0、引言
生物质能是世界第4大能源，在我国能源总消费中占14%，是大多数农牧民的主要生活燃料，必须加快发展高品位的生物质能。鉴于我国是水资源短缺、林木覆盖率只有13%、生态条件相当脆弱的国家，生物质能的利用需要专门、系统设计的燃烧设备保证其高效、清洁地燃烧。
国内外专家学者设计了多种生物质炉并对其污染物排放规律进行了大量的研究，积累了一些重要的研究方法和数据，但是，其结论几乎都是基于生物质炉的稳定燃烧状况。然而，对于体积较大的燃烧设备，启停时间较长，以湖南某公司的生物质成型燃料炉为例，正常工况下，该炉点火所需时间约25 min。考虑到大部分家庭的作息时间，一天内该燃料炉工作时间约为4h，点火占整个工作时间的10. 4%。而且，点火为非稳态过程，期间，燃料进行不完全燃烧，污染物排放规律与稳态时不同。
为了得到该生物质成型燃料炉点火过程污染物排放规律，文献[7]主要考虑燃料活化能与通风状况，分析不同炉体温度点火过程中污染物(CO，NO)排放量随排烟温度的变化关系，得到加强炉膛保温可降低污染物排放量。本文主要考虑燃烧机理、产物生成机理分析两种不同助燃空气温度点火过程中污染物(CO，NO)排放量随排烟温度的变化关系；并通过比较两种不同助燃空气温度燃烧过程的污染物排放规律，提出了降低本炉点火过程污染物排放量的方法；采用回归分析的方法总结了点火过程中CO/NO和排烟温度之间的规律，探讨降低污染物排放的方法。
1、生物质成型燃料炉工作原理
试验用生物质成型燃料炉额定功率为10kW，主要由炉膛、炉排、辐射及对流传热面、点火器、引风机、贯流风机、料斗、螺旋给料器等组成，其结构简图见图1。
生物质成型燃料炉工作过程：启动生物质成型燃料炉的开关，点火器开始工作，与此同时，螺旋给料器将料斗内的生物质颗粒输送到燃烧室中的炉排上；贯流风机、引风机启动。经过一段时间，颗粒开始着火并在炉排上燃烧。室外的助燃空气从燃烧室后墙的孔洞引入。产生的高温烟气通过换热器加热由贯流风机引入的室内冷空气，最后由引风机经过排烟管道排到室外。产生的热空气从炉体的上部排出。当燃料炉运行一段时间时，贯流风机、引风机功率自动加大。需要停炉时，按下停炉按钮，引风机会加大功率抽吸室外冷空气冷炉。
2、试验仪器和方法
2.1 试验方法
本次实验的试验方法见文献[7]。
2.2 成型燃料的理化特性
试验中分别燃用玉米秸秆和木质两种成型燃料，粒径分别为8.5和6.5 mm，长度约为20 mm。试验前利用GR-3500型氧弹式热量计、5E-MAG6600型工业分析仪和Vario EL IH型元素分析仪分别对两种燃料的低位发热量、工业分析和元素分析值进行了测量，结果见文献[7]表l。
3、结果与分析
由于污染物的排放水平与炉膛内的温度水平、过剩空气系数有关，本文通过两种不同助燃空气温度实验工况点火过程污染物排放的比较，以寻找降低污染物排放量的方法。
3.1 点火过程CO的排放规律
生物质成型燃料燃烧机理[8]：生物质成型燃料燃烧属于静态渗透式扩散燃烧，燃烧过程从着火后开始。
1)生物质成型燃料表面可燃挥发物燃烧，进行可燃气体和氧气的放热化学反应，形成火焰；
2)除了生物质成型燃料表面部分可燃挥发物燃烧外，成型燃料表层部分的碳处于过渡燃烧区，形成较长火焰；
3)生物质成型燃料表面仍有较少的挥发分燃烧，更主要的是燃烧向成型燃料更深层渗透，焦碳的扩散燃烧，燃烧产物CO，CO及其他气体向外扩散，行进中CO不断与Oz结合成COz，成型燃料表层生成薄灰壳，外层包围着火焰；
4)生物质成型燃料进一步向更深层发展，在层内主要进行碳燃烧(即C+ Oz一CO)，在球表面进行CO的燃烧（即CO+O2→CO2），形成比较厚的灰壳，由于生物质的燃尽和热膨胀，灰层中呈现微孔组织或空隙通道甚至裂缝，较少的短火焰包围着成型块；
5)燃尽壳不断加厚，可燃物基本燃尽，在没有强烈干扰的情况下，形成整体的灰球，灰球表面几乎看不出火焰，灰球会变暗红色，至此完成了生物质成型燃料的整个燃烧过程。
3.1.1 热风点火过程CO的排放规律
通过实验分析，热风点火过程主要涉及生物质成型燃料燃烧机理的前三个过程。点火过程中，两种生物质成型燃料的CO排放量与排烟温度的关系如图1所示。
热风点火过程中，两种成型燃料CO的排放呈相似规律，整个过程中CO的排放量出现了三个峰值。
当炉膛温度达到一定值时，炉排上生物质成型燃料表面可燃挥发物燃烧，形成火焰。挥发份燃烧产生的热量使炉排附近的空间温度升高导致大量的挥发份析出，其中就包括大量的CO。此时由于炉膛整体温度较低，析出的CO不能完全燃烧，而且，炉排上料层较薄，通风条件好，烟气停留时间短，生成的CO来不及被氧化就离开炉膛，因此，烟气中CO的质量浓度逐渐增大。与木质成型燃料相比，玉米秸秆具有较低的活化能，挥发分析出速率快，易达到着火浓度而点燃，着火温度低，因此，燃用玉米秸秆co质量浓度达到第一个峰值对应的排烟温度(37℃)比燃用木质成型燃料的(39-c)要低。随后，炉膛温度逐渐升高，有利于C0的氧化反应，CO的质量浓度随排烟温度的升高而降低。
随后生物质成型燃料表层部分的碳处于过渡燃烧区，形成较长火焰，炉膛温度大幅提高，使得进入炉膛的燃料快速析出挥发份，然而空气穿过炉排时大部分已反应，因此炉膛内部出现缺氧，CO不能完全反应，烟气中CO质量浓度升高。由
于，炉膛温度较高，CO析出反应比第一个CO峰值更剧烈，所以第二个CO峰值高于第一个峰值。
当燃烧炉运行一段时间时，引风机功率增大，炉膛空气流量增加,CO与02反应加强；此时烟气流量对应增加，因此烟气中CO质量浓度随排烟温度快速减少。但炉膛内气体混合不充分，温度分布不均匀；同时贯流风机功率增大，强化了传热，炉膛内的火焰极不稳定，烟气中CO质量浓度随排烟温度增加又迅速增加，并达到第三个峰值。随着反应的进行，火焰逐渐稳定，炉膛温度提高、均匀分布；成型燃料表层生成薄灰壳，料层厚度增厚，通风阻力增大，延长了烟气的停留时间，CO反应更完全。由图l可以看出，CO的排放质量浓度逐渐减小，并达到一定的稳定值。
燃用玉米秸秆，当排烟温度为76℃时，CO的排放质量浓度达到最大值(405 mglm3)，整个过程平均质量浓度为298.4 mg／m3，最后达到的稳定值为150 mg/m3；燃用木质成型燃料，当排烟温度为60℃时，CO的质量浓度达到最大值(218.7mg／m3)，整个过程平均排放浓度为168.6mglm3，最后达到的稳定值为106 mg/Nm3。由此可见，点火过程CO的排放质量浓度高于稳态燃烧时的排放质量浓度。
3.1.2 冷风点火过程CO的排放规律
冷风点火过程两种成型燃料CO的排放量与排烟温度对应关系如图2所示。
冷风点火过程中，两种成型燃料CO的排放规律同样类似，整个过程中CO的排放量出现了两个峰值。与热风点火过程不同的是冷风点火过程主要涉及生物质成型燃料燃烧机理的前两个过程。当物质成型燃料表面可燃挥发物燃烧，形成火焰时，燃烧产生的热量使炉排附近的空间升温导致大量挥发份CO的析出。然而由于炉膛整体温度较低，使得产生的co不能完全反应，烟气中的CO质量浓度升高，出现第一个峰值。随着燃烧反应时间的推移，炉膛整体温度提高，CO燃烧反应加强，烟气中的CO质量浓度降低。
由于冷风点火时，燃烧反应比较平缓，炉膛整体温度较热风点火的炉膛温度低，因此生物质成型燃料挥发份析出的速率比较慢，两个峰值间开始的燃烧反应主要以燃烧机理的第一阶段为主，随炉膛整体温度的提高，大部分燃料进入燃烧机、理的第二阶段，烟气中CO质量浓度快速升高。在CO质量浓度上升的过程中，贯流风机、引风机功率增大，这使CO质量浓度上升的速率与炉膛整体温度有所降低，同时由于炉膛内气体混合不充分，CO与02反应减弱，因此烟气中CO质量浓度依然上升。从而冷风点火过程的CO排放量与温度曲线没有出现热风点火过程中类似明显的第二个峰值。当炉膛内的火焰稳定、气体混合充分时，燃烧反应更加剧烈、充分，烟气中的CO质量浓度逐渐降低，直到达到稳定值。
冷风点火过程，燃用玉米秸秆，当排烟温度为53℃时，CO的排放质量浓度达到最大值(748mg／m3)，整个过程平均质量浓度为385 mg／m3，是热风点火过程的1. 29倍；燃用木质成型燃料，当排烟温度为33℃时，CO的质量浓度达到最大值(401 mg／m3)，整个过程平均排放浓度为218mg／m3，是热风点火过程的1.29倍。同时冷风点火过程所需时间长于热风点火过程。
通过图1、2分析可知，冷风点火过程中，CO的排放质量浓度远高于稳态时的质量浓度，采用热风点火的方式，CO的排放质量浓度可以降低为冷风点火的77%，而且还降低了排烟损失，提高了热效率。因此，提高助燃空气温度，有助于降低CO的排放。
3.2 点火过程NO2的排放规律
燃烧过程中所产生的NOz -般是指NO和N02。大量实验结果表明，燃烧装置排放NO：中NO -般约占95%，而NOz仅占5%。因此，本文的NO，主要是指NO。
根据NO2生成机理的不同，可将燃烧过程产生的NO，分为三种类型。
热力型NO2：燃烧过程中空气中的氮和氧在高温中生成的NO及NO2总和。
燃料型NO，：燃料中氮有机化合物先被分解成氰( HCN)、氨(NH4)和CN等中间产物，作为挥发分而析出，挥发份再被氧化成NOx。
快速型NO，：燃料燃烧时产生的烃类等撞击空气分子中Nz分子而生成CN、HCN等再被氧化成NOx。
3.2.1 热风点火过程NO的排放规律
实验数据表明，燃烧产生的烟气中基本没有NO2，因此重点研究NO的排放规律。热风点火过程，两种成型燃料NO的排放量(mglm3)随排烟温度的变化情况如图3所示。
图3表明：热风点火过程中，两种成型燃料NO的排放规律相同。随着排烟温度的升高，NO的质量浓度呈增大趋势。当木质成型燃料排烟温度小于88℃、玉米秸秆排烟温度小于89℃时，燃烧产生的NO主要为燃料型NO。点火过程中，随着炉膛温度的升高，析出的挥发份增加．燃烧反应加强，烟气中的NO质量浓度增加。当木质成型燃料排烟温度大于88℃，玉米秸秆排烟温度大于89℃时，由于炉膛温度的升高，空气中的氮和氧在高温中生成的NO，使得烟气中的NO质量浓度快速增加。随着燃烧反应的稳定，烟气中的NO质量浓度将达到一个稳定值。整个点火过程中，燃用木质成型燃料，NO的最高排放质量浓度为30mg／m3，平均排放质量浓度为16 mg／m3；燃用玉米秸秆成型燃料，NO的最高排放质量浓度为135mglm3，平均排放质量浓度为82,7 mg/m3。燃用玉米秸秆成型燃料NO的排放量是燃用木质成型燃料的5倍，主要是因为玉米秸秆燃料的含氮量高于木质燃料。而且，两种燃料稳定燃烧时NO的排放质量浓度高于点火过程的排放质量浓度。
3.2.2 冷风点火过程NO的排放规律
冷风点火过程，两种成型燃料NO的排放量(mg／m3)随排烟温度的变化情况如图4所示。
图4表明：冷炉点火过程中，两种成型燃料NO的排放规律相同，且基本都是燃料型NO。随着排烟温度的升高，NO的质量浓度呈增大趋势，且达到一定值时，NO的排放量趋于稳定。这两种燃料趋于稳定时达到的排烟温度和NO的排放量不同。当秸秆排烟温度小于39℃、木质排烟温度小于45℃时，炉排上火焰很小，炉膛温度较低，挥发份析出速度较慢,NO的质量浓度低、缓慢增加。之后，随着炉膛温度的进一步升高，燃烧反应加强，促使燃料析出NH3、HCN等挥发份速率加快，再与充足的氧气反应，生成燃料型NO，加速了NO的生成，因此，从图4可以看出,NO的质量浓度快速增加。这段过程生成的NO基本都是燃料型NO。由于玉米秸秆具有较低的活化能，挥发分析出速率快，燃用玉米秸秆NO生成速度开始加快对应的排烟温度比燃用木质成型燃料的要低。整个点火过程中，燃用木质成型燃料，NO的最高排放质量浓度为70.1 mg/m3，平均排放质量浓度为33,1 mg／m3；燃用秸秆成型燃料，NO的最高排放浓度为126 mglma，平均排放质量浓度为70.4 mg／nf。燃用秸秆成型燃料NO的排放量是燃用木质燃料的2倍，主要是因为秸秆燃料的含氮量高于木质燃料。而且，两种燃料稳定燃烧时NO的排放质量浓度高于点火过程的排放质量浓度。
比较图3、4得，热风点火过程与冷风点火过程中，两种燃料NO排放规律基本相同。但由于助燃空气温度的不同，使得点火过程的温度范围有所不同，从而使整个点火过程NO的排放量与温度关系曲线略有不同：热风点火较冷风点火，整个过程炉膛温度高，初始阶段挥发份析出速率较快，因此没有冷风点火中初始阶段的NO质量浓度缓慢增加；末期阶段有较多热力型NO产生。
热风点火过程的木质成型燃料NO排放量明显低于冷风点火过程的木质成型燃料NO排放量，但热风点火过程的玉米秸秆NO排放量略高于冷分点火过程的玉米秸秆NO排放量。因此提高助燃空气温度可减少木质成型燃料的NO排放量，却会增加玉米秸秆的NO排放量。
3.3 点火过程CO与NO质量比随排烟温度的变化规律
3.3.1 冷风点火过程CO与NO质量比随排烟温度的变化规律
冷风点火过程CO与NO质量比随排烟温度的变化规律如图5所示。
通过回归分析得出，CO与NO的质量比有一定的规律性，对于燃用玉米秸秆燃料，CO与NO的质量比随排烟温度的升高呈指数关系减小；燃用木质成型燃料，CO与NO的质量比随排烟温度的升高呈乘幂关系减小。Kituyi等在研究燃用木质燃料生物质炉的CO和NO的排放规律时指出NO/COz和CO/C02的值接近为一个常数，对于不同的炉型，其值不同。本文采用他的测量值，也得到与本次试验相似的结果，如图5所示。此外，Balland-Tremeer和Jawurek[1I]在分析燃用木质燃料炊事炉的性能时，指出S02/CO接近一个常数。因此，可以推断，一个燃烧设备某种污染物的排放量不仅与炉膛温度，过剩空气系数有关，还与其他污染物的排放量有关，但是，其中的内在关系，尚待研究。
3.3.2 热风点火过程CO与NO质量比随排烟温度的变化规律
热风点火过程CO与NO质量比随排烟温度的变化规律如图6所示。
通过回归分析得出，热风点火过程CO与NO的质量比与冷风过程具有同样的规律。对于燃用玉米秸秆燃料，CO与NO的质量比随排烟温度的升高呈指数关系减小；燃用木质燃料，CO与NO的质量比随排烟温度的升高呈乘幂关系减小。
4 结 论
1)通过对点火过程污染物排放的研究表明，点火过程中烟气的污染物主要是CO且其平均质量浓度高于稳态浓度值；而NO平均质量浓度低于稳态浓度值。
2)通过热风点火过程与冷风点火过程的比较可知，提高助燃空气温度可有效的降低烟气中CO质量浓度、缩短点火时间，同肘可降低木质燃料烟气中的NO质量浓度，但会使秸秆燃料烟气中的NO质量浓度略有升高。总体而言，提高助燃空气温度可减少点火过程污染物的排放量。
3)生物质成型燃料炉点火过程中，两种燃料烟气中的CO与NO质量比随排烟温度的变化具有一定规律。木质燃料的CO与NO质量比随排烟温度的升高呈乘幂关系减小，秸秆燃料CO与NO的质量比随排烟温度的升高呈指数关系减小。
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