生物質(zhì)顆粒燃料燃燒煙氣釋放研究

摘要：為改善秸稈成型燃料燃燒時煙氣排放及燃燒效果，采用優(yōu)勢互補的方法，將木質(zhì)與秸稈進(jìn)行不同比例混配，并對燃料的物理性能及燃燒性能進(jìn)行檢測。同時，對其燃燒時排放的NO、CO和硫化物進(jìn)行分析。根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H運行條件，選取了吉林省地區(qū)具有代表性的一臺生物質(zhì)鍋爐。利用嶗應(yīng)3012HD型大流量低濃度煙塵/氣測試儀對木質(zhì)顆粒、秸稈顆粒和40%木質(zhì)+60%秸稈混合顆粒在燃燒時排放的NO、CO和硫化物進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示，3種燃料在同一生物質(zhì)爐的相同工況下運行時，CO的排放質(zhì)量濃度均大于170 mg/m3，NO的排放質(zhì)量濃度均在30 mg/m3以上，SO2的排放質(zhì)量濃度均不超過20 mg/m3。隨著燃燒負(fù)荷的增大，秸稈燃料3種排放物質(zhì)有明顯增加，混合顆粒的排放物質(zhì)質(zhì)量濃度變化較小，而木質(zhì)顆粒有著相反的變化；隨著負(fù)荷的增大，污染物排放質(zhì)量濃度減小，其中全秸稈的CO排放最高值1 652 mg/m3，混合顆粒的氣體排放物質(zhì)量濃度與木質(zhì)燃料氣體排放物質(zhì)量濃度接近，CO釋放質(zhì)量濃度最低值是432 mg/m3。試驗結(jié)論可為生物質(zhì)成型燃料的混配生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)成型燃料；煙氣；空氣過剩系數(shù)生物質(zhì)能是世界四大能源之一，生物質(zhì)能占世界總能耗的14%。生物質(zhì)能源有區(qū)域性便利優(yōu)勢，同時具有低硫、低氮以及二氧化碳零排放的優(yōu)點［1］，是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和莊嚴(yán)承諾下的化石燃料的優(yōu)質(zhì)替代品。我國一年農(nóng)林廢棄物產(chǎn)生約12億t，一部分用于還田及飼料，還有約50%的生物質(zhì)能源露天焚燒或廢棄，釋放出大量未完全燃燒的CO及NOx等有害氣體，造成環(huán)境的嚴(yán)重污染和能源的浪費，并對人類身體造成極大傷害［2］。

本文采用吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)生物質(zhì)大鍋灶進(jìn)行燃料燃燒測試，對制作的3種生物質(zhì)燃料進(jìn)行分析，在同一燃燒器中不同的負(fù)荷及風(fēng)速下進(jìn)行燃燒，監(jiān)測排煙管道中氣體的釋放情況，對生物質(zhì)成型燃料的煙氣排放特性和鍋爐參數(shù)進(jìn)行分析，研究氣態(tài)排放物的影響因素。針對相應(yīng)配比生物質(zhì)燃料的優(yōu)選方案及鍋爐最佳控制工藝，為改善煙氣排放狀況，降低CO、NO的排放濃度提供理論基礎(chǔ)，達(dá)到碳減排的效果。

1試驗部分

1.1試驗燃料

我國的生物質(zhì)能源主要以農(nóng)作物秸稈為主，本次選擇玉米秸稈、木質(zhì)、玉米秸稈和木質(zhì)混合的3種顆粒進(jìn)行燃燒對比分析。成型燃料的長度與直徑分別為10～30、8 mm，呈圓柱形。對成型顆粒展開工業(yè)、元素分析，熱值測定，結(jié)果如表1所示。

1.2儀器與設(shè)備

1.2.1生物質(zhì)成型燃料燃燒爐

生物質(zhì)固體成型燃料燃燒試驗采用家用生物質(zhì)顆粒采暖爐，該暖爐為遼源成億節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司生產(chǎn)的全自動生物質(zhì)鍋灶。此爐具實現(xiàn)了鍋爐與燃燒器一體化，屬于自動給料固定爐排采暖爐。燃燒器包含燃料倉、鼓風(fēng)機、給料裝置、燃燒室及控制平臺，可一鍵啟動，實現(xiàn)自動點火、送風(fēng)、給料，通過軟件可調(diào)給料頻率和風(fēng)量，運行時自動出渣，對顆粒燃料適應(yīng)性強。鍋爐供熱量14 kW，圓形煙道，高4米。

1.2.2嶗應(yīng)3012HD型煙氣分析儀

試驗采用的數(shù)據(jù)采集儀器為嶗應(yīng)3012HD大流量低濃度煙塵/氣測試儀，該儀器集煙塵采樣和煙氣分析于一體，配備各種傳感器，可直接測得NO、NO2、CO、SO2和O2的濃度、煙氣溫度和煙道內(nèi)氣體流量的數(shù)據(jù)。

1.3試驗參數(shù)和試驗設(shè)計

1.3.1試驗參數(shù)

試驗中檢測的試驗數(shù)據(jù)為爐具煙筒中煙氣排放物的濃度以及煙氣的溫度。通過試驗數(shù)據(jù)可計算出燃燒效率和過量空氣系數(shù)，并對NO和CO的形成原因進(jìn)行分析。

1.3.2試驗設(shè)計

分別對3種生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行燃燒試驗，通過控制螺旋進(jìn)料器轉(zhuǎn)速來控制燃燒器負(fù)荷，1、2、3檔3種負(fù)荷對應(yīng)的給料量分別為4 kg/h、3 kg/h、2 kg/h。送風(fēng)量通過控制鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，風(fēng)機轉(zhuǎn)速分為1、2、3檔，利用風(fēng)速測量儀測得3擋空氣流速分別為7 m/s、8 m/s、9 m/s。

2結(jié)果與討論

2.1成型生物質(zhì)燃料的煙氣釋放成分

經(jīng)試驗可知燃料顆粒的氣體排放物中各組成成分。排放物中的氣體主要組成是CO和NOX，而H2S、SO2等氣體的含量較少，造成這種現(xiàn)象的主要原因是生物質(zhì)燃料自身含S量較少，因此排放的氣體中SO2含量很低。燃料在燃燒過程中釋放的NOX通常是指NO和NO2，大量的研究顯示燃燒設(shè)備中所釋放的NOX之中NO的含量約占90%，NO2僅有5%，因此本文主要對CO和NO的排放規(guī)律進(jìn)行研究［3］。

2.2不同類型的成型生物質(zhì)燃料NO排放分析

2.2.1燃燒器負(fù)荷對NO排放影響

鍋爐不同的燃燒負(fù)荷致使NO的排放濃度有很大的差別。研究3種生物質(zhì)顆粒燃料在不同燃燒負(fù)荷狀態(tài)下的NO排放特性。NOX的排放主要包括3種：熱力型、快速型和燃料型。成型燃料在燃燒過程中主要釋放的是燃料型NOX，占NOX總排放的65%～80%。其中生物質(zhì)燃料燃燒時會產(chǎn)生揮發(fā)分的均相燃燒以及焦炭的多相燃燒，形成的NOX中以揮發(fā)分氮最多，焦炭氮較少。影響NOX產(chǎn)生的原因有溫度、氧濃度、燃料自身的性質(zhì)。

當(dāng)燃料的進(jìn)料速度變大時，燃燒器的負(fù)荷也變大，NO排放也隨之增多。主要是因為燃料增加時，增加了揮發(fā)分的析出量。并且木質(zhì)顆粒在不同的燃燒負(fù)荷下的空氣過剩系數(shù)均在1.8以上，所以燃燒時的供氧量充足，從而導(dǎo)致這個時間內(nèi)的NO排放量增多。

混合生物質(zhì)顆粒的NO具體排放情況為：隨著進(jìn)料量的提高，NO釋放量先增多再減少。在鍋爐燃燒器負(fù)荷為中前期時，空氣過剩系數(shù)都大于1.6，含氧充足，揮發(fā)分因燃燒的相對完全而產(chǎn)生的NO也隨之增多。但是當(dāng)給料量達(dá)到最大值時，空氣過剩系數(shù)下降到1.2以下，供氧量不足，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分的N難以轉(zhuǎn)化為NO，并且當(dāng)前狀態(tài)下的揮發(fā)分含量比較高，揮發(fā)分N的復(fù)合反應(yīng)和對NO的還原反應(yīng)增強，致使NO的產(chǎn)出量降低。

秸稈NO釋放的整體情況是：隨著給料量持續(xù)增加，NO的釋放量是先增大后降低。但是當(dāng)進(jìn)料量變?yōu)樽畲笾禃r，因為空氣過剩系數(shù)下降到1.2以下，因氧量不足致使揮發(fā)分的N不足以轉(zhuǎn)為NO，因此NO的釋放量降低，其與混合生物顆粒的NO釋放相似。

2.2.2送風(fēng)量對NO釋放的影響

木質(zhì)生物質(zhì)顆粒燃燒時，送風(fēng)量由7 m/s增至8 m/s，NO釋放濃度降低幅度小。原因是送風(fēng)量增加雖縮短燃料與風(fēng)摻混時間，但爐膛高溫仍存在，NO產(chǎn)生量減少不明顯。生物質(zhì)顆粒中的氮轉(zhuǎn)化為NOx需要時間，當(dāng)送風(fēng)量增至最大時，揮發(fā)分與燃燒風(fēng)摻混時間不足，NO產(chǎn)生量減少。同時，送風(fēng)量持續(xù)加大導(dǎo)致燃燒室溫度下降，進(jìn)一步抑制NO產(chǎn)生?；旌仙镔|(zhì)顆粒在鍋爐燃燒器小負(fù)荷運行時，送風(fēng)量增至7 m/s，燃燒更充分，NO產(chǎn)生量增加。當(dāng)風(fēng)速達(dá)8 m/s時，因給料少，未燃揮發(fā)分被帶出燃燒室，NO轉(zhuǎn)化量降低。在中檔負(fù)荷時，NO釋放量隨送風(fēng)量增加而增加，因氧量增加，燃料燃燒更充分?？諝膺^剩系數(shù)提高能減少結(jié)渣，降低N轉(zhuǎn)化為N2的比例，提高NO釋放量。玉米秸稈生物質(zhì)顆粒在較小負(fù)荷下，送風(fēng)量對NO產(chǎn)生的影響與混合生物質(zhì)顆粒相似，原因是兩者揮發(fā)分含量相近。中等負(fù)荷時，NO釋放量隨送風(fēng)量變化與混合顆粒相同。燃燒負(fù)荷增大時，NO釋放量基本穩(wěn)定，表明送風(fēng)速度變化對玉米秸稈顆粒NO釋放影響較小，這是因為堿金屬元素高易結(jié)渣，受空氣流速影響小。

2.3生物質(zhì)燃料CO的排放分析

2.3.1燃燒負(fù)荷對CO釋放的影響

木質(zhì)顆粒低負(fù)荷燃燒時，CO釋放量少。當(dāng)燃燒器負(fù)荷增至最大，煙筒CO釋放量驟增。這是因為給料量增多，空氣過剩系數(shù)降低，空氣量減少，木質(zhì)燃料燃燒不完全，導(dǎo)致CO釋放量升高?；旌仙镔|(zhì)顆粒燃燒時，在3～4 kg/h給料量下CO釋放量小。最大燃燒負(fù)荷時，進(jìn)料量增至5 kg/h，燃料量增加導(dǎo)致灰渣量提高，送風(fēng)量不足，燃料中固定碳與氧氣不完全接觸，燃燒不完全，CO釋放量增大。玉米秸稈顆粒在鍋爐小負(fù)荷時，CO釋放量變化不大。當(dāng)給料量增至5 kg/h，燃燒負(fù)荷增大，空氣過剩系數(shù)降至1.2以下。由于玉米秸稈灰分多且燃燒不完全，結(jié)渣量增加，減少固定碳與氧氣接觸，導(dǎo)致CO生成量增多。

2.3.2風(fēng)量對CO的排放影響

木質(zhì)生物質(zhì)顆粒在低負(fù)荷時，燃燒充分，送風(fēng)量對CO釋放影響小。送風(fēng)量為8 m/s時，鍋爐內(nèi)氣體流速加快，部分未燃揮發(fā)分被帶入煙筒，CO釋放量略增。鍋爐負(fù)荷小時，送風(fēng)速度對混合生物質(zhì)顆粒的CO釋放影響小。負(fù)荷達(dá)到極限時，給料量增加導(dǎo)致灰渣含量大，送風(fēng)量不足，燃料燃燒不完全，CO釋放量提高，最高值出現(xiàn)在送風(fēng)量7 m/s時。降低送風(fēng)量至6 m/s可減少氣體流動，增大氧氣與固定碳接觸時間，降低CO釋放。送風(fēng)量增至8 m/s，空氣過剩系數(shù)提高，CO釋放量比7 m/s時小。玉米秸稈顆粒在中小負(fù)荷下燃燒時，送風(fēng)量對CO釋放量影響小，燃燒效率變化不顯著。當(dāng)負(fù)荷增大時，空氣過剩系數(shù)降低，灰分含量大導(dǎo)致不完全燃燒，燃燒結(jié)渣量變大，CO釋放量增加。此時送風(fēng)量變化對CO影響與混合生物質(zhì)顆粒相似，在送風(fēng)量為7 m/s時CO釋放量最小，增減送風(fēng)量均增加CO釋放，但幅度不大。

3結(jié)論

（1） 針對以上3種生物質(zhì)成型燃料在燃燒時釋放的氣體物質(zhì)來看，木質(zhì)燃料的NO釋放量隨著鍋爐負(fù)荷的提升而變大，但總體來看變大的幅度并不是很明顯。混合生物質(zhì)燃料和玉米秸稈燃料在燃燒器中間負(fù)荷狀態(tài)下時，釋放的NO量是最多的。送風(fēng)量對NO的釋放影響也不一樣，在同等的負(fù)荷狀態(tài)下，木質(zhì)燃料的NO釋放量隨著送風(fēng)量的增大而降低，而混合生物質(zhì)燃料在較小負(fù)荷下時，NO的釋放量是隨著送風(fēng)量的提高先提升后下降，在燃燒器負(fù)荷為中高狀態(tài)時，則隨送風(fēng)量的提高而提高。玉米秸稈燃料在負(fù)荷為中等時，釋放的NO與混合生物質(zhì)燃料的釋放狀態(tài)一致，隨風(fēng)量的提升而提高，在最大的負(fù)荷狀態(tài)時燃燒釋放的NO量基本保持無變化。

（2） 3種生物質(zhì)燃料的CO釋放量都是伴著鍋爐負(fù)荷的提升而提升的，CO的釋放規(guī)律的不同點在于：當(dāng)鍋爐負(fù)荷增大時，木質(zhì)生物質(zhì)燃料的CO釋放量隨著送風(fēng)量的增大而減小，混合生物質(zhì)燃料和玉米秸稈燃料都是在送風(fēng)量增大時，釋放量先變大后變小。觀察燃料燃燒灰渣，最為嚴(yán)重的是玉米秸稈燃料的結(jié)渣情況，造成這種情況的主要原因是玉米秸稈含有大量的堿金屬氧化物，易熔融，易結(jié)焦。

參考文獻(xiàn)：

［1］孫康，蔣劍春，盧辛成，等.麥稈與麥稈成型塊燃燒特性研究［J］.生物質(zhì)化學(xué)工程，2013，47（1）：1418.

［2］黃波.生物質(zhì)成型燃料應(yīng)用于取暖爐的燃燒特性實驗研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2012.

［3］張方時.玉米秸稈層燃特性的試驗研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.