0、引言
    生物質能是世界第4大能源，在我國能源總消費中占14%，是大多數農牧民的主要生活燃料，必須加快發展高品位的生物質能。鑒于我國是水資源短缺、林木覆蓋率只有13%、生態條件相當脆弱的國家，生物質能的利用需要專門、系統設計的燃燒設備保證其高效、清潔地燃燒。
    國內外專家學者設計了多種生物質爐并對其污染物排放規律進行了大量的研究，積累了一些重要的研究方法和數據，但是，其結論幾乎都是基于生物質爐的穩定燃燒狀況。然而，對于體積較大的燃燒設備，啟停時間較長，以湖南某公司的生物質成型燃料爐為例，正常工況下，該爐點火所需時間約25 min。考慮到大部分家庭的作息時間，一天內該燃料爐工作時間約為4h，點火占整個工作時間的10. 4%。而且，點火為非穩態過程，期間，燃料進行不完全燃燒，污染物排放規律與穩態時不同。
    為了得到該生物質成型燃料爐點火過程污染物排放規律，文獻[7]主要考慮燃料活化能與通風狀況，分析不同爐體溫度點火過程中污染物(CO，NO)排放量隨排煙溫度的變化關系，得到加強爐膛保溫可降低污染物排放量。本文主要考慮燃燒機理、產物生成機理分析兩種不同助燃空氣溫度點火過程中污染物(CO，NO)排放量隨排煙溫度的變化關系；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律，提出了降低本爐點火過程污染物排放量的方法；采用回歸分析的方法總結了點火過程中CO/NO和排煙溫度之間的規律，探討降低污染物排放的方法。
1、生物質成型燃料爐工作原理
    試驗用生物質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、點火器、引風機、貫流風機、料斗、螺旋給料器等組成，其結構簡圖見圖1。

    生物質成型燃料爐工作過程：啟動生物質成型燃料爐的開關，點火器開始工作，與此同時，螺旋給料器將料斗內的生物質顆粒輸送到燃燒室中的爐排上；貫流風機、引風機啟動。經過一段時間，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。產生的高溫煙氣通過換熱器加熱由貫流風機引入的室內冷空氣，最后由引風機經過排煙管道排到室外。產生的熱空氣從爐體的上部排出。當燃料爐運行一段時間時，貫流風機、引風機功率自動加大。需要停爐時，按下停爐按鈕，引風機會加大功率抽吸室外冷空氣冷爐。
2、試驗儀器和方法
2.1  試驗方法
    本次實驗的試驗方法見文獻[7]。
2.2  成型燃料的理化特性
    試驗中分別燃用玉米秸稈和木質兩種成型燃料，粒徑分別為8.5和6.5 mm，長度約為20 mm。試驗前利用GR-3500型氧彈式熱量計、5E-MAG6600型工業分析儀和Vario EL IH型元素分析儀分別對兩種燃料的低位發熱量、工業分析和元素分析值進行了測量，結果見文獻[7]表l。
3、結果與分析
    由于污染物的排放水平與爐膛內的溫度水平、過剩空氣系數有關，本文通過兩種不同助燃空氣溫度實驗工況點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  點火過程CO的排放規律
    生物質成型燃料燃燒機理[8]：生物質成型燃料燃燒屬于靜態滲透式擴散燃燒，燃燒過程從著火后開始。
    1)生物質成型燃料表面可燃揮發物燃燒，進行可燃氣體和氧氣的放熱化學反應，形成火焰；
    2)除了生物質成型燃料表面部分可燃揮發物燃燒外，成型燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區，形成較長火焰；
    3)生物質成型燃料表面仍有較少的揮發分燃燒，更主要的是燃燒向成型燃料更深層滲透，焦碳的擴散燃燒，燃燒產物CO，CO及其他氣體向外擴散，行進中CO不斷與Oz結合成COz，成型燃料表層生成薄灰殼，外層包圍著火焰；
    4)生物質成型燃料進一步向更深層發展，在層內主要進行碳燃燒(即C+ Oz一CO)，在球表面進行CO的燃燒（即CO+O2→CO2），形成比較厚的灰殼，由于生物質的燃盡和熱膨脹，灰層中呈現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，至此完成了生物質成型燃料的整個燃燒過程。
3.1.1  熱風點火過程CO的排放規律
    通過實驗分析，熱風點火過程主要涉及生物質成型燃料燃燒機理的前三個過程。點火過程中，兩種生物質成型燃料的CO排放量與排煙溫度的關系如圖1所示。
    熱風點火過程中，兩種成型燃料CO的排放呈相似規律，整個過程中CO的排放量出現了三個峰值。
當爐膛溫度達到一定值時，爐排上生物質成型燃料表面可燃揮發物燃燒，形成火焰。揮發份燃燒產生的熱量使爐排附近的空間溫度升高導致大量的揮發份析出，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的質量濃度逐漸增大。與木質成型燃料相比，玉米秸稈具有較低的活化能，揮發分析出速率快，易達到著火濃度而點燃，著火溫度低，因此，燃用玉米秸稈co質量濃度達到第一個峰值對應的排煙溫度(37℃)比燃用木質成型燃料的(39-c)要低。隨后，爐膛溫度逐漸升高，有利于C0的氧化反應，CO的質量濃度隨排煙溫度的升高而降低。
      隨后生物質成型燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區，形成較長火焰，爐膛溫度大幅提高，使得進入爐膛的燃料快速析出揮發份，然而空氣穿過爐排時大部分已反應，因此爐膛內部出現缺氧，CO不能完全反應，煙氣中CO質量濃度升高。由
于，爐膛溫度較高，CO析出反應比第一個CO峰值更劇烈，所以第二個CO峰值高于第一個峰值。
    當燃燒爐運行一段時間時，引風機功率增大，爐膛空氣流量增加,CO與02反應加強；此時煙氣流量對應增加，因此煙氣中CO質量濃度隨排煙溫度快速減少。但爐膛內氣體混合不充分，溫度分布不均勻；同時貫流風機功率增大，強化了傳熱，爐膛內的火焰極不穩定，煙氣中CO質量濃度隨排煙溫度增加又迅速增加，并達到第三個峰值。隨著反應的進行，火焰逐漸穩定，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，通風阻力增大，延長了煙氣的停留時間，CO反應更完全。由圖l可以看出，CO的排放質量濃度逐漸減小，并達到一定的穩定值。
    燃用玉米秸稈，當排煙溫度為76℃時，CO的排放質量濃度達到最大值(405 mglm3)，整個過程平均質量濃度為298.4 mg／m3，最后達到的穩定值為150 mg/m3；燃用木質成型燃料，當排煙溫度為60℃時，CO的質量濃度達到最大值(218.7mg／m3)，整個過程平均排放濃度為168.6mglm3，最后達到的穩定值為106 mg/Nm3。由此可見，點火過程CO的排放質量濃度高于穩態燃燒時的排放質量濃度。
3.1.2  冷風點火過程CO的排放規律
    冷風點火過程兩種成型燃料CO的排放量與排煙溫度對應關系如圖2所示。
 
    冷風點火過程中，兩種成型燃料CO的排放規律同樣類似，整個過程中CO的排放量出現了兩個峰值。與熱風點火過程不同的是冷風點火過程主要涉及生物質成型燃料燃燒機理的前兩個過程。當物質成型燃料表面可燃揮發物燃燒，形成火焰時，燃燒產生的熱量使爐排附近的空間升溫導致大量揮發份CO的析出。然而由于爐膛整體溫度較低，使得產生的co不能完全反應，煙氣中的CO質量濃度升高，出現第一個峰值。隨著燃燒反應時間的推移，爐膛整體溫度提高，CO燃燒反應加強，煙氣中的CO質量濃度降低。
    由于冷風點火時，燃燒反應比較平緩，爐膛整體溫度較熱風點火的爐膛溫度低，因此生物質成型燃料揮發份析出的速率比較慢，兩個峰值間開始的燃燒反應主要以燃燒機理的第一階段為主，隨爐膛整體溫度的提高，大部分燃料進入燃燒機、理的第二階段，煙氣中CO質量濃度快速升高。在CO質量濃度上升的過程中，貫流風機、引風機功率增大，這使CO質量濃度上升的速率與爐膛整體溫度有所降低，同時由于爐膛內氣體混合不充分，CO與02反應減弱，因此煙氣中CO質量濃度依然上升。從而冷風點火過程的CO排放量與溫度曲線沒有出現熱風點火過程中類似明顯的第二個峰值。當爐膛內的火焰穩定、氣體混合充分時，燃燒反應更加劇烈、充分，煙氣中的CO質量濃度逐漸降低，直到達到穩定值。
    冷風點火過程，燃用玉米秸稈，當排煙溫度為53℃時，CO的排放質量濃度達到最大值(748mg／m3)，整個過程平均質量濃度為385 mg／m3，是熱風點火過程的1. 29倍；燃用木質成型燃料，當排煙溫度為33℃時，CO的質量濃度達到最大值(401 mg／m3)，整個過程平均排放濃度為218mg／m3，是熱風點火過程的1.29倍。同時冷風點火過程所需時間長于熱風點火過程。
    通過圖1、2分析可知，冷風點火過程中，CO的排放質量濃度遠高于穩態時的質量濃度，采用熱風點火的方式，CO的排放質量濃度可以降低為冷風點火的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  點火過程NO2的排放規律
    燃燒過程中所產生的NOz -般是指NO和N02。大量實驗結果表明，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NO2生成機理的不同，可將燃燒過程產生的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，：燃料中氮有機化合物先被分解成氰( HCN)、氨(NH4)和CN等中間產物，作為揮發分而析出，揮發份再被氧化成NOx。
    快速型NO，：燃料燃燒時產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  熱風點火過程NO的排放規律
    實驗數據表明，燃燒產生的煙氣中基本沒有NO2，因此重點研究NO的排放規律。熱風點火過程，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：熱風點火過程中，兩種成型燃料NO的排放規律相同。隨著排煙溫度的升高，NO的質量濃度呈增大趨勢。當木質成型燃料排煙溫度小于88℃、玉米秸稈排煙溫度小于89℃時，燃燒產生的NO主要為燃料型NO。點火過程中，隨著爐膛溫度的升高，析出的揮發份增加．燃燒反應加強，煙氣中的NO質量濃度增加。當木質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質量濃度快速增加。隨著燃燒反應的穩定，煙氣中的NO質量濃度將達到一個穩定值。整個點火過程中，燃用木質成型燃料，NO的最高排放質量濃度為30mg／m3，平均排放質量濃度為16 mg／m3；燃用玉米秸稈成型燃料，NO的最高排放質量濃度為135mglm3，平均排放質量濃度為82,7 mg/m3。燃用玉米秸稈成型燃料NO的排放量是燃用木質成型燃料的5倍，主要是因為玉米秸稈燃料的含氮量高于木質燃料。而且，兩種燃料穩定燃燒時NO的排放質量濃度高于點火過程的排放質量濃度。
3.2.2  冷風點火過程NO的排放規律
    冷風點火過程，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：冷爐點火過程中，兩種成型燃料NO的排放規律相同，且基本都是燃料型NO。隨著排煙溫度的升高，NO的質量濃度呈增大趨勢，且達到一定值時，NO的排放量趨于穩定。這兩種燃料趨于穩定時達到的排煙溫度和NO的排放量不同。當秸稈排煙溫度小于39℃、木質排煙溫度小于45℃時，爐排上火焰很小，爐膛溫度較低，揮發份析出速度較慢,NO的質量濃度低、緩慢增加。之后，隨著爐膛溫度的進一步升高，燃燒反應加強，促使燃料析出NH3、HCN等揮發份速率加快，再與充足的氧氣反應，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，揮發分析出速率快，燃用玉米秸稈NO生成速度開始加快對應的排煙溫度比燃用木質成型燃料的要低。整個點火過程中，燃用木質成型燃料，NO的最高排放質量濃度為70.1 mg/m3，平均排放質量濃度為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燃料的2倍，主要是因為秸稈燃料的含氮量高于木質燃料。而且，兩種燃料穩定燃燒時NO的排放質量濃度高于點火過程的排放質量濃度。
    比較圖3、4得，熱風點火過程與冷風點火過程中，兩種燃料NO排放規律基本相同。但由于助燃空氣溫度的不同，使得點火過程的溫度范圍有所不同，從而使整個點火過程NO的排放量與溫度關系曲線略有不同：熱風點火較冷風點火，整個過程爐膛溫度高，初始階段揮發份析出速率較快，因此沒有冷風點火中初始階段的NO質量濃度緩慢增加；末期階段有較多熱力型NO產生。
    熱風點火過程的木質成型燃料NO排放量明顯低于冷風點火過程的木質成型燃料NO排放量，但熱風點火過程的玉米秸稈NO排放量略高于冷分點火過程的玉米秸稈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  點火過程CO與NO質量比隨排煙溫度的變化規律
3.3.1  冷風點火過程CO與NO質量比隨排煙溫度的變化規律
    冷風點火過程CO與NO質量比隨排煙溫度的變化規律如圖5所示。

    通過回歸分析得出，CO與NO的質量比有一定的規律性，對于燃用玉米秸稈燃料，CO與NO的質量比隨排煙溫度的升高呈指數關系減小；燃用木質成型燃料，CO與NO的質量比隨排煙溫度的升高呈乘冪關系減小。Kituyi等在研究燃用木質燃料生物質爐的CO和NO的排放規律時指出NO/COz和CO/C02的值接近為一個常數，對于不同的爐型，其值不同。本文采用他的測量值，也得到與本次試驗相似的結果，如圖5所示。此外，Balland-Tremeer和Jawurek[1I]在分析燃用木質燃料炊事爐的性能時，指出S02/CO接近一個常數。因此，可以推斷，一個燃燒設備某種污染物的排放量不僅與爐膛溫度，過剩空氣系數有關，還與其他污染物的排放量有關，但是，其中的內在關系，尚待研究。
3.3.2  熱風點火過程CO與NO質量比隨排煙溫度的變化規律
    熱風點火過程CO與NO質量比隨排煙溫度的變化規律如圖6所示。

    通過回歸分析得出，熱風點火過程CO與NO的質量比與冷風過程具有同樣的規律。對于燃用玉米秸稈燃料，CO與NO的質量比隨排煙溫度的升高呈指數關系減小；燃用木質燃料，CO與NO的質量比隨排煙溫度的升高呈乘冪關系減小。
4  結  論
    1)通過對點火過程污染物排放的研究表明，點火過程中煙氣的污染物主要是CO且其平均質量濃度高于穩態濃度值；而NO平均質量濃度低于穩態濃度值。
    2)通過熱風點火過程與冷風點火過程的比較可知，提高助燃空氣溫度可有效的降低煙氣中CO質量濃度、縮短點火時間，同肘可降低木質燃料煙氣中的NO質量濃度，但會使秸稈燃料煙氣中的NO質量濃度略有升高。總體而言，提高助燃空氣溫度可減少點火過程污染物的排放量。
    3)生物質成型燃料爐點火過程中，兩種燃料煙氣中的CO與NO質量比隨排煙溫度的變化具有一定規律。木質燃料的CO與NO質量比隨排煙溫度的升高呈乘冪關系減小，秸稈燃料CO與NO的質量比隨排煙溫度的升高呈指數關系減小。
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