趙欣1，李慧1，胡乃濤1，余鵬1，張學(xué)敏1，姚宗路2

　?。?.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125）

　　摘要：針對國內(nèi)固體生物質(zhì)成型燃料燃燒過程中排放NO、CO分析不清晰，影響因素研究不足等問題，在生物質(zhì)燃燒試驗平臺上，采用Testo350煙氣分析儀，對木質(zhì)、棉桿和玉米秸稈3種固體生物質(zhì)成型燃料分別展開了燃燒的氣態(tài)排放物研究，重點研究了3種生物質(zhì)成型燃料在不同燃燒器負(fù)荷和進(jìn)氣量下的NO和CO的排放情況。試驗結(jié)果表明：3種燃料的NO排放量均在0.05%以下，CO也不高于1%。3種燃料的氣態(tài)排放物總體趨勢為隨著燃燒器負(fù)荷的增大，NO和CO的排放量增多，隨著進(jìn)氣量的增加，氣態(tài)排放物的含量減少。該研究可以為指導(dǎo)燃用生物質(zhì)成型燃料鍋爐的實際運行，以優(yōu)化生物質(zhì)成型燃料的燃燒和排放提供參考。

　　0引言

　　目前的能源消耗量中，生物質(zhì)能耗約占世界總能耗的14%，僅次于煤、石油、天然氣，居第四位^[1]。我國的生物質(zhì)資源也非常豐富，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量也在逐年遞增[2]，在我國生物質(zhì)資源中占據(jù)十分重要的地位?，F(xiàn)階段很多地區(qū)都沒有專門用來燃用生物質(zhì)燃料的設(shè)備，造成大量未完全燃燒的CO及NO_x等有害氣體排放到大氣中，不僅造成環(huán)境污染，還對人類的身體造成很大的危害。

　　生物質(zhì)固體成型燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣種類和排放量由燃料的元素含量及燃燒工況決定。生物質(zhì)燃料的元素以C、H、O為主，含有少量的N、S，并且N、S含量與煤等燃料相比，幾乎可以忽略不計，排放的煙氣中主要包括CO、NO，SO₂和NO₂較少^[3]。近年來國內(nèi)外均有一些對生物質(zhì)成型燃料氣態(tài)排放物相關(guān)的研究，其中國外學(xué)者大多是對木質(zhì)成型燃料進(jìn)行研究，而國內(nèi)研究較多的是稻殼、小麥秸稈和林業(yè)廢棄物等的燃燒排放情況，對玉米秸稈、棉桿等生物質(zhì)成型燃料燃燒的氣態(tài)排放物研究較少^[4]。我國的生物質(zhì)成型燃料與國外的燃料在元素含量和工業(yè)分析等方面的差異使得燃燒特性和排放也不一致，需要針對其特性進(jìn)行研究^[5]。

　　本文運用農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研制的PB-20型生物質(zhì)燃燒器，使用3種生物質(zhì)顆粒燃料，在不同燃燒器負(fù)荷和空氣流速下進(jìn)行燃燒，監(jiān)測煙道氣體排放狀況，分析生物質(zhì)顆粒燃料的主要氣態(tài)排放物特性以及設(shè)備進(jìn)料進(jìn)風(fēng)等控制參數(shù)對氣態(tài)排放物的影響。針對相應(yīng)生物質(zhì)顆粒燃料優(yōu)選燃燒設(shè)備的最佳控制參數(shù)，為改進(jìn)氣態(tài)排放狀況，減少CO、NO的排放提供理論基礎(chǔ)，從而達(dá)到減排的目的。

　　1試驗部分

　　1.1試驗燃料

　　我國的生物質(zhì)顆粒燃料主要以農(nóng)作物秸稈為主，本次試驗選擇木質(zhì)、玉米秸稈和棉桿3種成型生物質(zhì)燃料進(jìn)行對比分析。3種顆粒燃料均被壓縮成圓柱型，長度10～30mm，直徑8mm左右。對3種生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析、熱值測量，結(jié)果如表1所示。

　　1.2儀器與設(shè)備

　　1.2.1生物質(zhì)固體成型燃料燃燒試驗平臺

　　生物質(zhì)固體成型燃料燃燒試驗平臺是以生物質(zhì)燃燒器和鍋爐為核心，集料倉，進(jìn)料裝置，控制箱，風(fēng)機和記錄軟件等為一體的科研平臺^[6]。其中，進(jìn)料的速度以及燃燒時配風(fēng)量的大小均可通過操作軟件來進(jìn)行調(diào)控，在燃燒運行時，可以實現(xiàn)自動點火和配風(fēng)，自動進(jìn)料和清渣的功能^[7]。其中燃燒器采用的是農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研發(fā)的生物質(zhì)自動高效燃燒器，是一種上進(jìn)料式的燃燒器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.2.2 testo350煙氣分析儀

　　試驗采用的數(shù)據(jù)采集儀器為testo350煙氣分析儀。配有各種傳感器，標(biāo)配的煙氣探針長700mm，耐溫為500℃。結(jié)合試驗平臺可以測量的數(shù)據(jù)有：出口處的O₂、CO₂的含量以及體積分?jǐn)?shù)、CO、NO、NO₂、SO₂濃度、冷卻水流量及進(jìn)出溫度、煙道溫度、煙道氣體流量等煙氣參數(shù)。

　　1.3試驗參數(shù)和試驗設(shè)計

　　1.3.1試驗參數(shù)

　　本試驗所測的參數(shù)為煙道氣體中主要氣態(tài)排放物的體積分?jǐn)?shù)，燃燒過程中爐膛的溫度，由此可以計算出燃燒時的過量空氣系數(shù)和燃燒效率，并對NO和CO形成的因素進(jìn)行分析。

　　1.3.2試驗設(shè)計

　　在生物質(zhì)燃燒試驗平臺上分別燃燒3種生物質(zhì)成型燃料，通過改變進(jìn)料量來控制燃燒器負(fù)荷，高中低三種負(fù)荷對應(yīng)的進(jìn)料量分別為3，4，5kg/h。試驗通過調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速來改變空氣流速，所用的風(fēng)機轉(zhuǎn)速可以從0調(diào)到90，但是風(fēng)機采用正弦波調(diào)速，50級以下時風(fēng)速過小，不能用于燃料的正常燃燒，因此選擇50、70、90級三種風(fēng)速，用風(fēng)速儀可測得空氣流速為6，7，8m/s。

　　2試驗結(jié)果

　　2.1三種生物質(zhì)成型燃料的氣態(tài)排放物成分

　　由試驗所測得的氣態(tài)排放物各成分含量可知，氣態(tài)排放物的成分主要是CO和NO_x，H₂S、SO₂等有害氣體成分的含量很少，原因是生物質(zhì)燃料本身的S含量很少，SO₂的排放量會很低[8]。燃燒產(chǎn)生的NO_x通常是指NO和NO₂，大量試驗結(jié)果表明燃燒設(shè)備中產(chǎn)生的NO_x中90%約為NO，NO₂的含量僅占5%^[9]，所以本文主要研究CO和NO的排放規(guī)律。

　　2.2不同種類生物質(zhì)顆粒的NO排放分析

　　2.2.1燃燒器負(fù)荷對NO排放影響

　　燃燒器負(fù)荷的不同導(dǎo)致NO排放的體積分?jǐn)?shù)很大的差異，3種成型燃料在不同燃燒器負(fù)荷下的NO排放特性如圖2所示。對于生物質(zhì)成型燃料來說，燃燒生成的燃料型NO_x占NO_x總排放的65%～80%，此外生物質(zhì)燃料在燃燒時既有揮發(fā)分的均相燃燒，又有殘焦的多相燃燒，形成揮發(fā)分NO_x和焦炭NO_x^[10]。

　　產(chǎn)生NO_x的主要影響因素為溫度、氧濃度、燃料性質(zhì)，本文主要從以下幾個方面來進(jìn)行分析。

　　圖2a木質(zhì)顆粒的NO排放說明，進(jìn)料量增多時燃燒器負(fù)荷增大，NO的排放量也相應(yīng)增大。原因是進(jìn)料量增大時，揮發(fā)分析出量變多，然而木質(zhì)顆粒燃料在幾種工況下的過量空氣系數(shù)均在1.6以上，燃燒所需要的氧氣量充足，這段時間內(nèi)產(chǎn)生的NO增多。

　　圖2b玉米秸稈顆粒的NO排放顯示出總體情況是NO生成量隨著進(jìn)料量的增加先增大后減小。當(dāng)燃燒器負(fù)荷處于中小階段時，過量空氣系數(shù)都大于1.5，氧氣量充足，揮發(fā)分的燃燒都比較完全，排放的NO也會隨之增多。但是當(dāng)進(jìn)料量增加到5kg/h時，過量空氣系數(shù)會減小到1.2以下，氧氣量不足，不僅揮發(fā)分氮不易轉(zhuǎn)化為NO，而且由于此時揮發(fā)分含量較高，揮發(fā)分氮的相互復(fù)合反應(yīng)以及對NO的還原反應(yīng)增強，造成NO排放量下降。

　　圖2c棉桿的NO排放整體趨勢表明，燃燒器負(fù)荷對NO排放的影響與玉米秸稈顆粒的排放規(guī)律相似，排放量都是隨著燃燒器負(fù)荷的增加先升高后降低。

　　2.2.2空氣流速變化對NO排放影響

　　木質(zhì)顆粒，3種燃燒器負(fù)荷下，空氣流速從6m/s增大到7m/s時，NO濃度降低幅度較少，原因是雖然空氣流速的增大會使燃料與空氣的混合時間減少，但燃燒器內(nèi)的溫度依然保持較高，NO生成量雖會有所降低，但是并不明顯。由于燃料氮釋出并轉(zhuǎn)變成NOx需要一定的反應(yīng)時間，當(dāng)空氣流速繼續(xù)增加到8m/s時，揮發(fā)分與空氣的混合時間不足，NO的生成量相應(yīng)的減少，同時空氣流速的加快會使燃燒器內(nèi)的溫度降低，也會抑制NO的生成。

　　玉米秸稈顆粒，燃燒器在小負(fù)荷條件下時，空氣流速從6m/s增加到7m/s，氧氣量的增加使玉米秸稈顆粒的燃燒充分，NO排放也增大。增加到8m/s時，由于進(jìn)料量較小，會有揮發(fā)分氣體還未來得及燃燒就被氣流迅速吹出，滯留時間不足以形成NO，使NO的生成量減小。中高負(fù)荷時，NO的生成量均是隨著空氣流速的增加而增加。原因是空氣流速的增加使氧氣量增大，燃燒變得充分，從而NO排放增多。此外過量空氣系數(shù)的升高，可以降低玉米秸稈的結(jié)渣現(xiàn)象的發(fā)生，減少焦炭中的氮被表面的CO還原成N₂現(xiàn)象的發(fā)生，增加NO的排放量^[11]。

　　棉桿顆粒，在小負(fù)荷時，空氣流速對生成NO的影響也與玉米秸稈顆粒一致，因為棉桿顆粒的揮發(fā)分含量與玉米秸稈顆粒相差不大。燃燒器在中等負(fù)荷下，NO的排放量隨空氣流速的變化與玉米秸稈顆粒相同。繼續(xù)增大燃燒器負(fù)荷，NO的排放量大致保持不變，這說明在一定范圍內(nèi)，棉桿的NO排放基本上不受空氣流速變化的影響，因為棉桿燃料本身的黏性大，容易結(jié)渣成塊，受氣體流速影響較小。

　　2.3不同種類生物質(zhì)顆粒的CO排放分析

　　2.3.1燃燒器負(fù)荷對生物質(zhì)燃料的CO排放影響

　　圖3a木質(zhì)顆粒，燃燒器負(fù)荷處于中小負(fù)荷時，CO的排放值較低。若燃燒器在高負(fù)荷下，煙道中的CO會急劇升高，因為進(jìn)料量的增加使得過量空氣系數(shù)減小，空氣量明顯偏小，生物質(zhì)顆粒燃燒不充分，從而造成CO排放偏高。

　　圖3b玉米秸稈顆粒，當(dāng)進(jìn)料量分別為3，4kg/h時，CO的排放值較小。若燃燒器負(fù)荷增大到使進(jìn)料量為5kg/h，生物質(zhì)顆粒的增多本身會引起灰渣量增多，加之空氣量不夠，固定碳與氧氣的接觸不充分，導(dǎo)致燃燒不充分，

　　CO排放也會增多。圖3c棉桿顆粒，在燃燒器中小負(fù)荷下，排放的CO值變化也不大。而當(dāng)進(jìn)料量為5kg/h時，負(fù)荷的增大會使過量空氣系數(shù)減小到1.2以下，此外由于棉桿的灰分含量較多，燃燒不充分會導(dǎo)致棉桿顆粒燃燒時結(jié)渣增多，又會減少固定碳與氧氣的接觸，生成的CO會大幅度增多。

　　2.3.2空氣流速對生物質(zhì)燃料的CO排放影響

　　木質(zhì)顆粒，燃燒器在小負(fù)荷下進(jìn)料量較少，氧氣量充足，燃料燃燒充分，整體來看空氣流速對CO排放量的影響不大。在小負(fù)荷下空氣流速為8m/s時，燃燒器內(nèi)氣流運動很快，未完全燃燒的揮發(fā)分氣體被吹進(jìn)煙道中，造成CO排放值稍微升高。

　　玉米秸稈顆粒，燃燒器在中小負(fù)荷下，空氣流速的變化對其影響較小。若燃燒器負(fù)荷處于最大，生物質(zhì)顆粒的增多會引起灰渣量增多，加之空氣量不夠，固定碳與氧氣的接觸不充分，燃燒不充分，CO排放也比中小負(fù)荷高，且CO的排放值在空氣流速7m/s的工況下為最高。將空氣流速調(diào)為6m/s，可以減緩燃燒器內(nèi)的氣流運動，增加固定碳與氧氣的接觸時間，減少CO的生成?？諝饬魉僭黾拥?m/s，可以增加進(jìn)氣量，提高過量空氣系數(shù)，CO排放也會比與7m/s時少一些。

　　棉桿顆粒，燃燒器在中小負(fù)荷下，CO的生成量隨著空氣流速的變化不大，此時過量空氣系數(shù)變化不大，空氣流速的變化對燃燒效率的影響不明顯，所以排放的CO值變化也不大。增大燃燒器負(fù)荷，過量空氣系數(shù)減小到1.2以下，此外由于棉桿的灰分含量較多，燃燒不充分會導(dǎo)致燃燒時結(jié)渣增多，又會減少固定碳與氧氣的接觸，生成的CO會大幅增多。此種燃燒器負(fù)荷下，空氣流速對產(chǎn)生CO的影響與玉米秸稈類似，7m/s時，排放量為最低。增加和減小空氣流速都會促進(jìn)CO的生成，但是影響不大。

　　2.4討論

　　通過對比在相同的燃燒器負(fù)荷和相同空氣流速下3種燃料的NO平均排放值可以發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)顆粒的NO排放最低，棉桿顆粒的最高，玉米秸稈顆粒介于二者之間。從元素分析數(shù)據(jù)中可知木質(zhì)燃料中的N元素含量僅為0.13%，比棉桿（1.16%）和玉米秸稈（0.92%）要低很多。雖然燃料中不同含量的N以不同的形式存在，但總體而言N含量越高，NO排放量也越高。而與玉米秸稈顆粒相比較，棉桿顆粒的燃燒溫度為1283K要高于玉米秸稈的燃燒溫度1259K，同時N元素的含量也高于玉米秸稈顆粒，因此NO的排放量是3種燃料中最高的。

　　CO是一種不完全燃燒的產(chǎn)物，其產(chǎn)生主要受燃燒時燃燒器內(nèi)混合氣濃度的影響?？傮w來看，比較3種生物質(zhì)顆粒燃燒排放的CO值為玉米秸稈顆粒＞棉桿顆粒＞木質(zhì)顆粒。木質(zhì)顆粒的長度稍小，密度也相對較小，顆粒結(jié)構(gòu)比較松散，并且不易結(jié)渣，在燃燒器內(nèi)燃燒的會干凈透徹，因此煙道氣體中的CO含量是3種燃料中最低的。玉米秸稈顆粒由于燃燒時容易結(jié)渣，燃燒器內(nèi)部局部混合氣濃度較大，造成缺氧使CO作為未燃產(chǎn)物生成，因此CO排放量最高。

　　3結(jié)論

　　1）從3種成型燃料燃燒排放物來看，木質(zhì)顆粒NO排放量均是隨著燃燒器負(fù)荷的增大而升高，但升高幅度不是很大，玉米秸稈顆粒和棉桿顆粒在中等負(fù)荷下，生成的NO量最多?？諝饬魉賹O排放的影響也不同，相同的燃燒器負(fù)荷下，木質(zhì)顆粒的NO排放隨著空氣流速增大而減??；玉米秸稈顆粒在小負(fù)荷下，排放量隨著空氣流速的增大先升高后降低，在中高負(fù)荷時，則隨著空氣流速增大而升高；棉桿顆粒在中等負(fù)荷時，生成的NO隨著空氣流速的增大而增多，在大負(fù)荷時燃燒生成的NO量基本不變。

　　2）3種燃料的CO排放量均是隨著燃燒器負(fù)荷的增加而增大，CO排放規(guī)律類似的差異之處在于：當(dāng)燃燒器負(fù)荷較大時，木質(zhì)顆粒的CO排放量隨著空氣流速的增大而降低，玉米秸稈和棉桿顆粒2種燃料則是在空氣流速變大時，排放量先增加后減小。從燃燒的結(jié)渣狀況來看，玉米秸稈顆粒的結(jié)渣狀況較為嚴(yán)重，這是由于玉米秸稈堿金屬氧化物含量較高，比較容易熔融，從而結(jié)焦^[12]。

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