0、引言
生物質(zhì)能是世界第4大能源，在我國能源總消費(fèi)中占14%，是大多數(shù)農(nóng)牧民的主要生活燃料，必須加快發(fā)展高品位的生物質(zhì)能。鑒于我國是水資源短缺、林木覆蓋率只有13%、生態(tài)條件相當(dāng)脆弱的國家，生物質(zhì)能的利用需要專門、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的燃燒設(shè)備保證其高效、清潔地燃燒。
國內(nèi)外專家學(xué)者設(shè)計(jì)了多種生物質(zhì)爐并對其污染物排放規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，積累了一些重要的研究方法和數(shù)據(jù)，但是，其結(jié)論幾乎都是基于生物質(zhì)爐的穩(wěn)定燃燒狀況。然而，對于體積較大的燃燒設(shè)備，啟停時間較長，以湖南某公司的生物質(zhì)成型燃料爐為例，正常工況下，該爐點(diǎn)火所需時間約25 min。考慮到大部分家庭的作息時間，一天內(nèi)該燃料爐工作時間約為4h，點(diǎn)火占整個工作時間的10. 4%。而且，點(diǎn)火為非穩(wěn)態(tài)過程，期間，燃料進(jìn)行不完全燃燒，污染物排放規(guī)律與穩(wěn)態(tài)時不同。
為了得到該生物質(zhì)成型燃料爐點(diǎn)火過程污染物排放規(guī)律，文獻(xiàn)[7]主要考慮燃料活化能與通風(fēng)狀況，分析不同爐體溫度點(diǎn)火過程中污染物(CO，NO)排放量隨排煙溫度的變化關(guān)系，得到加強(qiáng)爐膛保溫可降低污染物排放量。本文主要考慮燃燒機(jī)理、產(chǎn)物生成機(jī)理分析兩種不同助燃空氣溫度點(diǎn)火過程中污染物(CO，NO)排放量隨排煙溫度的變化關(guān)系；并通過比較兩種不同助燃空氣溫度燃燒過程的污染物排放規(guī)律，提出了降低本爐點(diǎn)火過程污染物排放量的方法；采用回歸分析的方法總結(jié)了點(diǎn)火過程中CO/NO和排煙溫度之間的規(guī)律，探討降低污染物排放的方法。
1、生物質(zhì)成型燃料爐工作原理
試驗(yàn)用生物質(zhì)成型燃料爐額定功率為10kW，主要由爐膛、爐排、輻射及對流傳熱面、點(diǎn)火器、引風(fēng)機(jī)、貫流風(fēng)機(jī)、料斗、螺旋給料器等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。
生物質(zhì)成型燃料爐工作過程：啟動生物質(zhì)成型燃料爐的開關(guān)，點(diǎn)火器開始工作，與此同時，螺旋給料器將料斗內(nèi)的生物質(zhì)顆粒輸送到燃燒室中的爐排上；貫流風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)啟動。經(jīng)過一段時間，顆粒開始著火并在爐排上燃燒。室外的助燃空氣從燃燒室后墻的孔洞引入。產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^換熱器加熱由貫流風(fēng)機(jī)引入的室內(nèi)冷空氣，最后由引風(fēng)機(jī)經(jīng)過排煙管道排到室外。產(chǎn)生的熱空氣從爐體的上部排出。當(dāng)燃料爐運(yùn)行一段時間時，貫流風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)功率自動加大。需要停爐時，按下停爐按鈕，引風(fēng)機(jī)會加大功率抽吸室外冷空氣冷爐。
2、試驗(yàn)儀器和方法
2.1 試驗(yàn)方法
本次實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[7]。
2.2 成型燃料的理化特性
試驗(yàn)中分別燃用玉米秸稈和木質(zhì)兩種成型燃料，粒徑分別為8.5和6.5 mm，長度約為20 mm。試驗(yàn)前利用GR-3500型氧彈式熱量計(jì)、5E-MAG6600型工業(yè)分析儀和Vario EL IH型元素分析儀分別對兩種燃料的低位發(fā)熱量、工業(yè)分析和元素分析值進(jìn)行了測量，結(jié)果見文獻(xiàn)[7]表l。
3、結(jié)果與分析
由于污染物的排放水平與爐膛內(nèi)的溫度水平、過�？諝庀禂�(shù)有關(guān)，本文通過兩種不同助燃空氣溫度實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)火過程污染物排放的比較，以尋找降低污染物排放量的方法。
3.1 點(diǎn)火過程CO的排放規(guī)律
生物質(zhì)成型燃料燃燒機(jī)理[8]：生物質(zhì)成型燃料燃燒屬于靜態(tài)滲透式擴(kuò)散燃燒，燃燒過程從著火后開始。
1)生物質(zhì)成型燃料表面可燃揮發(fā)物燃燒，進(jìn)行可燃?xì)怏w和氧氣的放熱化學(xué)反應(yīng)，形成火焰；
2)除了生物質(zhì)成型燃料表面部分可燃揮發(fā)物燃燒外，成型燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區(qū)，形成較長火焰；
3)生物質(zhì)成型燃料表面仍有較少的揮發(fā)分燃燒，更主要的是燃燒向成型燃料更深層滲透，焦碳的擴(kuò)散燃燒，燃燒產(chǎn)物CO，CO及其他氣體向外擴(kuò)散，行進(jìn)中CO不斷與Oz結(jié)合成COz，成型燃料表層生成薄灰殼，外層包圍著火焰；
4)生物質(zhì)成型燃料進(jìn)一步向更深層發(fā)展，在層內(nèi)主要進(jìn)行碳燃燒(即C+ Oz一CO)，在球表面進(jìn)行CO的燃燒（即CO+O2→CO2），形成比較厚的灰殼，由于生物質(zhì)的燃盡和熱膨脹，灰層中呈現(xiàn)微孔組織或空隙通道甚至裂縫，較少的短火焰包圍著成型塊；
5)燃盡殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，在沒有強(qiáng)烈干擾的情況下，形成整體的灰球，灰球表面幾乎看不出火焰，灰球會變暗紅色，至此完成了生物質(zhì)成型燃料的整個燃燒過程。
3.1.1 熱風(fēng)點(diǎn)火過程CO的排放規(guī)律
通過實(shí)驗(yàn)分析，熱風(fēng)點(diǎn)火過程主要涉及生物質(zhì)成型燃料燃燒機(jī)理的前三個過程。點(diǎn)火過程中，兩種生物質(zhì)成型燃料的CO排放量與排煙溫度的關(guān)系如圖1所示。
熱風(fēng)點(diǎn)火過程中，兩種成型燃料CO的排放呈相似規(guī)律，整個過程中CO的排放量出現(xiàn)了三個峰值。
當(dāng)爐膛溫度達(dá)到一定值時，爐排上生物質(zhì)成型燃料表面可燃揮發(fā)物燃燒，形成火焰。揮發(fā)份燃燒產(chǎn)生的熱量使?fàn)t排附近的空間溫度升高導(dǎo)致大量的揮發(fā)份析出，其中就包括大量的CO。此時由于爐膛整體溫度較低，析出的CO不能完全燃燒，而且，爐排上料層較薄，通風(fēng)條件好，煙氣停留時間短，生成的CO來不及被氧化就離開爐膛，因此，煙氣中CO的質(zhì)量濃度逐漸增大。與木質(zhì)成型燃料相比，玉米秸稈具有較低的活化能，揮發(fā)分析出速率快，易達(dá)到著火濃度而點(diǎn)燃，著火溫度低，因此，燃用玉米秸稈co質(zhì)量濃度達(dá)到第一個峰值對應(yīng)的排煙溫度(37℃)比燃用木質(zhì)成型燃料的(39-c)要低。隨后，爐膛溫度逐漸升高，有利于C0的氧化反應(yīng)，CO的質(zhì)量濃度隨排煙溫度的升高而降低。
隨后生物質(zhì)成型燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區(qū)，形成較長火焰，爐膛溫度大幅提高，使得進(jìn)入爐膛的燃料快速析出揮發(fā)份，然而空氣穿過爐排時大部分已反應(yīng)，因此爐膛內(nèi)部出現(xiàn)缺氧，CO不能完全反應(yīng)，煙氣中CO質(zhì)量濃度升高。由
于，爐膛溫度較高，CO析出反應(yīng)比第一個CO峰值更劇烈，所以第二個CO峰值高于第一個峰值。
當(dāng)燃燒爐運(yùn)行一段時間時，引風(fēng)機(jī)功率增大，爐膛空氣流量增加,CO與02反應(yīng)加強(qiáng)；此時煙氣流量對應(yīng)增加，因此煙氣中CO質(zhì)量濃度隨排煙溫度快速減少。但爐膛內(nèi)氣體混合不充分，溫度分布不均勻；同時貫流風(fēng)機(jī)功率增大，強(qiáng)化了傳熱，爐膛內(nèi)的火焰極不穩(wěn)定，煙氣中CO質(zhì)量濃度隨排煙溫度增加又迅速增加，并達(dá)到第三個峰值。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，火焰逐漸穩(wěn)定，爐膛溫度提高、均勻分布；成型燃料表層生成薄灰殼，料層厚度增厚，通風(fēng)阻力增大，延長了煙氣的停留時間，CO反應(yīng)更完全。由圖l可以看出，CO的排放質(zhì)量濃度逐漸減小，并達(dá)到一定的穩(wěn)定值。
燃用玉米秸稈，當(dāng)排煙溫度為76℃時，CO的排放質(zhì)量濃度達(dá)到最大值(405 mglm3)，整個過程平均質(zhì)量濃度為298.4 mg／m3，最后達(dá)到的穩(wěn)定值為150 mg/m3；燃用木質(zhì)成型燃料，當(dāng)排煙溫度為60℃時，CO的質(zhì)量濃度達(dá)到最大值(218.7mg／m3)，整個過程平均排放濃度為168.6mglm3，最后達(dá)到的穩(wěn)定值為106 mg/Nm3。由此可見，點(diǎn)火過程CO的排放質(zhì)量濃度高于穩(wěn)態(tài)燃燒時的排放質(zhì)量濃度。
3.1.2 冷風(fēng)點(diǎn)火過程CO的排放規(guī)律
冷風(fēng)點(diǎn)火過程兩種成型燃料CO的排放量與排煙溫度對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。
冷風(fēng)點(diǎn)火過程中，兩種成型燃料CO的排放規(guī)律同樣類似，整個過程中CO的排放量出現(xiàn)了兩個峰值。與熱風(fēng)點(diǎn)火過程不同的是冷風(fēng)點(diǎn)火過程主要涉及生物質(zhì)成型燃料燃燒機(jī)理的前兩個過程。當(dāng)物質(zhì)成型燃料表面可燃揮發(fā)物燃燒，形成火焰時，燃燒產(chǎn)生的熱量使?fàn)t排附近的空間升溫導(dǎo)致大量揮發(fā)份CO的析出。然而由于爐膛整體溫度較低，使得產(chǎn)生的co不能完全反應(yīng)，煙氣中的CO質(zhì)量濃度升高，出現(xiàn)第一個峰值。隨著燃燒反應(yīng)時間的推移，爐膛整體溫度提高，CO燃燒反應(yīng)加強(qiáng)，煙氣中的CO質(zhì)量濃度降低。
由于冷風(fēng)點(diǎn)火時，燃燒反應(yīng)比較平緩，爐膛整體溫度較熱風(fēng)點(diǎn)火的爐膛溫度低，因此生物質(zhì)成型燃料揮發(fā)份析出的速率比較慢，兩個峰值間開始的燃燒反應(yīng)主要以燃燒機(jī)理的第一階段為主，隨爐膛整體溫度的提高，大部分燃料進(jìn)入燃燒機(jī)、理的第二階段，煙氣中CO質(zhì)量濃度快速升高。在CO質(zhì)量濃度上升的過程中，貫流風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)功率增大，這使CO質(zhì)量濃度上升的速率與爐膛整體溫度有所降低，同時由于爐膛內(nèi)氣體混合不充分，CO與02反應(yīng)減弱，因此煙氣中CO質(zhì)量濃度依然上升。從而冷風(fēng)點(diǎn)火過程的CO排放量與溫度曲線沒有出現(xiàn)熱風(fēng)點(diǎn)火過程中類似明顯的第二個峰值。當(dāng)爐膛內(nèi)的火焰穩(wěn)定、氣體混合充分時，燃燒反應(yīng)更加劇烈、充分，煙氣中的CO質(zhì)量濃度逐漸降低，直到達(dá)到穩(wěn)定值。
冷風(fēng)點(diǎn)火過程，燃用玉米秸稈，當(dāng)排煙溫度為53℃時，CO的排放質(zhì)量濃度達(dá)到最大值(748mg／m3)，整個過程平均質(zhì)量濃度為385 mg／m3，是熱風(fēng)點(diǎn)火過程的1. 29倍；燃用木質(zhì)成型燃料，當(dāng)排煙溫度為33℃時，CO的質(zhì)量濃度達(dá)到最大值(401 mg／m3)，整個過程平均排放濃度為218mg／m3，是熱風(fēng)點(diǎn)火過程的1.29倍。同時冷風(fēng)點(diǎn)火過程所需時間長于熱風(fēng)點(diǎn)火過程。
通過圖1、2分析可知，冷風(fēng)點(diǎn)火過程中，CO的排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)時的質(zhì)量濃度，采用熱風(fēng)點(diǎn)火的方式，CO的排放質(zhì)量濃度可以降低為冷風(fēng)點(diǎn)火的77%，而且還降低了排煙損失，提高了熱效率。因此，提高助燃空氣溫度，有助于降低CO的排放。
3.2 點(diǎn)火過程N(yùn)O2的排放規(guī)律
燃燒過程中所產(chǎn)生的NOz -般是指NO和N02。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燃燒裝置排放NO：中NO -般約占95%，而NOz僅占5%。因此，本文的NO，主要是指NO。
根據(jù)NO2生成機(jī)理的不同，可將燃燒過程產(chǎn)生的NO，分為三種類型。
熱力型NO2：燃燒過程中空氣中的氮和氧在高溫中生成的NO及NO2總和。
燃料型NO，：燃料中氮有機(jī)化合物先被分解成氰( HCN)、氨(NH4)和CN等中間產(chǎn)物，作為揮發(fā)分而析出，揮發(fā)份再被氧化成NOx。
快速型NO，：燃料燃燒時產(chǎn)生的烴類等撞擊空氣分子中Nz分子而生成CN、HCN等再被氧化成NOx。
3.2.1 熱風(fēng)點(diǎn)火過程N(yùn)O的排放規(guī)律
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，燃燒產(chǎn)生的煙氣中基本沒有NO2，因此重點(diǎn)研究NO的排放規(guī)律。熱風(fēng)點(diǎn)火過程，兩種成型燃料NO的排放量(mglm3)隨排煙溫度的變化情況如圖3所示。
圖3表明：熱風(fēng)點(diǎn)火過程中，兩種成型燃料NO的排放規(guī)律相同。隨著排煙溫度的升高，NO的質(zhì)量濃度呈增大趨勢。當(dāng)木質(zhì)成型燃料排煙溫度小于88℃、玉米秸稈排煙溫度小于89℃時，燃燒產(chǎn)生的NO主要為燃料型NO。點(diǎn)火過程中，隨著爐膛溫度的升高，析出的揮發(fā)份增加．燃燒反應(yīng)加強(qiáng)，煙氣中的NO質(zhì)量濃度增加。當(dāng)木質(zhì)成型燃料排煙溫度大于88℃，玉米秸稈排煙溫度大于89℃時，由于爐膛溫度的升高，空氣中的氮和氧在高溫中生成的NO，使得煙氣中的NO質(zhì)量濃度快速增加。隨著燃燒反應(yīng)的穩(wěn)定，煙氣中的NO質(zhì)量濃度將達(dá)到一個穩(wěn)定值。整個點(diǎn)火過程中，燃用木質(zhì)成型燃料，NO的最高排放質(zhì)量濃度為30mg／m3，平均排放質(zhì)量濃度為16 mg／m3；燃用玉米秸稈成型燃料，NO的最高排放質(zhì)量濃度為135mglm3，平均排放質(zhì)量濃度為82,7 mg/m3。燃用玉米秸稈成型燃料NO的排放量是燃用木質(zhì)成型燃料的5倍，主要是因?yàn)橛衩捉斩捜剂系暮扛哂谀举|(zhì)燃料。而且，兩種燃料穩(wěn)定燃燒時NO的排放質(zhì)量濃度高于點(diǎn)火過程的排放質(zhì)量濃度。
3.2.2 冷風(fēng)點(diǎn)火過程N(yùn)O的排放規(guī)律
冷風(fēng)點(diǎn)火過程，兩種成型燃料NO的排放量(mg／m3)隨排煙溫度的變化情況如圖4所示。
圖4表明：冷爐點(diǎn)火過程中，兩種成型燃料NO的排放規(guī)律相同，且基本都是燃料型NO。隨著排煙溫度的升高，NO的質(zhì)量濃度呈增大趨勢，且達(dá)到一定值時，NO的排放量趨于穩(wěn)定。這兩種燃料趨于穩(wěn)定時達(dá)到的排煙溫度和NO的排放量不同。當(dāng)秸稈排煙溫度小于39℃、木質(zhì)排煙溫度小于45℃時，爐排上火焰很小，爐膛溫度較低，揮發(fā)份析出速度較慢,NO的質(zhì)量濃度低、緩慢增加。之后，隨著爐膛溫度的進(jìn)一步升高，燃燒反應(yīng)加強(qiáng)，促使燃料析出NH3、HCN等揮發(fā)份速率加快，再與充足的氧氣反應(yīng)，生成燃料型NO，加速了NO的生成，因此，從圖4可以看出,NO的質(zhì)量濃度快速增加。這段過程生成的NO基本都是燃料型NO。由于玉米秸稈具有較低的活化能，揮發(fā)分析出速率快，燃用玉米秸稈NO生成速度開始加快對應(yīng)的排煙溫度比燃用木質(zhì)成型燃料的要低。整個點(diǎn)火過程中，燃用木質(zhì)成型燃料，NO的最高排放質(zhì)量濃度為70.1 mg/m3，平均排放質(zhì)量濃度為33,1 mg／m3；燃用秸稈成型燃料，NO的最高排放濃度為126 mglma，平均排放質(zhì)量濃度為70.4 mg／nf。燃用秸稈成型燃料NO的排放量是燃用木質(zhì)燃料的2倍，主要是因?yàn)榻斩捜剂系暮扛哂谀举|(zhì)燃料。而且，兩種燃料穩(wěn)定燃燒時NO的排放質(zhì)量濃度高于點(diǎn)火過程的排放質(zhì)量濃度。
比較圖3、4得，熱風(fēng)點(diǎn)火過程與冷風(fēng)點(diǎn)火過程中，兩種燃料NO排放規(guī)律基本相同。但由于助燃空氣溫度的不同，使得點(diǎn)火過程的溫度范圍有所不同，從而使整個點(diǎn)火過程N(yùn)O的排放量與溫度關(guān)系曲線略有不同：熱風(fēng)點(diǎn)火較冷風(fēng)點(diǎn)火，整個過程爐膛溫度高，初始階段揮發(fā)份析出速率較快，因此沒有冷風(fēng)點(diǎn)火中初始階段的NO質(zhì)量濃度緩慢增加；末期階段有較多熱力型NO產(chǎn)生。
熱風(fēng)點(diǎn)火過程的木質(zhì)成型燃料NO排放量明顯低于冷風(fēng)點(diǎn)火過程的木質(zhì)成型燃料NO排放量，但熱風(fēng)點(diǎn)火過程的玉米秸稈NO排放量略高于冷分點(diǎn)火過程的玉米秸稈NO排放量。因此提高助燃空氣溫度可減少木質(zhì)成型燃料的NO排放量，卻會增加玉米秸稈的NO排放量。
3.3 點(diǎn)火過程CO與NO質(zhì)量比隨排煙溫度的變化規(guī)律
3.3.1 冷風(fēng)點(diǎn)火過程CO與NO質(zhì)量比隨排煙溫度的變化規(guī)律
冷風(fēng)點(diǎn)火過程CO與NO質(zhì)量比隨排煙溫度的變化規(guī)律如圖5所示。
通過回歸分析得出，CO與NO的質(zhì)量比有一定的規(guī)律性，對于燃用玉米秸稈燃料，CO與NO的質(zhì)量比隨排煙溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系減�。蝗加媚举|(zhì)成型燃料，CO與NO的質(zhì)量比隨排煙溫度的升高呈乘冪關(guān)系減小。Kituyi等在研究燃用木質(zhì)燃料生物質(zhì)爐的CO和NO的排放規(guī)律時指出NO/COz和CO/C02的值接近為一個常數(shù)，對于不同的爐型，其值不同。本文采用他的測量值，也得到與本次試驗(yàn)相似的結(jié)果，如圖5所示。此外，Balland-Tremeer和Jawurek[1I]在分析燃用木質(zhì)燃料炊事爐的性能時，指出S02/CO接近一個常數(shù)。因此，可以推斷，一個燃燒設(shè)備某種污染物的排放量不僅與爐膛溫度，過�？諝庀禂�(shù)有關(guān)，還與其他污染物的排放量有關(guān)，但是，其中的內(nèi)在關(guān)系，尚待研究。
3.3.2 熱風(fēng)點(diǎn)火過程CO與NO質(zhì)量比隨排煙溫度的變化規(guī)律
熱風(fēng)點(diǎn)火過程CO與NO質(zhì)量比隨排煙溫度的變化規(guī)律如圖6所示。
通過回歸分析得出，熱風(fēng)點(diǎn)火過程CO與NO的質(zhì)量比與冷風(fēng)過程具有同樣的規(guī)律。對于燃用玉米秸稈燃料，CO與NO的質(zhì)量比隨排煙溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系減小；燃用木質(zhì)燃料，CO與NO的質(zhì)量比隨排煙溫度的升高呈乘冪關(guān)系減小。
4 結(jié) 論
1)通過對點(diǎn)火過程污染物排放的研究表明，點(diǎn)火過程中煙氣的污染物主要是CO且其平均質(zhì)量濃度高于穩(wěn)態(tài)濃度值；而NO平均質(zhì)量濃度低于穩(wěn)態(tài)濃度值。
2)通過熱風(fēng)點(diǎn)火過程與冷風(fēng)點(diǎn)火過程的比較可知，提高助燃空氣溫度可有效的降低煙氣中CO質(zhì)量濃度、縮短點(diǎn)火時間，同肘可降低木質(zhì)燃料煙氣中的NO質(zhì)量濃度，但會使秸稈燃料煙氣中的NO質(zhì)量濃度略有升高�？傮w而言，提高助燃空氣溫度可減少點(diǎn)火過程污染物的排放量。
3)生物質(zhì)成型燃料爐點(diǎn)火過程中，兩種燃料煙氣中的CO與NO質(zhì)量比隨排煙溫度的變化具有一定規(guī)律。木質(zhì)燃料的CO與NO質(zhì)量比隨排煙溫度的升高呈乘冪關(guān)系減小，秸稈燃料CO與NO的質(zhì)量比隨排煙溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系減小。
三門峽富通新能源銷售顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)、生物質(zhì)鍋爐等。
