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,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)火和熄火過程為非穩(wěn)態(tài)過程,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)火和熄火過程中污染物(CO.NOx)排放量隨排煙溫度的變化關(guān)系,并通過比較冷爐點(diǎn)火過程和熱爐點(diǎn)火過程污染物排放規(guī)律的不同,提出了降低本爐點(diǎn)火過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,富通新能源生產(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)成型燃料爐工作過程;啟動(dòng)生物質(zhì)成型燃料爐的開關(guān),點(diǎn)火棒開始工作,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)過一小段時(shí)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(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^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。熄火過程定義為,按下停爐按鈕后,爐子自動(dòng)鼓風(fēng)冷爐過程。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)火和熄火過程煙氣中污染物(CO、NOx)的排放量和排煙溫度進(jìn)行檢測。為了避開渦流區(qū),煙氣采樣孔取在距法蘭下游方向6倍管徑處,如圖1中①所示。排煙溫度測點(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②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)行了測量,結(jié)果見表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?諝庀禂(shù)有關(guān),因此,本文通過對(duì)熱爐點(diǎn)火過程和冷爐點(diǎn)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 冷爐點(diǎn)火過程
3.1.1 冷爐點(diǎn)火過程N(yùn)Ox;的排放規(guī)律
整個(gè)點(diǎn)火過程中,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,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)火過程的排放量。
3.1.2 冷爐點(diǎn)火過程CO的排放規(guī)律
生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒過程分為脫水、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)火過程兩種成型燃料CO的排放量隨排煙溫度的變化趨勢如圖3所示。
冷爐點(diǎn)火過程中,兩種成型燃料CO的排放呈相似規(guī)律,整個(gè)過程中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來不及被氧化就離開爐膛,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,點(diǎn)火過程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)火的過程中,本文通過回歸分析得出,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;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]的測量值,也得到與本次試驗(yàn)相似的結(jié)果,見圖4。此外,Balland-Tremeer和Jawurekno]在分析燃用木質(zhì)燃料炊事爐的性能時(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?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)火過程
3.2.1熱爐點(diǎn)火過程N(yùn)O.的排放規(guī)律
熱爐點(diǎn)火過程兩種成型燃料NO:的排放量隨排煙溫度的變化趨勢如圖5所示。
熱爐點(diǎn)火過程中,隨著排煙溫度的升高,NOx的質(zhì)量濃度呈增大趨勢。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)火過程CO的排放規(guī)律
熱爐點(diǎn)火過程兩種成型燃料CO的排放量隨排煙溫度的變化趨勢如圖6所示。
熱爐點(diǎn)火過程,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,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,且趨于一穩(wěn)定值,為77 mg/m3。整個(gè)過程中,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。
通過對(duì)點(diǎn)火過程結(jié)果的分析可知,點(diǎn)火過程中,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、熄火過程
4.1 熄火過程N(yùn)Ox的排放規(guī)律
熄火過程兩種成型燃料NOx的排放量隨排煙溫度的變化情況如圖7所示。
熄火過程中,隨著排煙溫度的降低,NO,的質(zhì)量濃度呈下降趨勢。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,且這一段過程,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 熄火過程CO的排放規(guī)律
熄火過程兩種成型燃料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,而且,整個(gè)過程,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。
通過對(duì)熄火過程的結(jié)果分析可知,熄火過程,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)通過對(duì)點(diǎn)火和熄火過程中污染物(NOz,CO)排放量和排煙溫度的檢測,可知,點(diǎn)火和熄火過程中污染物排放規(guī)律和穩(wěn)態(tài)時(shí)不同,點(diǎn)火過程,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)通過比較冷爐點(diǎn)火和熱爐點(diǎn)火過程污染物排放規(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;燃用木質(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?諝庀禂(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。