0、引 言 全世界大約一半的人口燃用固體顆粒燃料做飯、燒水和取暖。固體燃料包括木材、農(nóng)作物秸桿、木炭、動(dòng)物糞便和各種廢棄物等。世界衛(wèi)生組織估計(jì)，每年大約有150萬(wàn)人死于固體燃料燃燒引起的空氣污染。生物質(zhì)燃料是一種清潔可再生燃料，但是需要用專門設(shè)計(jì)的燃燒爐具才能使其高效、清潔地燃燒。 國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者設(shè)計(jì)了多種生物質(zhì)爐并對(duì)其污染物排放規(guī)律開(kāi)展了大量的工作，積累了一些重要的研究方法和數(shù)據(jù)，但是，其結(jié)論幾乎都是基于生物質(zhì)爐的穩(wěn)定燃燒狀況。然而，對(duì)于體積較大的燃燒設(shè)備，它們的啟停時(shí)間較長(zhǎng)，以本次試驗(yàn)的生物質(zhì)成型燃料爐為例，該爐點(diǎn)火所需時(shí)間約27min，熄火所需時(shí)間為15min?？紤]到大部分家庭的作息時(shí)間，一天內(nèi)該取暖爐工作時(shí)間約為4h，點(diǎn)火和熄火時(shí)間占整個(gè)工作時(shí)間的17. 5%。而且，點(diǎn)火和熄火過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，期間，燃料進(jìn)行不完全燃燒，污染物排放規(guī)律與穩(wěn)態(tài)時(shí)不同。 為了得到該生物質(zhì)成型燃料爐點(diǎn)火和熄火過(guò)程污染物排放規(guī)律，更全面的分析其性能，本文分析了點(diǎn)火和熄火過(guò)程中污染物(CO．NOx)排放量隨排煙溫度的變化關(guān)系，并通過(guò)比較冷爐點(diǎn)火過(guò)程和熱爐點(diǎn)火過(guò)程污染物排放規(guī)律的不同，提出了降低本爐點(diǎn)火過(guò)程污染物排放量的方法，而且，還采用回歸分析的方法總結(jié)了冷爐點(diǎn)火過(guò)程中CO、NO.和排煙溫度之間的規(guī)律，指出了降低污染物排放的新方向，同創(chuàng)新能源生產(chǎn)銷售木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備。 1、生物質(zhì)成型燃料爐工作原理 試驗(yàn)用生物質(zhì)成型燃料爐額定功率為10kW，主要由爐膛、爐排、輻射及對(duì)流傳熱面、點(diǎn)火棒、引風(fēng)機(jī)、貫流風(fēng)機(jī)、料斗、螺旋給料器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 生物質(zhì)成型燃料爐工作過(guò)程；啟動(dòng)生物質(zhì)成型燃料爐的開(kāi)關(guān)，點(diǎn)火棒開(kāi)始工作，與此同時(shí)，螺旋給料器將料斗內(nèi)的生物質(zhì)顆粒輸送到燃燒室中的爐排上，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間，顆粒開(kāi)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(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)換熱器加熱由貫流機(jī)引入的室內(nèi)冷空氣，最后由引風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)排煙管道排到室外。產(chǎn)生的熱空氣從爐體的上部排出。當(dāng)爐膛溫度上升到一定值時(shí)，貫流風(fēng)機(jī)功率自動(dòng)加大。需要停爐時(shí)，按下停爐按鈕，引風(fēng)機(jī)會(huì)隨之抽吸室外冷空氣冷爐。 2、試驗(yàn)儀器和方法 2.1 試驗(yàn)方法 在本次試驗(yàn)中，點(diǎn)火過(guò)程定義為從燃燒室爐排上剛出現(xiàn)小火焰到排煙溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)所對(duì)應(yīng)的值時(shí)的過(guò)程，點(diǎn)火采用冷爐點(diǎn)火和熱爐點(diǎn)火兩種方式，冷爐點(diǎn)火是指在環(huán)境溫度下直接點(diǎn)火的方式，熱爐點(diǎn)火是指等爐子鼓風(fēng)冷卻結(jié)束后再立即點(diǎn)火的方式。熄火過(guò)程定義為，按下停爐按鈕后，爐子自動(dòng)鼓風(fēng)冷爐過(guò)程。根據(jù)用木塊點(diǎn)燃的住宅空間加熱設(shè)備要求和試驗(yàn)方法(EN 14785-2006),在環(huán)境溫度為9下，對(duì)該取暖爐點(diǎn)火和熄火過(guò)程煙氣中污染物(CO、NOx)的排放量和排煙溫度進(jìn)行檢測(cè)。為了避開(kāi)渦流區(qū)，煙氣采樣孔取在距法蘭下游方向6倍管徑處，如圖1中所示。排煙溫度測(cè)點(diǎn)取在距法蘭下游20mm處，熱電阻垂直伸至管中心線處，如圖1中所示。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)排煙溫度所對(duì)應(yīng)的污染物排放量，連續(xù)讀取兩次，再取其平均值。 2.2成型燃料的理化特性 試驗(yàn)中分別燃用玉米秸稈和木質(zhì)兩種成型燃料，粒徑分別為8.5和6.5 mm，長(zhǎng)度約為20 mm。試驗(yàn)前利用GR-3500型氧彈式熱量計(jì)、5E-MAG6600型工業(yè)分析儀和Vario EL III型元素分析儀分別對(duì)兩種燃料的低位發(fā)熱量、工業(yè)分析和元素分析值進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。 3、結(jié)果與分析 采用熱爐點(diǎn)火的方式，初始爐膛溫度比環(huán)境溫度高30左右，而且爐體的散熱量也不同。由于污染物的排放量與爐膛溫度、過(guò)?？諝庀禂?shù)有關(guān)，因此，本文通過(guò)對(duì)熱爐點(diǎn)火過(guò)程和冷爐點(diǎn)火過(guò)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 冷爐點(diǎn)火過(guò)程 3.1.1 冷爐點(diǎn)火過(guò)程N(yùn)Ox；的排放規(guī)律 整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中，燃用秸稈成型燃料時(shí)，煙氣中的NO；含有NO和NOx（質(zhì)量分?jǐn)?shù)：2.6%～6.9%)，燃用木質(zhì)成型燃料時(shí)，煙氣中的NOx只有NO。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下兩種成型燃料NOOOO的排放量(mg／ma)隨排煙溫度()的變化情況如圖2所示。 圖2表明：冷爐點(diǎn)火過(guò)程中，兩種成型燃料NO的排放呈相同規(guī)律。隨著排煙溫度的升高，NO的質(zhì)量濃度呈增大趨勢(shì)，且達(dá)到一定值時(shí)，NO的排放量趨于穩(wěn)定。這兩種燃料趨于穩(wěn)定時(shí)達(dá)到的排煙溫度和NO的排放量不同。在排煙溫度上升到某一值（秸稈：39，木質(zhì)：45）之前，爐排上火焰很小，NO的質(zhì)量濃度緩慢上升，主要是因?yàn)殡S著爐膛溫度的升高，燃料的揮發(fā)份析出不斷加快，釋放出的揮發(fā)分中含有NO的緣故。這段過(guò)程，生成的NO，絕大部分是析出的揮發(fā)份NOx。之后，隨著爐膛溫度的進(jìn)一步升高，靠火焰前沿的傳播，使其余部分燃料達(dá)到著火燃燒，促使釋放出的NH3、HCN與充足的氧氣反應(yīng)，生成燃料型NOx，加速了NO。的生成，因此，從圖Z可以看出，NOx的生成速度明顯加快。這段過(guò)程生成的NOx大部分是燃料型NOx。燃用玉米秸稈NO；生成速度開(kāi)始加快對(duì)應(yīng)的排煙溫度比燃用木質(zhì)的要低。整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程中，燃用木質(zhì)成型燃料，NOx的最高排放量為70.1mg/m3，平均排放量為33.1mg/m3；燃用秸稈成型燃料，NO，的最高排放量為126 mg／m3，平均排放量為70.4mg/m3。燃用秸稈成型燃料NOx的排放量是燃用木質(zhì)燃料的2倍，主要是因?yàn)槟举|(zhì)燃料的含氮量高于秸稈燃料。而且，兩種燃料穩(wěn)定燃燒時(shí)N0。的排放量高于點(diǎn)火過(guò)程的排放量。 3.1.2 冷爐點(diǎn)火過(guò)程CO的排放規(guī)律 生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒過(guò)程分為脫水、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒和燃燼階段，各個(gè)階段對(duì)應(yīng)的溫度范圍不同。其中，co的生成主要是在第三、四階段。冷爐點(diǎn)火過(guò)程兩種成型燃料CO的排放量隨排煙溫度的變化趨勢(shì)如圖3所示。 冷爐點(diǎn)火過(guò)程中，兩種成型燃料CO的排放呈相似規(guī)律，整個(gè)過(guò)程中co的排放量出現(xiàn)了兩個(gè)峰值。當(dāng)爐膛溫度達(dá)到一定值時(shí)，爐排上的料逐漸達(dá)到著火燃燒，這時(shí)由于爐膛溫度較低，燃料進(jìn)行不完全燃燒，促進(jìn)了CO的生成，而且，爐排上料層較薄，通風(fēng)條件好，煙氣停留時(shí)間短，生成的CO來(lái)不及被氧化就離開(kāi)爐膛，因此，煙氣中CO的質(zhì)量濃度逐漸增大。與木質(zhì)顆粒相比，玉米秸稈具有較低的活化能，揮發(fā)分析出速率快，易達(dá)到著火濃度而點(diǎn)燃，著火溫度低，因此，燃用玉米秸稈CO質(zhì)量濃度達(dá)到第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的排煙溫度(30)比燃用木質(zhì)顆粒的(34)要低。隨后，爐膛溫度逐漸升高，有利于CO的氧化反應(yīng)，CO的質(zhì)量濃度隨排煙溫度的升高而降低。當(dāng)爐膛溫度上升到一定值時(shí)，貫流風(fēng)機(jī)功率增大，強(qiáng)化了換熱，這時(shí)，爐排上的火焰極不穩(wěn)定，CO的質(zhì)量濃度隨排煙溫度近似呈直線關(guān)系增大，并達(dá)到第二個(gè)峰值。 由于爐膛溫度的進(jìn)一步升高，有利于CO的氧化反應(yīng)，而且，料層的厚度增厚，通風(fēng)阻力增大，延長(zhǎng)了煙氣的停留時(shí)間，由圖3可以看出，CO的排放量逐漸減小，并達(dá)到一定的穩(wěn)定值。燃用玉米秸稈，當(dāng)排煙溫度為53時(shí)，CO的排放量達(dá)到最大值(748 mg/m3)，整個(gè)過(guò)程平均質(zhì)量濃度為385mg／m3，最后達(dá)到的穩(wěn)定值為153 mg/m3；燃用木質(zhì)成型燃料，當(dāng)排煙溫度為33時(shí)，CO的質(zhì)量濃度達(dá)到最大值(401mg／m3)，整個(gè)過(guò)程平均排放量為218 mg／m3，最后達(dá)到的穩(wěn)定值為101mg／m3。由此可見(jiàn)，點(diǎn)火過(guò)程CO的排放量遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的排放量。 3.1.3 冷爐點(diǎn)火過(guò)程CO與NO質(zhì)量比隨排煙 溫度的變化規(guī)律 冷爐點(diǎn)火過(guò)程CO與NO質(zhì)量比隨排煙溫度的變化規(guī)律如圖4所示。 在冷爐點(diǎn)火的過(guò)程中，本文通過(guò)回歸分析得出，CO與NO.的質(zhì)量比有一定的規(guī)律性，對(duì)于燃用玉米秸稈燃料，CO與NOx的質(zhì)量比隨排煙溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系減小；燃用木質(zhì)顆粒，CO與NOx的質(zhì)量比隨排煙溫度的升高呈乘冪關(guān)系減小。Kituyi等在研究燃用木質(zhì)燃料生物質(zhì)爐的CO和NO：的排放規(guī)律時(shí)指出NO；/C02和CO/C02的值接近為一個(gè)常數(shù)，對(duì)于不同的爐型，其值不同。本文采用文獻(xiàn)[9]的測(cè)量值，也得到與本次試驗(yàn)相似的結(jié)果，見(jiàn)圖4。此外，Balland-Tremeer和Jawurekno]在分析燃用木質(zhì)燃料炊事?tīng)t的性能時(shí)，指出S02/CO接近一個(gè)常數(shù)。因此，可以推斷，一種污染物的排放量不僅與爐膛溫度、過(guò)?？諝庀禂?shù)有關(guān)，還與其他污染物的排放量有關(guān)，但是，其中的內(nèi)在關(guān)系，還尚待研究。 3.2熱爐點(diǎn)火過(guò)程 3.2.1熱爐點(diǎn)火過(guò)程N(yùn)O.的排放規(guī)律 熱爐點(diǎn)火過(guò)程兩種成型燃料NO：的排放量隨排煙溫度的變化趨勢(shì)如圖5所示。 熱爐點(diǎn)火過(guò)程中，隨著排煙溫度的升高，NOx的質(zhì)量濃度呈增大趨勢(shì)。燃用秸稈成型燃料時(shí)，NOx的排放量與排煙溫度近似呈線性關(guān)系，這與冷爐點(diǎn)火的規(guī)律不同。燃用木質(zhì)成型燃料時(shí)，排煙溫度在78之前，NOx的排放量緩慢上升，之后NO。的排放速度增大，排放規(guī)律與冷爐點(diǎn)火相似。熱爐點(diǎn)火時(shí)，燃用木質(zhì)顆粒，NOx的平均排放量為13.6 mg／m3，僅為冷爐點(diǎn)火的41%。而燃用玉米秸稈成型燃料，N0；的平均排放量為100.6mg，m3，比冷爐點(diǎn)火的要高。 3.2.2 熱爐點(diǎn)火過(guò)程CO的排放規(guī)律 熱爐點(diǎn)火過(guò)程兩種成型燃料CO的排放量隨排煙溫度的變化趨勢(shì)如圖6所示。 熱爐點(diǎn)火過(guò)程，燃用玉米秸稈的CO排放規(guī)律與燃用木質(zhì)的不同。燃用玉米秸稈時(shí)，隨著排煙溫度的升高，CO的質(zhì)量濃度呈先增大后減小的趨勢(shì)，且排煙溫度達(dá)到一定值時(shí)，CO的生成趨于一穩(wěn)定值，為144 mg／m3。當(dāng)排煙溫度為89時(shí)，CO的質(zhì)量濃度達(dá)到最大值，為360 mg／m3。燃用木質(zhì)燃料時(shí)，排煙溫度由40上升到61的過(guò)程中，CO的質(zhì)量濃度隨排煙溫度的升高而增大，排煙溫度由61上升到92的過(guò)程中，隨著排煙溫度的升高，CO的質(zhì)量濃度近似不變，維持在(125士18) mg／m3，之后，隨著排煙溫度的升高，CO的質(zhì)量濃度成下降趨勢(shì)，且趨于一穩(wěn)定值，為77 mg/m3。整個(gè)過(guò)程中，燃用玉米秸稈,CO的平均質(zhì)量濃度為178mg/m3，為冷爐點(diǎn)火的46%;燃用木質(zhì)燃料，CO的平均質(zhì)量濃度為106mg／m3，為冷爐點(diǎn)火的48%。與冷爐點(diǎn)火相比，熱爐點(diǎn)火CO的質(zhì)量濃度變化范圍要小，而且穩(wěn)定燃燒達(dá)到的排煙溫度也高。 通過(guò)對(duì)點(diǎn)火過(guò)程結(jié)果的分析可知，點(diǎn)火過(guò)程中，co的排放量遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)時(shí)的濃度，采用熱爐點(diǎn)火的方式，CO的排放量可以降低至原來(lái)的一半左右，而且，還提高了爐膛溫度，提高了熱效率。因此，加強(qiáng)爐體的保溫，有助于降低CO的排放。對(duì)于熱爐點(diǎn)火和冷爐點(diǎn)火過(guò)程N(yùn)O，的排放，兩種燃料出現(xiàn)了不同的結(jié)果，因此，要想降低NO。的排放，對(duì)于不同的燃料，要采取不同的措施。 4、熄火過(guò)程 4.1 熄火過(guò)程N(yùn)Ox的排放規(guī)律 熄火過(guò)程兩種成型燃料NOx的排放量隨排煙溫度的變化情況如圖7所示。 熄火過(guò)程中，隨著排煙溫度的降低，NO，的質(zhì)量濃度呈下降趨勢(shì)。排煙溫度從穩(wěn)態(tài)時(shí)的值降到某一值（秸稈：118，木質(zhì)113）時(shí)，爐膛中NO的排放量降低的速度很快，這是抽吸的冷空氣稀釋煙氣的結(jié)果，而且，N0；的質(zhì)量濃度與排煙溫度近似呈線性關(guān)系。之后爐膛內(nèi)火焰突然加長(zhǎng)，且這一段過(guò)程，NO.的排放量趨于穩(wěn)定。隨后，爐排上的余料燃盡，NO.的排放量逐漸降低為0。熄火過(guò)程，燃用木質(zhì)燃料，NO.的平均排放量為8.7 mg／m3；燃用秸稈，NO，的平均排放量為45.3 mg/m3，是燃用木質(zhì)燃料的5倍。 4.2 熄火過(guò)程CO的排放規(guī)律 熄火過(guò)程兩種成型燃料CO的排放量隨排煙溫度的變化情況如圖8所示。 熄火過(guò)程中，co的質(zhì)量濃度隨排煙溫度的降低呈先增大后降低的趨勢(shì)，而且，整個(gè)過(guò)程，C0的質(zhì)量濃度變化較快。當(dāng)排煙溫度降到75左右時(shí)，燃用兩種燃料的C0的排放量達(dá)到最大值，燃用木質(zhì)燃料時(shí)為1 399 mg/m3，高于燃用秸稈燃料的1090mg／m3。這主要是因?yàn)槿加媒斩捜剂蠒r(shí)出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，增大了通風(fēng)阻力，延長(zhǎng)了煙氣的停留時(shí)間，促進(jìn)了CO的氧化。燃用木質(zhì)燃料，co的平均質(zhì)量濃度為488mg/m3，是穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的4.5倍；燃用秸稈CO的平均質(zhì)量濃度為543 mg／m3，是穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的3.6倍。 通過(guò)對(duì)熄火過(guò)程的結(jié)果分析可知，熄火過(guò)程，NO的排放量很低，但是，C0的排放量卻很高，為此,Ozil等指出在煙道中安裝一種以氧化鋁為載體的催化劑，可以減排C0 70%左右。 5、結(jié) 論 1)通過(guò)對(duì)點(diǎn)火和熄火過(guò)程中污染物(NOz，CO)排放量和排煙溫度的檢測(cè)，可知，點(diǎn)火和熄火過(guò)程中污染物排放規(guī)律和穩(wěn)態(tài)時(shí)不同，點(diǎn)火過(guò)程，Nq的平均排放量比穩(wěn)態(tài)時(shí)要低，而cO的平均排放量比穩(wěn)態(tài)時(shí)要高。熄火過(guò)程，NO；的平均排放量很低，而CO的平均排放量是穩(wěn)態(tài)的4倍左右。 2)通過(guò)比較冷爐點(diǎn)火和熱爐點(diǎn)火過(guò)程污染物排放規(guī)律的不同，可知，對(duì)于NO。的排放，玉米秸稈和木質(zhì)的結(jié)果不同，因此，要想降低NO的排放，對(duì)于不同的燃料要采取不同的措施；加強(qiáng)爐體的保溫可以降低Co的排放。 3)冷爐點(diǎn)火過(guò)程中，燃用玉米秸稈成型燃料，CO與NO的質(zhì)量比隨排煙溫度呈指數(shù)關(guān)系減?。蝗加媚举|(zhì)成型燃料，CO與NO，的質(zhì)量比隨排煙溫度呈乘冪關(guān)系減小。因此，一種污染物的排放量不僅與爐膛溫度，過(guò)剩空氣系數(shù)有關(guān)，還與其他污染物的排放量有關(guān)，其中的內(nèi)在關(guān)系，尚待進(jìn)一步研究。