摘要：選用大顆粒木質(zhì)燃料為研究對(duì)象，通過(guò)管式加熱爐對(duì)單顆粒木質(zhì)燃料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，研究不同空氣流量和溫度下木質(zhì)燃料燃燒過(guò)程CO、NO、S0，等氣體動(dòng)態(tài)排放特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：800℃時(shí)，揮發(fā)分著火時(shí)間滯后，著火前即有CO隨揮發(fā)分析出，CO排放濃度曲線(xiàn)呈雙峰狀；隨著溫度升高，CO析出峰明顯變窄，從揮發(fā)分析出至焦炭燃燒完成所需時(shí)問(wèn)縮短；NO排放濃度及其排放量在溫度為900℃時(shí)達(dá)到最大值，燃料N至NO的轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)41.7g%，隨著溫度升高和燃燒過(guò)程還原性氣氛增強(qiáng)，NO析出濃度及其排放量減少，轉(zhuǎn)化率可低至12.32%。木質(zhì)燃料充分燃燒時(shí)，幾乎無(wú)S0：排出，S主要轉(zhuǎn)化為硫酸鹽固存于灰分中或于高溫下隨煙氣排出；貧氧燃燒狀態(tài)，析出發(fā)分析出初期有機(jī)硫的分解、氧化，但燃料中更多的S以H，S、CaS等形式排出。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；燃燒。煙氣排放；木質(zhì)燃料；N0；S02
0 引 言
生物質(zhì)燃料來(lái)源廣、產(chǎn)量大，相對(duì)天然氣、柴油具有使用成本低、可再生等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)生物質(zhì)成型燃料的開(kāi)發(fā)、利用和研究仍處于粗放型發(fā)展階段，燃燒、煙氣排放特性等技術(shù)、政策層面的指導(dǎo)依據(jù)仍不具體、不全面。為推動(dòng)生物質(zhì)能源廣泛使用，國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入廣泛的探索。國(guó)內(nèi)對(duì)生物質(zhì)成型燃料燃燒排放特性的研究主要集中于兩方面：一是基于微量細(xì)顆粒的微觀研究，避免燃料內(nèi)部傳熱傳質(zhì)對(duì)燃燒過(guò)程的影響；二是基于大顆粒堆積燃燒的宏觀研究偏向于整體燃燒以及煙氣排放特性的探討。國(guó)外在生物質(zhì)燃料熱解、燃燒等方面的研究表明：生物質(zhì)成型燃料內(nèi)外部傳熱傳質(zhì)過(guò)程對(duì)其熱解、燃燒產(chǎn)物的生成有著密切聯(lián)系，燃料自身成分也直接影響燃燒產(chǎn)物排放特性。
因此，微量細(xì)顆粒或?qū)訝畲箢w粒燃燒試驗(yàn)均無(wú)法全面呈現(xiàn)燃燒中單個(gè)顆粒的燃燒特點(diǎn)，未能從根本上表現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料實(shí)際燃燒及其排煙特性。同時(shí)，目前對(duì)生物質(zhì)成型燃料燃燒煙氣排放特性的研究主要集中于低溫段(≤1 000℃)
，對(duì)較高溫段煙氣生成規(guī)律仍缺乏研究。本文選用工業(yè)鍋爐使用較多的木質(zhì)成型燃料作為研究對(duì)象，研究800-1200℃下單個(gè)木質(zhì)顆粒燃燒過(guò)程CO、NO、S02等氣體排放特性，以期為生物質(zhì)燃料高效、潔凈利用提供參考依據(jù)。
1 試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。主體部分為武漢亞華電爐有限公司生產(chǎn)的SK-4-4-16Q管式氣氛爐，管內(nèi)徑為60 mm，加熱有效長(zhǎng)度為300 mm，加熱元件為硅鉬棒，最高工作溫度1 550℃。試驗(yàn)過(guò)程中恒定通入空氣(3、4、5 L/min)作為反應(yīng)氣，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定溫度時(shí)，將裝有木質(zhì)顆粒燃料的坩堝迅速送入反應(yīng)器中心加熱部位，燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過(guò)濾接入德國(guó)MRU公司生產(chǎn)的VARlOplus Industry型煙氣分析儀，在線(xiàn)記錄煙氣中02、CO、NO、SO-,等不凝氣體體積濃度，采樣時(shí)間間隔為2s。
1.2驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料采用佛山某企業(yè)生產(chǎn)的木質(zhì)生物質(zhì)成型燃料，其原料主要是家具加工用剩余木材，包括桉樹(shù)、櫸木、樺木等，經(jīng)破碎、擠壓成直徑約為8 mm，長(zhǎng)度為40～60 mm的柱狀致密顆粒。為保證樣品具有代表性，從同一生產(chǎn)批次多點(diǎn)取樣，其工業(yè)分析及元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)前對(duì)木質(zhì)顆粒兩端進(jìn)行剪切至盡量平齊（圖2），顆粒質(zhì)量為(1000±5)mg。
從圖3a-- 3c可看出，隨著溫度升高，CO析出峰越窄，這是因?yàn)闇囟仍礁撸剂先紵俾试酱螅瑥膿]發(fā)分開(kāi)始析出至焦炭燃燒完成所需時(shí)間就越少。因此，燃料在高溫下具有較好的燃燒特性。
溫度為800℃時(shí)，CO濃度于20 s前后達(dá)到第1峰值，繼而下降，40 s左右再繼續(xù)上升，便形成第2峰。該溫度下木質(zhì)顆粒剛送進(jìn)加熱爐時(shí)，因表面和內(nèi)部熱量傳輸速率小，少量含CO揮發(fā)分析出并不斷增加，加熱至20 s顆粒表面溫度達(dá)到著火點(diǎn)，揮發(fā)分開(kāi)始著火燃燒，CO濃庋下降。隨著燃燒不斷深入，顆粒內(nèi)部積聚的熱量加速揮發(fā)分析出。
1.3計(jì)算方法
通過(guò)對(duì)CO、NO、S02等氣體濃度曲線(xiàn)積分可估算其排放量：
2結(jié)果與分析
2.1CO排放特性
煙氣中CO濃度變化直接反映燃料實(shí)際燃燒情況，也可以此判斷揮發(fā)分析出和燃燒過(guò)程與其他燃燒產(chǎn)物互相影響的程度。圖3是在不同溫度和空氣流量下木質(zhì)顆粒燃料燃燒過(guò)程CO排放濃度及其排放量變化情況。繼而下降，40 s左右再繼續(xù)上升，便形成第2峰。該溫度下木質(zhì)顆粒剛送進(jìn)加熱爐時(shí)，因表面和內(nèi)部熱量傳輸速率小，少量含CO揮發(fā)分析出并不斷增加，加熱至20 s顆粒表面溫度達(dá)到著火點(diǎn)，揮發(fā)分開(kāi)始著火燃燒，CO濃度下降。隨著燃燒不斷深入，顆粒內(nèi)部積聚的熱量加速揮發(fā)分析出。使得燃燒反應(yīng)更加劇烈，因空氣流量恒定，顆粒表面0：瞬間消耗加大，形成缺氧氛圍，從而產(chǎn)生大量C0。揮發(fā)分析出達(dá)到峰值時(shí)，CO濃度也達(dá)到第2峰值，而此時(shí)揮發(fā)分析出量大于著火時(shí)析出量，所以CO濃度第2峰高于第1峰。
空氣流量為3 L/min時(shí)，1 100和1 200℃的CO濃度峰值遠(yuǎn)高于800～1 000℃，而空氣流量為4、5 L/min時(shí)則相反。前者是因?yàn)槟举|(zhì)燃料于高溫下?lián)]發(fā)分析出快，0：瞬間消耗大，形成貧氧燃燒氛圍（如圖4所示），使得C0排放濃度和排放量明顯增大，如圖3d所示；同時(shí)，高溫下NO生成量較大，部分CO與其發(fā)生還原反應(yīng)，降低CO排放濃度及其排放量。
2.2 NO排放特性
生物質(zhì)燃燒過(guò)程最高溫度一般不超過(guò)1 300℃[14-15]，NO排放量占NO,總量90%以上‘16]，故本文著重分析N0排放特性。本試驗(yàn)條件下，快速型和熱力型N0生成量極小，燃料型N0生成量較大，其中大部分來(lái)自于揮發(fā)分N，少部分來(lái)自焦炭N[17J 8]。大部分燃料N通過(guò)氣相N形式生成N0前驅(qū)物（HCN、NH，和HNC0），在氧化性氣氛中氧化生成N0，或在還原性氣氛中將N0還原為N2；焦炭N主要通過(guò)氧化反應(yīng)生成N0。
圖5a～5c是不同空氣流量和溫度下木質(zhì)顆粒燃料燃燒過(guò)程N(yùn)0排放濃度曲線(xiàn)。由圖可知，N0排放峰值在800～1 000℃范圍內(nèi)達(dá)到最大值，隨著溫度增加時(shí)，N0排放峰值明顯下降。揮發(fā)分中氣相N以NH3為主，HCN次之，而N0生成與揮發(fā)分中NH3、HCN隨溫度變化規(guī)律直接相關(guān)。在800～900℃范圍內(nèi)，NH3生成率達(dá)到穩(wěn)定值或略有減少，而HCN生成率則隨溫度升高而增加‘13，20]，因此4和5 L／min空氣量下溫度為800℃時(shí)木質(zhì)燃料燃燒過(guò)程N(yùn)0濃度峰值比900℃時(shí)的低。隨著溫度繼續(xù)升高，燃燒速率顯著提高，進(jìn)而導(dǎo)致0，加速消耗，使得0，濃度下降，形成更多的C0等還原性氣體，從而使部分N0被還原為N2，N0濃度峰值隨溫度升高而下降。而3 L／min空氣流量下，木質(zhì)燃料在900℃時(shí)N0排放濃度峰值并沒(méi)有明顯高于800℃的濃度峰值，這是因?yàn)樵?個(gè)溫度環(huán)境下該空氣流量均不足以為揮發(fā)分中NH，、HCN氧化成N0提供足夠的02。
從圖5b和圖5c可看出，4和5 L/min空氣流量下NO濃度曲線(xiàn)變化趨勢(shì)比較接近，說(shuō)明木質(zhì)燃料充分燃燒時(shí)其反應(yīng)過(guò)程差異較小，NO生成與排放特性也相對(duì)穩(wěn)定。而3 L/min空氣流量下NO濃度曲線(xiàn)較充分燃燒時(shí)NO濃度曲線(xiàn)復(fù)雜，溫度高于1 000℃時(shí)呈現(xiàn)明顯的雙峰狀。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度為1 100、1 200℃時(shí)，木質(zhì)燃料不充分燃燒生成大量CO，同時(shí)伴隨CH4等碳?xì)浠衔锖蚐02生成，與揮發(fā)分氮化合物在析出和燃燒過(guò)程發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，NO生成和排放過(guò)程更復(fù)雜。
圖5d為不同溫度和空氣流量下NO排放總量。由圖可知，木質(zhì)燃料充分燃燒時(shí)，NO排放量在溫度為900℃時(shí)達(dá)到最大值，這與Tian”，201的分析結(jié)果一致。溫度較高(≥900℃)時(shí)，減少空氣量的供給，可明顯降低NO排放量和燃料N轉(zhuǎn)化率（表2）。因此，木質(zhì)燃料燃燒最劇烈的揮發(fā)分燃燒階段控制在貧氧燃燒狀態(tài)，可降低燃燒過(guò)程N(yùn)O排放量。
2.3 S02排放特性
木質(zhì)燃料燃燒過(guò)程中，S的排放形式以氣相硫化物如H，S、S02）為主，在揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒2個(gè)階段均有發(fā)生。前者主要為熱穩(wěn)定性較差的有機(jī)硫分解析出，后者為無(wú)機(jī)硫酸鹽分解所致。本文僅關(guān)注對(duì)環(huán)境產(chǎn)生直接影響的S0：排放特性。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)燃料于4和5 L/min空氣量下燃燒均無(wú)S0，排出，而3 L/min空氣流量下燃燒也僅于1 100和1 200℃檢測(cè)到S02，如圖6所示。低溫下，揮發(fā)分中有機(jī)硫主要以H，S、COS等形式析出，在其析出和燃燒過(guò)程進(jìn)一步與燃料中礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而形成無(wú)機(jī)形式的硫化物。在富氧環(huán)境中，低溫下S易于被顆粒炭架吸，而高溫下炭架吸附能力下降，S析出過(guò)程的中間產(chǎn)物被氧化生成S02，與堿金屬元素形成穩(wěn)定的無(wú)機(jī)硫酸鹽(如反應(yīng)式(1))存于氣相中‘10，23]。由CO排放濃度曲線(xiàn)可知(圖3a～3c)，4、5 L/min空氣流量800～1200℃和3 L/min空氣流量800～1 000℃情況下木質(zhì)燃料為充分燃燒狀態(tài)，燃燒過(guò)程析出的S0：隨即與堿金屬反應(yīng)生成硫酸鹽，故SO,對(duì)外排放幾乎為0。
由圖6可知，有且僅有木質(zhì)燃料在3 L/min空氣流量且溫度為1 100和1 200℃時(shí)燃燒才有S02排出，其轉(zhuǎn)化率不高于35%（表3）。這是因?yàn)槟举|(zhì)燃料在1 100和1 200℃時(shí)為貧氧燃燒，燃料燃燒過(guò)程02供給相對(duì)不足，式(1)反應(yīng)不明顯，已生成的S02未完全轉(zhuǎn)化為硫酸鹽即隨煙氣排出。另外，貧氧燃燒下燃料顆粒表面0：濃度較低，使得焦炭燃燒速率受到限制，故燃燒過(guò)程炭架保持完整，有利于吸附焦炭燃燒過(guò)程析出的S02，并以硫酸鹽形式穩(wěn)固于炭架上。隨著焦炭燃燒不斷深入，炭架上的硫酸鹽受熱分解或瓦解后與Si02. Ti02等酸性物質(zhì)反應(yīng)，生成少量S02排出，便形成S0：濃度曲線(xiàn)第2峰。溫度為1 200℃時(shí)，木質(zhì)燃料處于極度貧氧燃燒狀態(tài)，S02析出只發(fā)生于揮發(fā)分析出初期，此后的S主要以H2S、CaS等形式排出。
3結(jié)論
1)空氣流量為4和5 L/min時(shí)，CO析出濃度峰隨溫度升高而變窄，即從揮發(fā)分析出至焦炭燃燒完成所需時(shí)間越少；800℃時(shí)，揮發(fā)分著火燃燒前即有明顯的CO析出，著火后CO析出濃度更高，直至揮發(fā)分析出減少才開(kāi)始下降。
2)反應(yīng)溫度為900℃時(shí)，NO排放濃度及其排放量達(dá)到最大值，燃料N至NO的轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)41.7g%;隨著溫度升高和燃燒過(guò)程還原氣氛增強(qiáng)，部分NO被還原，NO析出濃度及其排放量明顯減少，3 L/min空氣流量下溫度為1 200℃時(shí)，只有12.32%燃料N向NO轉(zhuǎn)化。
3)木質(zhì)顆粒燃料燃燒過(guò)程S0：析出主要源自揮發(fā)燃燒階段有機(jī)硫的分解、氧化，也有少量由焦炭燃燒階段無(wú)機(jī)硫分解生成；充分燃燒時(shí)幾乎無(wú)S0：排出，S主要轉(zhuǎn)化為硫酸鹽固存于灰分或于高溫時(shí)隨煙氣排出，而貧氧燃燒狀態(tài)下，部分S以SO：形式排出，其轉(zhuǎn)化率最高為33.78%。
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