多層二次風配風對玉米秸稈顆粒燃燒降低NOx產(chǎn)率及結渣的影響

柳善建，王帥超，易維明，李永軍，馮祥東

多層二次風配風對玉米秸稈顆粒燃燒降低NOx產(chǎn)率及結渣的影響

柳善建，王帥超，易維明※，李永軍，馮祥東

（山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，淄博 255000）

秸稈類生物質(zhì)具有堿金屬及灰分含量高的特性，燃燒時灰分容易團聚結塊而影響燃燒室內(nèi)的配風及燃料的燃燒。該研究設計了一種具有多層二次風配風的生物質(zhì)燃燒試驗裝置，以玉米秸稈顆粒為燃料，研究了不同一二次風分級配比、多層二次風配比對煙氣中CO、NOx等污染物濃度、燃燒效率及灰分結渣率的影響規(guī)律。結果表明：當采用一二次風分級配風時，能夠顯著降低煙氣中NOx的濃度，煙氣中CO和NOx的濃度變化趨勢相反，呈現(xiàn)一種競爭關系。二次風位置較高或下層二次風量的減少，都易導致玉米秸稈顆粒燃燒不完全，CO濃度顯著提升。與對照組相比，二次風多層配風下，燃燒室內(nèi)各測點的溫度和煙氣中NOx濃度均有所降低，最低NOx濃度排放放生在W1工況（空氣系數(shù)為1.2，一、二次風配比為60%∶40%時，下、中、上二次風按（1/2，0，1/2）），約150 mg/m3。當采用二次風多層配風時，結渣率大幅度下降，最低為4.5%。W1工況的NOx濃度和結渣率均較低，綜合評價為最優(yōu)工況。常用的硅比指數(shù)、堿酸比、Na含量指數(shù)、堿性指數(shù)Alc等4種結渣指數(shù)，均不能正確預測因燃料燃燒區(qū)溫度1變化而造成的結渣傾向變化，為此在硅比指數(shù)中引入燃料燃燒區(qū)溫度1作為變量，修正后的硅比指數(shù)G可以很好地對玉米秸稈顆粒因燃料燃燒區(qū)溫度1引起的結渣傾向變化進行預測。

燃燒；理化性質(zhì)；玉米秸稈；二次配風；結渣指數(shù)；NOx濃度

0 引 言

農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)的資源量巨大，可以替代傳統(tǒng)化石能源進行使用，當結合先進的熱解氣化、CO2捕集等技術[1-2]，有助于實現(xiàn)地區(qū)的碳中和甚至碳負排放，在“碳達峰”背景下具有重要的社會意義。作為農(nóng)業(yè)收獲的主要副產(chǎn)物，相比于木質(zhì)類生物質(zhì)，農(nóng)作物秸稈具有價格較低、來源廣泛、容易獲取等優(yōu)勢。然而，秸稈類生物質(zhì)通常存在堿金屬及灰分含量高等特性[3-5]，燃燒時容易出現(xiàn)灰分結渣結塊、污染物排放高的現(xiàn)象[6-9]，造成嚴重的設備腐蝕和環(huán)境污染問題。因此，積極研發(fā)秸稈類生物質(zhì)的高效低氮燃燒、抗結渣等技術具有重要的現(xiàn)實意義。

秸稈類生物質(zhì)燃燒灰分易結渣結塊，不僅與燃料的性質(zhì)密切有關，而且受燃燒的運行工況條件影響較大，如過量空氣系數(shù)、一二次風配比、二次風位置、料層厚度等[10-11]。研究表明，通過對原料進行酸洗或堿洗預處理，添加不易結渣的添加劑[12-13]，或與煤、木質(zhì)生物質(zhì)等混燃[14]，均能夠有效降低結渣結塊的程度，尤其K等堿金屬含量是影響灰熔點變化的重要因素。劉璐[15]使用馬弗爐對生物質(zhì)是否添加煤粉灰進行燃燒的條件下K和Cl的遷移規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，生物質(zhì)灰中K的含量越低，850～900 ℃時K的含量急劇減少，1 000 ℃玉米秸稈燃燒后的灰樣幾乎全部發(fā)生熔融燒結。Clery等[16]將鋁硅酸鹽基添加劑分別以5%、10%、15%質(zhì)量分數(shù)與軟木、麥秸、橄欖渣灰混合，在馬弗爐內(nèi)進行試驗，研究表明：高的氯元素含量或低（Si+Al）含量有助于KCl或KOH釋放到氣相中，而高（Si+Al）含量有助于固定K元素。

另外，降低燃料燃燒區(qū)的溫度，能夠有效減輕秸稈類生物質(zhì)的結渣狀況以及降低煙氣中NOx的排放濃度。Liu等[17]使用具有不同高度的二次風管的50 kW小型戶用生物質(zhì)顆粒燃燒爐進行燃燒試驗，結果表明：對于含氮量較高的燃料來說，通過空氣分級燃燒能夠有效降低煙氣中NOx的濃度，二次風設置位置較高時，煙氣中NOx的排放濃度降低明顯，但CO的濃度會增加。Sher等[18]使用一種20 kW的燃燒器進行生物質(zhì)燃燒試驗，同樣發(fā)現(xiàn)：二次風噴射位置較高可以降低NOx排放，同時一二次風分級的使用，會導致飛灰中未燃盡碳含量顯著增加，燃料的燃燒效率損失提高。

目前關于多層二次風對秸稈燃燒結渣及污染物排放的影響研究相對較少。本論文設計了一種具有多層二次風配風的生物質(zhì)顆粒燃燒試驗臺，以玉米秸稈顆粒為原料，研究不同二次風多層配風方式對玉米秸稈顆粒燃燒灰分結渣率、煙氣中污染物（CO、NOx等）濃度、燃燒效率等參數(shù)的影響規(guī)律。旨在通過控制多層二次風的配風，實現(xiàn)玉米秸稈顆粒在較低結渣量的條件下，具有較低的NOx、CO濃度和較高的燃燒效率，為玉米秸稈顆粒工業(yè)鍋爐的合理燃燒配風提供參考。最后，根據(jù)玉米秸稈顆粒的實際燃燒結渣狀況，提出引入燃料燃燒區(qū)溫度T1作為變量對硅比結渣指數(shù)進行改進方法，實現(xiàn)了對玉米秸稈結渣傾向受燃料燃燒區(qū)溫度T1變化影響的較好預測。

1 燃燒試驗臺設計與結構原理

1.1 燃燒試驗臺整體結構

設計的生物質(zhì)顆粒燃燒試驗裝置如圖1所示，采用水平進料方式，爐排為固定爐排。生物質(zhì)顆粒燃燒試驗裝置的額定進料量為1.5 kg/h，燃燒室高度60 cm，燃燒室直徑25 cm。沿整個燃燒室高度均勻?qū)ΨQ分布9個二次風風管，風管的上下間距為5 cm。沿燃燒室高度方向?qū)L管分為三組，每組三個風管，分別命名為上、中、下二次風（US，MS，LS），使二次風按不同高度和比例進入燃燒室。上、中、下二次風量由LZB-15型質(zhì)量流量計進行精準控制，一次風量使用1 000 WOG型閥門進行控制。

生物質(zhì)顆粒燃燒試驗臺排煙道上方30 cm處的煙氣，采用青島嶗應3012H-D便攜式煙氣分析儀進行成分分析。燃燒煙氣后續(xù)經(jīng)旋風分離器進行凈化除塵，而后排入大氣。為了研究玉米秸稈顆粒在燃燒室內(nèi)的燃燒狀況，沿燃燒室高度中心處分別設置四個測溫點得到溫度1、2、3、4，分別位于爐排上方10、20、30、40 cm處。采用4個S型熱電偶進行溫度測量，采用北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的DAM-3038輸入模塊及DAM-3210數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊對信號進行采集，采集數(shù)據(jù)輸入電腦進行保存和處理。

1.2 工作原理及試驗設計

生物質(zhì)顆粒燃燒試驗裝置的運行步驟：生物質(zhì)顆粒進入進料器，在電機轉(zhuǎn)動下通過進料絞龍進入燃燒室。關閉爐門，啟動配風系統(tǒng)，并啟動點火裝置點燃生物質(zhì)顆粒燃料。待生物質(zhì)顆粒充分點燃后，關閉點火裝置，生物質(zhì)顆粒進料1.5s后間隔5 s再次進料。生物質(zhì)顆粒進入穩(wěn)定燃燒階段時，啟動煙氣采集系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)進行煙氣成分和燃燒室溫度采集。停機時，先停止進料，繼續(xù)通風，待生物質(zhì)燃料燃盡后關閉配風系統(tǒng)，燃燒試驗結束。

在生物質(zhì)顆粒燃燒試驗裝置上進行煙氣污染物排放特性試驗，并對灰分的結渣結塊狀況進行分析。試驗設計為：1）僅存在一次風，過量空氣系數(shù)（Excess Air Coefficient，EAC）分別為1.1、1.2、1.3、1.4，分別標記為EAC1.1、EAC1.2、EAC1.3、EAC1.4；2）過量空氣系數(shù)為1.2，一二次風配比分別為（70%，30%），二次風分別從上、中、下三層入口單獨（US，MS，LS）進入，標記為：US（30%），MS（30%）、LS（30%），配比為（60%，40%）時類推。3）過量空氣系數(shù)為1.2，一、二次風配比為60%，40%時，下、中、上三層二次風按下述比例進行配風（1/2，0，1/2）、（1/3，1/3，1/3）、（0，1/2，1/2）和（1/2，1/2，0），分別標記為W1、W2、W3、W4。為了方便比較，將EAC1.2工況的燃燒試驗數(shù)據(jù)作為對照組（Control Group，CG）。

2 原料特性分析

試驗所用玉米秸稈顆粒，采用SDTGA8000型工業(yè)分析儀、Vario EL Cube型元素分析儀、C2000型熱值分析儀進行工業(yè)分析、元素分析、熱值分析，結果如表1所示。

由表1可知，玉米秸稈的揮發(fā)份較高、固定碳含量低，燃盡時間會比較快。同時，值得注意的是玉米秸稈中N含量高，會導致燃燒煙氣中NOx濃度較高，需要對煙氣中NOx濃度進行重點關注。利用ZSX100e型X射線熒光分析儀（XRF）進行無機元素含量檢測，玉米秸稈的Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca、Fe的元素質(zhì)量分數(shù)分別為0.186%、0.313%、1.21%、5.03%、0.133%、0.284%、1.66%、0.637%和0.663%，可以看出Si是無機元素中含量最高的，其次是K元素，是灰分容易產(chǎn)生結渣結塊的主要原因。

表1 玉米秸稈工業(yè)分析、元素分析和熱值分析

注：氧由計算得出。

Note: Oxygen is calculated by difference subtraction.

3 燃燒試驗結果分析

3.1 分級配風對秸稈顆粒燃燒污染排放影響

燃料燃燒煙氣中NOx、CO的產(chǎn)生主要發(fā)生在燃料層的燃燒區(qū)域[18-19]，因此燃料層區(qū)域的溫度與出火口煙氣污染物排放具有較高的關聯(lián)度，對不同燃燒設計工況下燃料燃燒區(qū)1處溫度及燃燒煙氣中NOx、CO的濃度變化進行分析，如圖2所示。

由圖2a可知，CO濃度隨過量空氣系數(shù)的增加呈先降低后升高的趨勢，這與Liu等[17]的結論有所差異。這是因為過量空氣系數(shù)為1.1時，進入燃燒室的空氣相對較少，氧氣量不足造成燃燒不充分，繼而產(chǎn)生相對較多的CO[20]。同時由于氧氣量不足，造成燃料燃燒區(qū)溫度1也相對較低。隨著過量空氣系數(shù)增加，在1.2、1.3時，燃料在燃燒室中能充分燃燒，產(chǎn)生的CO和充足的氧氣發(fā)生氧化反應生成CO2，因此這兩種燃燒工況下的CO濃度較低，燃料燃燒區(qū)溫度1相對較高，但注意到相應的出火口NOx濃度也較高。隨著過量空氣系數(shù)繼續(xù)增大，低溫空氣從下部進入燃燒室的入口速度增加，使燃燒室內(nèi)部換熱速率增快，煙氣滯留時間縮短，造成內(nèi)部燃燒溫度有所降低、NOx降低。而因為揮發(fā)分在燃燒室內(nèi)停留時間短，造成燃燒不完全，相應的CO濃度有所升高。

由圖2b可知，當過量空氣系數(shù)為1.2，一二次風配比為（70%，30%）時，與對照組相比，在US (30%)， LS(30%)時CO濃度有所升高。在MS(30%)工況時卻有較低的CO濃度，這說明合適的二次風高度會顯著減少煙氣中CO濃度，產(chǎn)生較優(yōu)的燃燒效果。另外還可以看出，當一二次風分級配風時，能夠在一定程度上降低出火口NOx的濃度，且隨著二次風高度的增加有降低的趨勢。當一二次風配比為(60%，40%)時，出火口CO、NOx的濃度也呈現(xiàn)出與一二次風配比為（70%，30%）時相似的變化趨勢，即隨著二次風高度的增加，CO濃度先降低后升高，NOx濃度逐漸降低，但是一二次風配比為（60%，40%）具有更低的CO、NOx排放。

由圖2c可知，當二次風進行多層配風時，與對照組及不進行二次風多層配風時相比，設計的4種二次風多層配風條件下煙氣中CO濃度都很高，最高達到900 mg/m3；相反地，NOx濃度較低，最低約140 mg/m3。這說明煙氣中CO和NOx濃度變化相反，呈現(xiàn)出一種競爭關系，這和以往的研究結論一致[9]。

玉米秸稈顆粒在燃燒室內(nèi)燃燒可分為燃料燃燒區(qū)C1、氣化燃燒區(qū)C2和燃盡區(qū)C3，發(fā)生的基礎反應如圖3中所示。

通過對W1工況分析可知，還原區(qū)主要在燃燒室的中二次風部位。玉米秸稈顆粒在燃料燃燒區(qū)C1燃燒產(chǎn)生CO2、CO和NO等氣體（NO是NOx的主要氣體成分），隨著煙氣上升進入氣化燃燒區(qū)C2。對于W1工況而言，C2區(qū)域不通入二次風，這使得C2形成了一個還原區(qū)，在C2區(qū)域發(fā)生還原反應見公式（1）。

NOCON+CO2（1）

可知，在W1工況下煙氣燃燒的反應路徑為：一部分由下部C1區(qū)域燃燒產(chǎn)生的NO、CO在C2區(qū)域發(fā)生還原反應，同時C2區(qū)域未反應的剩余煙氣又可分為兩部分：Ⅰ. 一部分CO、NO在C3區(qū)域隨著上二次風的進入發(fā)生了氧化反應；Ⅱ. 另一部分還未來得及反應的CO、NO便被排出燃燒室。根據(jù)不同二次風多層配風燃燒試驗結果來說，Ⅰ. 的發(fā)生只是很小一部分，大部分的CO則遵循Ⅱ.的路徑被排放出來，因此造成了不同二次風多層配風時玉米秸稈顆粒燃燒會產(chǎn)生高的CO濃度問題。

W2工況實際上是在基于W1工況上將下、上二次風減弱一部分，補給到中二次風上。這對C2區(qū)域產(chǎn)生了一些影響，但是W2工況的下二次風減弱會造成C1區(qū)域燃燒時O2不足，增加CO的產(chǎn)生。由于中二次風的加入，使得C2區(qū)域同時發(fā)生了兩個反應①、②，因此W2工況的出火口CO濃度相對于W1要低一些。

W3工況中沒有了下二次風的進入，意味著在C1區(qū)域產(chǎn)生較多的CO，根據(jù)C2中的反應式①，CO將會與NO反應降低NOx的排放濃度，但是由圖2c可知，W3相較于W2具有更高的出火口CO、NOx排放濃度，這說明在W3工況①、②沒有發(fā)生或者發(fā)生反應占比很小，在此時的工況中，CO和NO都被二次風吹出燃燒室了。對于W4來說，出火口NOx濃度與W3時相近，而CO濃度最高，這說明在C2區(qū)域③反應仍然占比很大。同時在C3區(qū)域，因為W4沒有上二次風的進入，所以在C3反應區(qū)沒有發(fā)生②反應，造成了出火口CO濃度很高。綜上所知，所有不同二次風多層配風時，與對照組試驗結果相比，出火口NOx的濃度都降低，CO濃度均增加。

使用NOx降低率（η）來判斷與對照組相比各配風條件下玉米秸稈燃燒NOx濃度的降低程度。η值越大說明NOx降低程度越大，即此工況下NOx濃度越低效果越好。η計算公式如下：

式中NOx(CG)指對照組所得NOx濃度，%；NOx()指不同一二次風分級配風、二次風多層配風時所得NOx濃度，%；指的是US（30%），MS（30%）、LS（30%）、US（40%），MS（40%）、LS（40%）、W1、W2、W3、W4。

根據(jù)圖4可知，當過量空氣系數(shù)為1.2時，與只通過一次風供風相比，采用一二次風分級配風均能有效降低煙氣中NOx濃度，NOx降低率在14%以上。

值得注意的是，無論二次風的高度選擇在上、中、下層，當一二次風配比為（60%，40%）時的NOx降低率均高于一二次風配比為（70%，30%），說明二次風占總風量比重在一定范圍內(nèi)提高，有助于降低煙氣中NOx濃度。另外，二次風進行多層配風時能夠進一步降低NOx濃度，NOx降低率在38%～53%之間，減排效果十分明顯。多層二次風配風工況下W1、W2、W3、W4的NOx濃度分別為145、148、188、195 mg/m3，因此W1和W2工況時NOx降低率顯著高于W3和W4工況。同時，對燃燒試驗臺出口的污染物SO2、顆粒物進行檢測，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈顆粒燃燒所有工況中SO2的濃度和顆粒物濃度十分低，均低于山東省地方標準《DB 37/2374-2018》（核心控制區(qū)的SO2濃度和顆粒物濃度分別小于35 mg/m3，5 mg/m3）。

3.2 分級配風對秸稈顆粒燃燒溫度場分布影響

在上述不同配風方式下，玉米秸稈顆粒在燃燒試驗臺沿高度方向各溫度測點情況，如圖5所示。

圖5a表示僅存在一次風，過量空氣系數(shù)分別為1.2、1.3、1.4時爐膛溫度的變化規(guī)律，可知：此時燃燒室不同高度的溫度變化趨勢一致，即隨著測點高度升高而溫度減小。并且隨著過量空氣系數(shù)增大，各測點溫度會相應減小。由圖5b可知，當過量空氣系數(shù)為1.2，與僅存在一次風的對照組相比，通過一二次風分級配風的方式，隨著二次風進入燃燒室位置的提高，1的溫度有逐漸下降的趨勢，而2、3、4的溫度則顯著上升。二次風進入位置的升高，會在燃燒室底部形成一個相對缺氧的區(qū)域，導致燃料燃燒溫度降低。另外，值得注意的是，無論一二次風配比為（60%，40%）或者（70%，30%），當二次風進入燃燒室中部位置時，都出現(xiàn)了3溫度高于2的現(xiàn)象。這是由于主燃區(qū)部分揮發(fā)份在燃燒室底部未完全燃燒，由于中二次風的加入，未燃燒的揮發(fā)分在此得到充分燃燒，從而出現(xiàn)3溫度升高。

從圖5c可知，與對照組相比，W1、W2、W3、W4的4種二次風多層配風方式下，燃燒室內(nèi)各測點的溫度均有降低，最高在50 ℃以上，尤其1、4處的溫度變化更明顯，這也是煙氣中NOx濃度降低的重要原因。這正是采用多層配風方式帶來的重要優(yōu)勢，但是燃燒室內(nèi)溫度過低可能會對玉米秸稈顆粒的燃燒效率產(chǎn)生一定的影響。

3.3 燃燒效率分析

燃燒效率（η）在一定程度上可以反映燃料在設計燃燒試驗臺不同工況下的燃燒效果[21]。玉米秸稈顆粒燃燒排出燃燒室的飛灰量較少，因此我們只考慮可燃氣體和底灰中的未燃盡碳造成的熱損失，計算公式如（3）、（4）、（5）所示。

η=100?3?4（3）

3=3.2(CO) （4）

式中?為燃燒效率，%；3為可燃氣體不完全燃燒熱損失，%；4為固體不完全燃燒熱損失，%；為過量空氣系數(shù)；(CO)是指煙氣中的CO體積分數(shù)，%。

沒有燃盡的碳主要殘留在灰渣內(nèi)中，4的計算公式[19]可簡化為

式中ar為原料收到基灰分含量，%；C為灰分中未燃盡的炭量，%；Q為原料收到基熱值，kJ/kg。

根據(jù)式（3）～（5），計算不同配風條件下玉米秸稈顆粒燃燒的熱損失和燃燒效率，結果如表2。

表2 不同配風條件下玉米秸稈燃燒的熱損失和燃燒效率

注：表2中CO的數(shù)值，是由圖3中mg·m-3單位轉(zhuǎn)化為%計算得到。c為燃燒效率，%；3為可燃氣體不完全燃燒熱損失，%；4為固體不完全燃燒熱損失，%。

Note: The content of CO in Table 2 was calculated by converting the unit of mg·m-3in Fig.3 into %.cis combustion efficiency, %;3is heat loss from incomplete combustion of combustible gas, %;4is the heat loss of incomplete combustion of solid, %.

從表2可知，當過量空氣系數(shù)為1.1時，玉米秸稈顆粒的燃燒效率較低，僅為99.05%。而過量空氣系數(shù)為1.2、1.3、1.4時，燃燒效率相差不大，在99.20%～99.22%范圍內(nèi)。與僅存在一次風的對照組相比，當過量空氣系數(shù)為1.2，隨著二次風進入燃燒室位置的提高，玉米秸稈顆粒的燃燒效率逐漸下降，當二次風從最上層進入時，燃燒效率降低至99.12%。而當二次風在W1、W2、W3、W4的4種二次風多層配風方式時，燃燒效率會進一步降低，其中W3的燃燒效率降低程度最大，降低至98.89%。這說明，二次風位置的較高或者下層二次風量的減少，都會導致玉米秸稈顆粒燃燒不完全，灰分中含碳率較高，CO濃度顯著提升，并且燃燒室底部位置溫度降低，從而使燃燒效率下降。

3.4 分級配風對秸稈顆粒燃燒灰渣中元素成分變化影響

玉米秸稈作為典型的秸稈類生物質(zhì)，燃燒時不僅會產(chǎn)生較高的NOx排放，同時燃料層燃燒后灰分由于局部高溫而熔融粘結形成結塊，嚴重影響配風及除渣操作，并進一步惡化燃燒室內(nèi)溫度分布，加劇熔融結塊趨勢。因此，論文重點考察不同配風方式下玉米秸稈燃燒結渣結塊的影響。將生物質(zhì)顆粒燃燒試驗裝置上燃燒所得玉米秸稈灰、玉米秸稈渣粉碎、研磨處理后進行SEM和XRD檢測和分析，如圖6。

從圖6可以看出，玉米秸稈燃燒所得灰分處于松軟的狀態(tài)，比較碎且硬度很低。然而，燃燒所得結渣外觀為玻璃狀物質(zhì)，硬度很大，內(nèi)部為燃燒很不充分的玉米秸稈顆粒。由于玉米秸稈原料中的Si質(zhì)量占到了5%左右，燃燒后將形成大量的SiO2，K含量僅次于Si含量，因此玉米秸稈燃燒所得灰分及結渣中存在大量SiO2與KCl，兩者易形成低熔點的共結晶化合物[22]。當燃燒室內(nèi)存在局部高溫區(qū)域時，會形成大量結渣結塊現(xiàn)象。

為了對不同配風條件下玉米秸稈顆粒燃燒結渣結塊程度進行評估，參考國家標準《GBT 1572-2018 煤的結渣性測定方法》，將燃燒后的灰渣進行收集、稱質(zhì)量，放置在安裝有6 mm篩網(wǎng)的SC-600型振動篩上進行篩分30 s，篩分結束后收集留在篩網(wǎng)上面的渣塊進行稱質(zhì)量，結渣率計算公式如式（6）：

式中為結渣率，%；1為粒度大于6 mm的渣塊，g；2為渣塊總質(zhì)量，g。

表3為不同配風工況條件下，玉米秸稈顆粒燃燒室內(nèi)燃料燃燒區(qū)溫度1及結渣率變化情況。

表3 各工況燃燒對應的T1溫度和結渣率

由表3可以看出，玉米秸稈顆粒燃燒結渣率隨燃料燃燒區(qū)溫度1的升高而顯著增大，這說明燃料燃燒區(qū)溫度1是影響玉米秸稈顆粒燃燒結渣的重要因素。隨著過量空氣系數(shù)的增大，結渣率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。與對照組相比，當進行一二次風分級配風時，玉米秸稈的結渣率呈降低趨勢，尤其當二次風進入燃燒室的中層位置時（MS），結渣率可降低至11.2%左右。當采用二次風多層配風時，4種工況下的結渣率得到大幅度下降，最低發(fā)生在W4工況中，結渣率為4.5%。造成這種結果的根本原因，在于此時燃燒室底部溫度較低，且二次風多層配風的加入對底灰中K、Na等元素的氣相釋放產(chǎn)生了影響。因此通過合理的多層配風，能夠有效降低易結渣生物質(zhì)原料的結渣率。

圖7為不同配風條件下，玉米秸稈燃燒產(chǎn)生NOx濃度與結渣率試驗結果。

從圖7可以看出，在大多數(shù)情況下，燃燒結渣率與煙氣中NOx濃度變化具有較好一致性，即結渣率較低時相應的煙氣中NOx濃度也較低。當然也有一些例外情況，如當過量空氣系數(shù)較大時（EAC1.3和EAC1.4），結渣率較高而NOx濃度較低，主要原因是此時空氣量較多對生成的NOx進行稀釋，而燃料燃燒區(qū)溫度T1較高造成的。另外，與對照組相比，當采用多層二次風配風方式時，均能夠顯著降低玉米秸稈燃燒結渣率和NOx排放濃度，其中W1工況最優(yōu)，結渣率約為5%，NOx排放濃度在150 mg/m3以內(nèi)，此時仍需要配合煙氣脫硝設備，以滿足各地區(qū)對鍋爐大氣污染物排放要求。

3.5 分級配風下的秸稈顆粒燃燒結渣指數(shù)預測

灰渣的性質(zhì)主要取決于其成分。目前對于不同類型的生物質(zhì)燃燒還沒有適用性較好的結渣判斷標準，選擇4種常用的結渣指數(shù)，對不同配風工況下玉米秸稈顆粒的燃燒結渣傾向進行分析。包括：硅比指數(shù)、堿酸比（/）、Na含量指數(shù)（Na (index)）、堿性指數(shù)Alc，計算公式如式（7）～（10）所示[21-23]。

硅比指數(shù)G：

式中當量Fe2O3=Fe2O3+1.11FeO+1.43Fe。

堿酸比/：

Na含量指數(shù)：

堿性指數(shù)Alc：

式中ad為燃料空氣干燥基中灰分的百分含量，%；HHV為燃料在干燥基和定容條件下的高位發(fā)熱量，GJ/kg。

根據(jù)不同配風工況下所得結渣灰分的無機元素含量，通過公式（9）～（12）可計算出玉米秸稈顆粒燃燒4種結渣預測指數(shù)，如圖8所示。

根據(jù)各結渣指數(shù)的判定范圍[24-25]，對于硅比來說，結渣指數(shù)為輕度結渣，并且隨著燃料燃燒區(qū)溫度1的升高呈現(xiàn)上升趨勢，意味著溫度1越高，越不容易結渣，這一點與實際試驗數(shù)據(jù)相違背。對于堿酸比來說，結渣指數(shù)為中度結渣，但是溫度1越高，堿酸比預測結渣程度越低，也與實際不相符。同樣，Na含量指數(shù)、堿性指數(shù)得出結渣指數(shù)為嚴重結渣，但是隨著溫度1越高，預測結渣程度也越低，這與實際試驗結果同樣不相符。

對于生物質(zhì)灰而言，與煤相比其堿金屬含量較高，硅、鋁等元素含量較低，因此其堿酸比、硅鋁比等結渣指數(shù)的取值范圍與煤灰相比有很大差異，偏離煤結渣指數(shù)判別界限很遠[26-27]。因此，上述4種結渣指數(shù)均不能根據(jù)玉米秸稈燃燒結渣中無機元素含量，正確預測不同燃料燃燒區(qū)溫度1變化時的結渣傾向。為此，需要對結渣預測指數(shù)進行修正?？紤]到玉米秸稈顆粒燃燒結渣率與溫度1有很強的關聯(lián)性，由圖8可以看出不同燃燒工況下與溫度1具有較好的擬合度，為此在硅比指數(shù)G中引入燃料燃燒區(qū)溫度1作為變量（僅利用1的值，而不考慮其單位）。修正后的公式如下：

G=G×1.1?1×0.03% （11）

計算出不同燃料燃燒區(qū)溫度1時相應的修正后硅比指數(shù)G結果如圖9。

可以看出，隨著燃料燃燒區(qū)溫度1不斷升高，G呈現(xiàn)下降趨勢，意味著結渣傾向越來越嚴重。溫度1接近800 ℃時，G值約在0.66～0.67之間，進入嚴重結渣判定區(qū)域。而溫度1在680 ℃左右時，G值相對較大，在中度結渣判定范圍，因此修正后的G可以很好地對玉米秸稈顆粒因燃料燃燒區(qū)溫度1引起的結渣傾向變化進行預測，對二次風多層配風燃燒結渣預測可提供一定的依據(jù)。

4 結 論

1）設計了一種具有多層二次風的生物質(zhì)燃燒試驗裝置。當采用一、二次風分級配風時，能夠顯著降低煙氣中NOx的濃度。二次風位置較高或下層二次風量的減少，都會導致玉米秸稈顆粒燃燒不完全，CO濃度顯著提升。

2）與對照組相比，采用多層二次風配風，燃燒室內(nèi)各測點溫度均有所降低，降低幅度最高在50 ℃以上，煙氣中NOx濃度顯著降低，NOx降低率在38%～53%之間。此時，玉米秸稈顆粒燃燒結渣率大幅度下降，W4工況時最低，結渣率為4.5%。所有工況中，W1工況的燃燒結渣率和NOx濃度均較低，綜合評價為最優(yōu)工況。

3）堿酸比、堿性指數(shù)Alc、Na含量指數(shù)、硅比指數(shù)G等4種結渣指數(shù)，均不能正確預測因燃料燃燒區(qū)溫度1變化而造成的結渣傾向變化，因此，在硅比指數(shù)G中引入溫度1作為變量，修正后的硅比指數(shù)G可以很好地對玉米秸稈顆粒隨燃燒區(qū)溫度1的結渣傾向進行預測。

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Influences of multi-layer secondary air distribution on NOxreduction rate and slagging tendency of maize stover particle combustion

Liu Shanjian, Wang Shuaichao, Yi Weiming※, Li Yongjun, Feng Xiangdong

(,,255000,)

Biomass refers to the material derived directly from plants, thereby serving as a renewable, low-carbon emission, and environment-friendly energy source. Straw biomass is characterized by high alkali metal and ash content, where the ash caking easily occurs during combustion. This feature has become one of the most important factors limiting the use of industrial boiler fuel, particularly affecting the air distribution and complete combustion in the reaction chamber. In this study, a biomass combustion test device was designed with multi-layer secondary air, thereby explorg the influence on the NOxreduction rate and slagging in corn straw particle combustion. Two types of parameters were set firstly, including different primary and secondary air grading ratios, and the multi-layer ratios of secondary air. An evaluation was also made on the concentration of pollutants, such as CO and NOxin flue gas, combustion efficiency, and ash slagging rate. The results show that the concentration of NOxin flue gas significantly reduced, when the primary and secondary air were distributed in stages, whereas, the concentration of CO and NOxin flue gas changed in opposite directions, showing a competitive relationship. Specifically, a higher secondary air position or lower secondary air volume led to incomplete combustion of corn straw particles, and a significant increase in CO concentration. The temperature at each measuring point and the NOxconcentration in the flue gas in the combustion chamber was reduced significantly, compared with the control group, under different secondary air distribution modes. Moreover, the emission of the lowest NOxconcentration was released in W1working condition, about 150 mg/m3. The NOxconcentration was also significantly reduced, whereas, the slagging rate decreased greatly, with the lowest of 4.5%, when the secondary air was equipped with multi-layer air. The slagging rate of corn stalk increased significantly, with the increase of temperature1, indicating that the temperature T1was an important factor affecting the slagging of corn stalk particles during combustion. Correspondingly, the best working condition was achieved, where there was a relatively low NOxconcentration and slagging rate under W1working conditions. Furthermore, the incomplete combustion of corn stalk particles was attributed to the higher secondary air position or the lower secondary air volume, whereas, the CO concentration was attributed to the higher carbon content in ash. Additionally, the combustion efficiency decreased at the low temperature on the bottom of the combustion chamber. Consequently, four slagging indexes cannot correctly predict the change of slagging tendency under various fuel zone at temperature1, such as acid-base ratio, alkalinity index Alc, Na content index, and silicon ratio index. More importantly, when the temperature1was introduced into the silicon ratio index g, the modifiedGcan be expected to well predict the slagging tendency of corn straw particles in the combustion zone.

combustion; physicochemical property; maize stover; secondary air distribution; slagging index; NOxconcentration

柳善建，王帥超，易維明，等. 多層二次風配風對玉米秸稈顆粒燃燒降低NOx產(chǎn)率及結渣的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(15)：222-231.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.027 http://www.tcsae.org

Liu Shanjian, Wang Shuaichao, Yi Weiming, et al. Influences of multi-layer secondary air distribution on NOxreduction rate and slagging tendency of maize stover particle combustion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 222-231. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.027 http://www.tcsae.org

2021-03-27

2021-06-15

國家重點研發(fā)計劃（2019YFD1100600）；國家自然科學基金（51606113）

柳善建，博士，研究方向為生物質(zhì)潔凈高效燃燒與優(yōu)化技術。Email：liushanjian08@163.com

易維明，博士，教授，博士生導師，研究方向為生物質(zhì)能源與材料技術。Email：yiweiming@sdut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.027

TK6; S216.2

A

1002-6819(2021)-15-0222-10