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趙欣1，李慧1，胡乃濤1，余鵬1，張學敏1，姚宗路2
（1.中國農業大學工學院，北京100083；2.農業部規劃設計研究院農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125）
摘要：針對國內固體生物質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，在生物質燃燒試驗平臺上，采用Testo350煙氣分析儀，對木質、棉桿和玉米秸稈3種固體生物質成型燃料分別展開了燃燒的氣態排放物研究，重點研究了3種生物質成型燃料在不同燃燒器負荷和進氣量下的NO和CO的排放情況。試驗結果表明：3種燃料的NO排放量均在0.05%以下，CO也不高于1%。3種燃料的氣態排放物總體趨勢為隨著燃燒器負荷的增大，NO和CO的排放量增多，隨著進氣量的增加，氣態排放物的含量減少。該研究可以為指導燃用生物質成型燃料鍋爐的實際運行，以優化生物質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]。我國的生物質資源也非常豐富，隨著經濟的發展，農作物秸稈產量也在逐年遞增[2]，在我國生物質資源中占據十分重要的地位。現階段很多地區都沒有專門用來燃用生物質燃料的設備，造成大量未完全燃燒的CO及NOx等有害氣體排放到大氣中，不僅造成環境污染，還對人類的身體造成很大的危害。
生物質固體成型燃料燃燒產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]。近年來國內外均有一些對生物質成型燃料氣態排放物相關的研究，其中國外學者大多是對木質成型燃料進行研究，而國內研究較多的是稻殼、小麥秸稈和林業廢棄物等的燃燒排放情況，對玉米秸稈、棉桿等生物質成型燃料燃燒的氣態排放物研究較少[4]。我國的生物質成型燃料與國外的燃料在元素含量和工業分析等方面的差異使得燃燒特性和排放也不一致，需要針對其特性進行研究[5]。
本文運用農業部規劃設計研究院研制的PB-20型生物質燃燒器，使用3種生物質顆粒燃料，在不同燃燒器負荷和空氣流速下進行燃燒，監測煙道氣體排放狀況，分析生物質顆粒燃料的主要氣態排放物特性以及設備進料進風等控制參數對氣態排放物的影響。針對相應生物質顆粒燃料優選燃燒設備的最佳控制參數，為改進氣態排放狀況，減少CO、NO的排放提供理論基礎，從而達到減排的目的。
1試驗部分
1.1試驗燃料
我國的生物質顆粒燃料主要以農作物秸稈為主，本次試驗選擇木質、玉米秸稈和棉桿3種成型生物質燃料進行對比分析。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種生物質顆粒燃料進行工業分析、元素分析、熱值測量，結果如表1所示。
1.2儀器與設備
1.2.1生物質固體成型燃料燃燒試驗平臺
生物質固體成型燃料燃燒試驗平臺是以生物質燃燒器和鍋爐為核心，集料倉，進料裝置，控制箱，風機和記錄軟件等為一體的科研平臺[6]。其中，進料的速度以及燃燒時配風量的大小均可通過操作軟件來進行調控，在燃燒運行時，可以實現自動點火和配風，自動進料和清渣的功能[7]。其中燃燒器采用的是農業部規劃設計研究院研發的生物質自動高效燃燒器，是一種上進料式的燃燒器，結構如圖1所示。
1.2.2 testo350煙氣分析儀
試驗采用的數據采集儀器為testo350煙氣分析儀。配有各種傳感器，標配的煙氣探針長700mm，耐溫為500℃。結合試驗平臺可以測量的數據有：出口處的O2、CO2的含量以及體積分數、CO、NO、NO2、SO2濃度、冷卻水流量及進出溫度、煙道溫度、煙道氣體流量等煙氣參數。
1.3試驗參數和試驗設計
1.3.1試驗參數
本試驗所測的參數為煙道氣體中主要氣態排放物的體積分數，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和燃燒效率，并對NO和CO形成的因素進行分析。
1.3.2試驗設計
在生物質燃燒試驗平臺上分別燃燒3種生物質成型燃料，通過改變進料量來控制燃燒器負荷，高中低三種負荷對應的進料量分別為3，4，5kg/h。試驗通過調整風機轉速來改變空氣流速，所用的風機轉速可以從0調到90，但是風機采用正弦波調速，50級以下時風速過小，不能用于燃料的正常燃燒，因此選擇50、70、90級三種風速，用風速儀可測得空氣流速為6，7，8m/s。
2試驗結果
2.1三種生物質成型燃料的氣態排放物成分
由試驗所測得的氣態排放物各成分含量可知，氣態排放物的成分主要是CO和NOx，H2S、SO2等有害氣體成分的含量很少，原因是生物質燃料本身的S含量很少，SO2的排放量會很低[8]。燃燒產生的NOx通常是指NO和NO2，大量試驗結果表明燃燒設備中產生的NOx中90%約為NO，NO2的含量僅占5%[9]，所以本文主要研究CO和NO的排放規律。
2.2不同種類生物質顆粒的NO排放分析
2.2.1燃燒器負荷對NO排放影響
燃燒器負荷的不同導致NO排放的體積分數很大的差異，3種成型燃料在不同燃燒器負荷下的NO排放特性如圖2所示。對于生物質成型燃料來說，燃燒生成的燃料型NOx占NOx總排放的65%～80%，此外生物質燃料在燃燒時既有揮發分的均相燃燒，又有殘焦的多相燃燒，形成揮發分NOx和焦炭NOx[10]。
產生NOx的主要影響因素為溫度、氧濃度、燃料性質，本文主要從以下幾個方面來進行分析。
圖2a木質顆粒的NO排放說明，進料量增多時燃燒器負荷增大，NO的排放量也相應增大。原因是進料量增大時，揮發分析出量變多，然而木質顆粒燃料在幾種工況下的過量空氣系數均在1.6以上，燃燒所需要的氧氣量充足，這段時間內產生的NO增多。
圖2b玉米秸稈顆粒的NO排放顯示出總體情況是NO生成量隨著進料量的增加先增大后減小。當燃燒器負荷處于中小階段時，過量空氣系數都大于1.5，氧氣量充足，揮發分的燃燒都比較完全，排放的NO也會隨之增多。但是當進料量增加到5kg/h時，過量空氣系數會減小到1.2以下，氧氣量不足，不僅揮發分氮不易轉化為NO，而且由于此時揮發分含量較高，揮發分氮的相互復合反應以及對NO的還原反應增強，造成NO排放量下降。
圖2c棉桿的NO排放整體趨勢表明，燃燒器負荷對NO排放的影響與玉米秸稈顆粒的排放規律相似，排放量都是隨著燃燒器負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
木質顆粒，3種燃燒器負荷下，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變成NOx需要一定的反應時間，當空氣流速繼續增加到8m/s時，揮發分與空氣的混合時間不足，NO的生成量相應的減少，同時空氣流速的加快會使燃燒器內的溫度降低，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，由于進料量較小，會有揮發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。此外過量空氣系數的升高，可以降低玉米秸稈的結渣現象的發生，減少焦炭中的氮被表面的CO還原成N2現象的發生，增加NO的排放量[11]。
棉桿顆粒，在小負荷時，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分含量與玉米秸稈顆粒相差不大。燃燒器在中等負荷下，NO的排放量隨空氣流速的變化與玉米秸稈顆粒相同。繼續增大燃燒器負荷，NO的排放量大致保持不變，這說明在一定范圍內，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，容易結渣成塊，受氣體流速影響較小。
2.3不同種類生物質顆粒的CO排放分析
2.3.1燃燒器負荷對生物質燃料的CO排放影響
圖3a木質顆粒，燃燒器負荷處于中小負荷時，CO的排放值較低。若燃燒器在高負荷下，煙道中的CO會急劇升高，因為進料量的增加使得過量空氣系數減小，空氣量明顯偏小，生物質顆粒燃燒不充分，從而造成CO排放偏高。
圖3b玉米秸稈顆粒，當進料量分別為3，4kg/h時，CO的排放值較小。若燃燒器負荷增大到使進料量為5kg/h，生物質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，在燃燒器中小負荷下，排放的CO值變化也不大。而當進料量為5kg/h時，負荷的增大會使過量空氣系數減小到1.2以下，此外由于棉桿的灰分含量較多，燃燒不充分會導致棉桿顆粒燃燒時結渣增多，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空氣流速對生物質燃料的CO排放影響
木質顆粒，燃燒器在小負荷下進料量較少，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。在小負荷下空氣流速為8m/s時，燃燒器內氣流運動很快，未完全燃燒的揮發分氣體被吹進煙道中，造成CO排放值稍微升高。
玉米秸稈顆粒，燃燒器在中小負荷下，空氣流速的變化對其影響較小。若燃燒器負荷處于最大，生物質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。將空氣流速調為6m/s，可以減緩燃燒器內的氣流運動，增加固定碳與氧氣的接觸時間，減少CO的生成。空氣流速增加到8m/s，可以增加進氣量，提高過量空氣系數，CO排放也會比與7m/s時少一些。
棉桿顆粒，燃燒器在中小負荷下，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。增大燃燒器負荷，過量空氣系數減小到1.2以下，此外由于棉桿的灰分含量較多，燃燒不充分會導致燃燒時結渣增多，又會減少固定碳與氧氣的接觸，生成的CO會大幅增多。此種燃燒器負荷下，空氣流速對產生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荷和相同空氣流速下3種燃料的NO平均排放值可以發現，木質顆粒的NO排放最低，棉桿顆粒的最高，玉米秸稈顆粒介于二者之間。從元素分析數據中可知木質燃料中的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物，其產生主要受燃燒時燃燒器內混合氣濃度的影響。總體來看，比較3種生物質顆粒燃燒排放的CO值為玉米秸稈顆粒＞棉桿顆粒＞木質顆粒。木質顆粒的長度稍小，密度也相對較小，顆粒結構比較松散，并且不易結渣，在燃燒器內燃燒的會干凈透徹，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渣，燃燒器內部局部混合氣濃度較大，造成缺氧使CO作為未燃產物生成，因此CO排放量最高。
3結論
1）從3種成型燃料燃燒排放物來看，木質顆粒NO排放量均是隨著燃燒器負荷的增大而升高，但升高幅度不是很大，玉米秸稈顆粒和棉桿顆粒在中等負荷下，生成的NO量最多。空氣流速對NO排放的影響也不同，相同的燃燒器負荷下，木質顆粒的NO排放隨著空氣流速增大而減小；玉米秸稈顆粒在小負荷下，排放量隨著空氣流速的增大先升高后降低，在中高負荷時，則隨著空氣流速增大而升高；棉桿顆粒在中等負荷時，生成的NO隨著空氣流速的增大而增多，在大負荷時燃燒生成的NO量基本不變。
2）3種燃料的CO排放量均是隨著燃燒器負荷的增加而增大，CO排放規律類似的差異之處在于：當燃燒器負荷較大時，木質顆粒的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。從燃燒的結渣狀況來看，玉米秸稈顆粒的結渣狀況較為嚴重，這是由于玉米秸稈堿金屬氧化物含量較高，比較容易熔融，從而結焦[12]。
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