張亮，羅永浩，鄧睿渠，戴國棟，丘性通，陳嵩

　　(1福建省特種設備檢驗研究院，福建福州350008；2上海交通大學，上海200240；3福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建福州350008)

　　摘要：在層燃單元體爐上研究了生物質成型燃料的NO排放特性，采用熱電偶和煙氣分析儀對生物質成型燃料層燃過程中床層溫度和表面氣氛進行監測，分析了生物質成型燃料的燃燒特性和NO排放特性。試驗結果表明，生物質成型燃料層燃分為火焰傳播段和焦炭燃盡段。NO主要在火焰傳播段生成，而在焦炭燃盡段，由于焦炭的還原作用，NO排放量逐漸降低，此外，NO排放總量隨著一次風量的增加先減小后變大。

　　0前言

　　能源是人類社會文明和經濟發展的重要物質基礎，隨著世界人口的增長及社會經濟的發展，世界能源消耗量迅速增加。化石燃料燃燒產生的污染物導致的溫室效應及環境污染等問題已經成為全世界關注的焦點。我國的能源消耗結構以煤炭為主，而且在長時間內這種能源消耗結構不會改變。近年來，隨著能源的短缺和環境的惡化，我國正面臨著經濟可持續發展和環境保護的雙重壓力。生物質以其可再生性及CO₂的近零排放特性開始受到廣泛的關注。

　　工業鍋爐是我國第二大燃煤用戶，每年燃煤4億～5億t，污染物排放總量僅次于電站鍋爐。根據《大氣污染防治行動計劃》(國發(2013)37號))的要求，到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區基本淘汰10t／h及以下的燃煤鍋爐，禁止新建20t／h以下的燃煤鍋爐；其他地區原則上不再新建10t／h以下的燃煤鍋爐。根據相關文件精神和各地實際情況，各級地方政府紛紛出臺相應政策，淘汰落后工業鍋爐，大力開展工業鍋爐節能減排改造工作，將燃煤層燃工業鍋爐改造成燃生物質層燃工業鍋爐的現象非常普遍。由于生物質的物理化學特性不同于煤炭，生物質燃燒特性和污染物排放特l生必然不同于煤炭。本文在層燃單元體爐上研究了生物質成型燃料的NO排放特性，研究結果對指導生物質工業鍋爐改造和運行具有重要意義。

　　1生物質燃燒NO₂生成機理

　　1.1生物質中氮的賦存形式

　　在生物質中，氮主要以蛋白質、游離氨基酸、多膚、非蛋白氨基酸、核酸、生物堿、葉綠素、季氮及無機氮等形式存在，一般將這些含氮物分成兩大類：以蛋白質形式存在的蛋白質氮，剩下的統稱為非蛋白質氮。生物質中大量的氮存在于蛋白質中，蛋白質氮占生物質全氮的比重變化較大，最低占30％左右，而最高超過90％，故一般認為蛋白質氮是生物質中主要的含氮官能團。

　　1.2生物質燃燒NO₂生成機理

　　NO₂的生成機理主要有三種：熱力型NO₂、快速型NO₂和燃料型NO₂。熱力型NO₂的生成取決于空氣中的N₂與O原子的反應，快速型NO₂的生成依賴于N₂和CH₄自由基的反應，燃料型NO₂主要是由燃料N反應生成。在生物質燃燒生成的NO中，熱力型NO₂和快速型NO₂的貢獻很小(小于30％)，大部分NO₂是由生物質中的燃料N轉化而來的。

　　生物質燃料NO₂主要是通過揮發分N均相反應和焦炭N異相反應生成的。生物質燃燒可分為三個階段：脫揮發分、揮發分燃燒和焦炭燃燒。在脫揮發分階段，大量的含氮氣態產物揮發出來，揮發分N主要由HCN、NH₃和HCNO等NO₂前驅物組成。在揮發分燃燒階段，這些含氮氣態產物與周圍的自由基(O、OH、H)反應，經過一系列均相反應最終轉化為NO₂和N₂。脫揮發分階段產生的焦炭氮則在焦炭燃燒過程中通過一系列的異相反應也轉化為NO₂和N₂。

　　2生物質成型燃料NO排放特性試驗

　　2.1試驗裝置

　　生物質成型燃料NO排放特性試驗在層燃單元體爐上進行。層燃單元體爐采用拉格朗日法，用固定床燃燒來模擬實際層燃爐中燃料從著火到燃盡的燃燒過程，即用不同時間的測量值來模擬燃料在爐排中的特定位置。層燃單元體爐結構示意圖如圖1所示，試驗臺主體部分由上下兩部分爐體組成，上部爐體內裝有硅碳棒電加熱裝置，四段加熱，通過控制系統可對爐體上部空間進行加熱，最高加熱溫度可達1200℃；下部爐體為床層燃燒區域，試驗燃料裝在由耐火材料特制的正方形燃料框中，框的長寬高尺寸為20cm×20cm×12cm，陔框底部布滿直徑小于5mm的通風孔，便于空氣穿透床層；燃料框上部和底部均布置S形熱電偶，用于測試床層不同部位在燃燒過程中的溫度變化，通過與計算機的數據連接實現溫度數據的實時記錄。空氣由羅茲風機通過流量計控制自下方送人單元體爐。燃料框上方相隔一段距離是電加熱裝置和隔熱板。待電加熱裝置將上方封閉空間加熱至一定溫度后，抽離隔熱板，高溫輻射作用引燃燃料。尾部煙氣采用Testo350煙氣分析儀測試，NO測量范圍為0～3000ppm，響應時間為30S。生物質床層表面氣氛采用紅外煙氣分析儀GASBOARD-3100測量，主要對CH₄、H、CO、CO₂和O₂五種氣體組分進行在線連續測量。該儀器基于電化學和氣體對紅外光吸收的朗伯一比爾定律，測量精度<2％FS。

　　2.2試驗樣品

　　在一定溫度和壓力作用下，可將生物質壓縮為棒狀、塊狀或顆粒狀等生物質成型燃料。本研究采用的生物質成型燃料如圖2所示，其工業分析和元素分析如表1所示。

　　圖3為生物質成型燃料的熱解失重曲線。從圖3可以看出生物質成型燃料熱解分為三個階段：溫度低于140℃時，生物質處于預熱干燥階段；溫度高于200℃時，生物質進入揮發分的析出階段，由于生物質成型燃料揮發分含量高，該階段是失重的主要階段，失重速率也達到了最大；溫度高于400℃時，生物質進入炭化階段。

　　3結果與分析

　　圖4是生物質成型燃料在一次風為16m3／h時不同床層高度溫度隨時問變化曲線。圖4反映爐膛內床層溫度的變化及火焰向下傳播的速率。圖4表明床層最上方(床層高度28cm)溫度逐漸升高，生物質成型燃料被引燃，其燃燒產生的熱量及輻射熱沿床層高度逐漸向下傳播，不同床層高度溫度開始依次上升，下層的生物質成型燃料開始逐步干燥、熱解并引燃。

　　根據Porteiro的觀點，當熱電偶的溫度達到500℃時，即為火焰鋒面傳遞到該位置的標志。生物質成型燃料層燃分為兩個階段：火焰鋒面傳播段和焦炭燃盡段。生物質成型燃料被引燃后，火焰鋒面沿床層自上向下開始傳播，火焰鋒面在向下傳播的過程中，熱量通過熱輻射和熱傳導將下方未反應的燃料干燥、熱解并引燃，當熱解層到達爐排時，爐排上方只剩下焦炭層和灰層，焦炭的燃燒產生更多的熱量，使得爐膛的溫度略有上升。當焦炭燃盡之后，爐膛溫度迅速下降，層燃燃燒過程結束。

　　圖5是一次風為16m3／h的工況下床層氣氛和尾部煙氣成分變化圖。從圖5可以看出，NO主要是在火焰鋒面傳播段生成的，這是因為生物質成型燃料的揮發分含量非常高，大部分的燃料氮(揮發分氮)都是在這一過程參與反應，而且在火焰鋒面傳播階段不僅僅只有揮發分參與了反應，焦炭也有一部分參與燃燒反應，所以在火焰鋒面傳播階段參與反應的燃料的質量比例非常大，大部分的燃料氮在該過程參與了反應。火焰鋒面傳播階段結束之后進入焦炭氣化燃燒階段，該階段的反應主要是異相反應和均相反應的綜合效果。由于生物質成型燃料的焦炭含量較低，焦炭氮的數量也非常少，在維持原來的配風條件下，NO的濃度大幅降低，而焦炭的氣化燃燒階段本來較短，而且焦炭還可以對NO進行還原，使之轉化為N₂。所以，在經歷了短時間的反應之后，NO的濃度逐漸降低到很低的水平，直到燃燒結束。

　　通過固定二次風量，改變一次風的供給，最后測得并計算得到單位質量生物質成型燃料的NO生成總量，可得到不同一次風量下NO單位質量生成量變化趨勢，圖6為NO單位質量生成量隨一次風量變化曲線。從圖6可以看出，生物質成型燃料燃燒過程中的NO生成量隨一次風的增加先減小后增大。出現這種現象的主要原因是，在一次風量較低的情況下，生物質成型燃料的熱解過程中，比例較大的NH₃生成，由于此時氧氣濃度較小，少量的NH₃被氧化為NO，在適宜的溫度下，NH₃對所生成的NO進行了還原，剩余的大量NH₃會在接下來二次風氧量較大的情況下被氧化為NO；隨著一次風量的增加，在一次風燃燒區域，NH₃與NO有一個最佳的反應比例，使得NO的還原效率最高，因此在風量增加時，煙氣中NO的生成量有一個最低點；隨著一次風的不斷增大，在一次燃燒區域出現富氧的狀態，燃料氮的氧化更加明顯，生成的中間產物大部分被氧化為NO，所以風量較大時，NO的生成也快速上升。

　　從以上的實驗分析可以看出，在生物質成型燃料的燃燒過程中，并不是一次風量越低，NO的生成就會越少，而是在一個適當的一次風量下達到最低，與此同時，如果一次風量過低，床層上生成的CO就會越多，若此時二次風量不足或者混合不均勻，就會出現尾氣中CO含量過高的問題。因此在實際的鍋爐運行中，選擇適當的一二次風的配比以及良好的混合是生物質清潔燃燒的關鍵。

　　4結論

　　本文在層燃單元體爐上研究了生物質成型燃料層燃NO排放特性，試驗過程中采用熱電偶和煙氣分析儀監測床層不同高度的溫度變化及床層表面的氣氛。試驗結果表明，生物質成型燃料層燃分為火焰傳播段和焦炭燃盡段，NO主要在火焰傳播段生成，在焦炭傳播段，由于焦炭的還原作用，NO的濃度逐漸降低到很低的水平，直到燃燒結束。通過改變一次風量，我們發現，生物質成型燃料層燃NO排放隨著一次風量的增加，先下降后升高。