两种尺寸的苹果木屑（1-3厘米长的薄片）和大块（4-6厘米的立方体），以检查燃料尺寸的影响。还测试了来自Brilliant（Alabama）的烟煤。从同一批次采购燃料并在恒定的环境条件下储存以最小化可变性。文献报道了各种燃料的性质，并参考参考文献：近似分析，苹果木的最终分析和热值（Fang et al。，2014; Yang et al。，2014; Verma et al。 ，2012），粪蛋糕（Venkataraman＆Rao，2001; Singh等，2013; Kandpal＆Maheshwari，1995）和沥青煤（Bond等，2002; McKendry，2002）。
实验装置
实验是在通风橱中进行控制的环境中进行的，以便通过最小化不同运行之间的变化来进行比较。 实验装置的示意图如图2所示。灶面上方安装一个面积为0.37平方米的防护罩。 使用基于抽吸的采样系统从罩抽取样本（Ahn等，2001; Biswas，2001）。 基于抽吸的采样系统利用稀释空气流动产生的低压产生吸力; 因此，不需要下游泵。 使用0.094立方米每分钟的稀释流量来实现4的稀释比例。在稀释单元之后，通过等速采样探针收集一部分样品，而其余部分被排出。 样品然后通过扩散干燥器去除任何湿气，以防止干扰读数。 整个采样系统都使用铜管和导电管，以减少运输过程中的颗粒损失。
这项研究的测试计划在表1中概述。与在受控设置下评估热效率的水沸腾测试（WBT）（Jetter＆Kariher，2009; Jetter等，2012）不同，该工作主要关注污染物特性 （在PM情况下的浓度和粒度分布）由于不同锅炉的气化/燃烧过程。 所有的测试都是在没有烹饪锅的情况下进行的，因为重点在于气化 - 燃烧过程。 然而，一个测试（ID 9，表1）是用锅来进行的，以检查它的影响强调一锅是影响排放的重要变量。 TLUD炉子用苹果木片和一个装有5升水的锅子烧烤。 选择水量是为了确保它徘徊在沸点以下，从而最大限度地减少干燥时对仪器读数的影响。 然而，对锅的使用排放的影响更为复杂（例如锅的大小，形状和材料），并且不在本研究的范围内。 以苹果木屑为燃料的飞利浦灶具在三种不同的空气流量下测试：低，中，高，以评估其对颗粒物排放的影响。 每个实验测试重复至少三次。 还注意到火焰结构（长度和强度）和烟雾特性的观察结果。
颗粒和气体污染物的表征
使用扫描迁移率颗粒分级器（SMPS 3080，TSI）和凝聚颗粒计数器（CPC 3022，TSI）测量总数浓度和PNSD。 SMPS的工作原理是通过静电分类器中的双极充电器为已知的电荷分配充电。 然后根据电场中的电迁移率对带电粒子进行分类，CPC中的光学传感器测量数字浓度。 使用纳米颗粒表面积监测仪（AeroTrak 9000，TSI）对肺沉积表面积进行实时测量。 该仪器可以提供表面积浓度的颗粒沉积在气管支气管中
分析
炉子的燃烧周期分为三个阶段：点火，稳态和熄火阶段（图3）。本研究集中于锅炉在稳态燃烧条件下运行时收集的数据，因为这代表了总运行时间的主要部分，并且是烹饪发生的阶段。稳态阶段定义为CO和CO2浓度相对稳定的时间段，观察到强度和长度恒定的火焰。点火阶段被标记为点火和稳态阶段开始之间的时间。同样，灭火阶段从稳态阶段结束时开始标记直至灭火。稳态持续时间随炉子，燃料类型和实验设置而变化。在一项现场研究中，Sahu等人（2011）报道在点火后大约20分钟开始稳态，而Leavey等人（2015）报道，在另一项现场研究中，点火与稳态阶段开始之间的间隔时间为2-15分钟。在这个实验室研究中，稳态开始于内部.点火2-5分钟，取决于炉子和燃料类型。 这种差异的合理解释是在实验室进行实验的最佳条件，以及使用的炉灶类型的差异。 在煤的情况下，定义了两个稳定状态，以火花和重烟为特征的火星阶段和火焰熄灭时的闷烧阶段，只留下炽热的发光煤。 发现两相的持续时间和发热率是可比的，但是这两个阶段的污染物特征明显不同。
本研究仅报告稳态阶段的平均浓度。 尽管直接测量大多数PM指标，但使用SMPS的PNSD数据计算出质量和表面积浓度。 为分析不同污染物浓度之间的相关性，使用R统计软件（版本2.101）进行相关性检验。
气化锅炉的结构和工作原理
他基于燃气锅炉的典型结构包括两个同心圆柱体，每端开口（图1）。设计参数
表2中列出了两种炉子的情况。燃料被放置在内筒中，通过它的空气被标记为一次空气流动。两个气缸之间的环形区域充当二次空气流动的通道。与安装在FD厨灶底部的风扇不同，沿着炉子高度的温度梯度在ND厨灶中产生上升气流。因此，ND炉灶一般比FD炉灶高，以产生可比较的上升气流。此外，由于大多数FD炉灶需要电源为风扇充电，所以ND炉灶可能对不在电网上的区域具有优势。
本研究调查了一台ND（Quad TLUD）和一台FD（飞利浦）灶。两个炉灶都是顶部照明的，这意味着生物质最初从顶部点燃，而高温层向下穿过填充床。最高点火法与底部点火方法相比产生的PM，CO和NOx明显较少，炉灶效率没有显着差异（Bhattacharya et al。，2002），这也许可以解释为什么炉灶制造商推荐顶部点火方法。对流是底部点燃期间向燃料传热的主要模式，而传导和辐射主导顶部点燃的传热。在顶部点燃的点火方法中，燃料在顶部点燃，热量通过传导传递到下方的燃料。填充床可以从上到下分为三个区域：以最高温度为特征的气化区域，脱挥发区域和干燥区域。
由于炉灶设计和填充床的阻力，主空气流量远低于二次空气流量。由于初级空气流量低，并且主氧化区内的高温导致氧气缺乏，导致主要由CO和N2组成的燃气发生炉煤气的气化。生产者气体然后与炉子顶部的二次空气混合，产生比传统炉子更稳定和无烟的火焰。这种将固体燃料中的碳转化为气体燃料（发生炉煤气），然后以受控顺序的方式燃烧的过程就是使基于气化炉的燃烧有效。这种模块化功能（一级和二级氧化区）确保炉灶顶部产生火花，而不管炉子中的燃料液位如何。生产气体也含有焦油，但是与CO和N2相比，浓度要低得多，如果在二次氧化区中未完全氧化，它们将参与颗粒形成。
由于CO是在主氧化区有意产生的，因此在二氧化区氧化它
全文共10212字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[15096]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
