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、農作物秸桿、木炭、動物糞便和各種廢棄物等。世界衛生組織估計，每年大約有150萬人死于固體燃料燃燒引起的空氣污染。生物質燃料是一種清潔可再生燃料，但是需要用專門設計的燃燒爐具才能使其高效、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開展了大量的工作，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，它們的啟停時間較長，以本次試驗的生物質成型燃料爐為例，該爐點火所需時間約27min，熄火所需時間為15min。考慮到大部分家庭的作息時間，一天內該取暖爐工作時間約為4h，點火和熄火時間占整個工作時間的17. 5%。而且，點火和熄火過程為非穩態過程，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和熄火過程污染物排放規律，更全面的分析其性能，本文分析了點火和熄火過程中污染物(CO．NOx)排放量隨排煙溫度的變化關系，并通過比較冷爐點火過程和熱爐點火過程污染物排放規律的不同，提出了降低本爐點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了冷爐點火過程中CO、NO.和排煙溫度之間的規律，指出了降低污染物排放的新方向，富通新能源生產銷售
木屑顆粒機、
秸稈壓塊機等生物質燃料成型機械設備。
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、點火棒、引風機、貫流風機、料斗、螺旋給料器等組成，其結構如圖1所示。
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，點火棒開始工作，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，經過一小段時間，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。當爐膛溫度上升到一定值時，貫流風機功率自動加大。需要停爐時，按下停爐按鈕，引風機會隨之抽吸室外冷空氣冷爐。
2、試驗儀器和方法
2.1 試驗方法
在本次試驗中，點火過程定義為從燃燒室爐排上剛出現小火焰到排煙溫度達到穩態所對應的值時的過程，點火采用冷爐點火和熱爐點火兩種方式，冷爐點火是指在環境溫度下直接點火的方式，熱爐點火是指等爐子鼓風冷卻結束后再立即點火的方式。熄火過程定義為，按下停爐按鈕后，爐子自動鼓風冷爐過程。根據用木塊點燃的住宅空間加熱設備要求和試驗方法(EN 14785-2006),在環境溫度為9℃下，對該取暖爐點火和熄火過程煙氣中污染物(CO、NOx)的排放量和排煙溫度進行檢測。為了避開渦流區，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。為了保證數據的可靠性，每個排煙溫度所對應的污染物排放量，連續讀取兩次，再取其平均值。
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 III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，結果見表1。
3、結果與分析
采用熱爐點火的方式，初始爐膛溫度比環境溫度高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、過剩空氣系數有關，因此，本文通過對熱爐點火過程和冷爐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 冷爐點火過程
3.1.1 冷爐點火過程NOx；的排放規律
整個點火過程中，燃用秸稈成型燃料時，煙氣中的NO；含有NO和NOx（質量分數：2.6%～6.9%)，燃用木質成型燃料時，煙氣中的NOx只有NO。標準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：冷爐點火過程中，兩種成型燃料NO的排放呈相同規律。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。在排煙溫度上升到某一值（秸稈：39℃，木質：45℃）之前，爐排上火焰很小，NO的質量濃度緩慢上升，主要是因為隨著爐膛溫度的升高，燃料的揮發份析出不斷加快，釋放出的揮發分中含有NO的緣故。這段過程，生成的NO，絕大部分是析出的揮發份NOx。之后，隨著爐膛溫度的進一步升高，靠火焰前沿的傳播，使其余部分燃料達到著火燃燒，促使釋放出的NH3、HCN與充足的氧氣反應，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應的排煙溫度比燃用木質的要低。整個點火過程中，燃用木質成型燃料，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燃料的2倍，主要是因為木質燃料的含氮量高于秸稈燃料。而且，兩種燃料穩定燃燒時N0。的排放量高于點火過程的排放量。
3.1.2 冷爐點火過程CO的排放規律
生物質顆粒燃料的燃燒過程分為脫水、揮發分析出、揮發分燃燒、焦炭燃燒和燃燼階段，各個階段對應的溫度范圍不同。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的排放量出現了兩個峰值。當爐膛溫度達到一定值時，爐排上的料逐漸達到著火燃燒，這時由于爐膛溫度較低，燃料進行不完全燃燒，促進了CO的生成，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。與木質顆粒相比，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(30℃)比燃用木質顆粒的(34℃)要低。隨后，爐膛溫度逐漸升高，有利于CO的氧化反應，CO的質量濃度隨排煙溫度的升高而降低。當爐膛溫度上升到一定值時，貫流風機功率增大，強化了換熱，這時，爐排上的火焰極不穩定，CO的質量濃度隨排煙溫度近似呈直線關系增大，并達到第二個峰值。
由于爐膛溫度的進一步升高，有利于CO的氧化反應，而且，料層的厚度增厚，通風阻力增大，延長了煙氣的停留時間，由圖3可以看出，CO的排放量逐漸減小，并達到一定的穩定值。燃用玉米秸稈，當排煙溫度為53℃時，CO的排放量達到最大值(748 mg/m3)，整個過程平均質量濃度為385mg／m3，最后達到的穩定值為153 mg/m3；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(401mg／m3)，整個過程平均排放量為218 mg／m3，最后達到的穩定值為101mg／m3。由此可見，點火過程CO的排放量遠高于穩態燃燒時的排放量。
3.1.3 冷爐點火過程CO與NO質量比隨排煙
溫度的變化規律
冷爐點火過程CO與NO質量比隨排煙溫度的變化規律如圖4所示。
在冷爐點火的過程中，本文通過回歸分析得出，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NOx的質量比隨排煙溫度的升高呈指數關系減小；燃用木質顆粒，CO與NOx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；/C02和CO/C02的值接近為一個常數，對于不同的爐型，其值不同。本文采用文獻[9]的測量值，也得到與本次試驗相似的結果，見圖4。此外，Balland-Tremeer和Jawurekno]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，還尚待研究。
3.2熱爐點火過程
3.2.1熱爐點火過程NO.的排放規律
熱爐點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。
熱爐點火過程中，隨著排煙溫度的升高，NOx的質量濃度呈增大趨勢。燃用秸稈成型燃料時，NOx的排放量與排煙溫度近似呈線性關系，這與冷爐點火的規律不同。燃用木質成型燃料時，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，排放規律與冷爐點火相似。熱爐點火時，燃用木質顆粒，NOx的平均排放量為13.6 mg／m3，僅為冷爐點火的41%。而燃用玉米秸稈成型燃料，N0；的平均排放量為100.6mg，m3，比冷爐點火的要高。
3.2.2 熱爐點火過程CO的排放規律
熱爐點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。
熱爐點火過程，燃用玉米秸稈的CO排放規律與燃用木質的不同。燃用玉米秸稈時，隨著排煙溫度的升高，CO的質量濃度呈先增大后減小的趨勢，且排煙溫度達到一定值時，CO的生成趨于一穩定值，為144 mg／m3。當排煙溫度為89℃時，CO的質量濃度達到最大值，為360 mg／m3。燃用木質燃料時，排煙溫度由40℃上升到61℃的過程中，CO的質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的質量濃度成下降趨勢，且趨于一穩定值，為77 mg/m3。整個過程中，燃用玉米秸稈,CO的平均質量濃度為178mg/m3，為冷爐點火的46%;燃用木質燃料，CO的平均質量濃度為106mg／m3，為冷爐點火的48%。與冷爐點火相比，熱爐點火CO的質量濃度變化范圍要小，而且穩定燃燒達到的排煙溫度也高。
通過對點火過程結果的分析可知，點火過程中，co的排放量遠高于穩態時的濃度，采用熱爐點火的方式，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，加強爐體的保溫，有助于降低CO的排放。對于熱爐點火和冷爐點火過程NO，的排放，兩種燃料出現了不同的結果，因此，要想降低NO。的排放，對于不同的燃料，要采取不同的措施。
4、熄火過程
4.1 熄火過程NOx的排放規律
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，的質量濃度呈下降趨勢。排煙溫度從穩態時的值降到某一值（秸稈：118℃，木質113℃）時，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果，而且，N0；的質量濃度與排煙溫度近似呈線性關系。之后爐膛內火焰突然加長，且這一段過程，NO.的排放量趨于穩定。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，是燃用木質燃料的5倍。
4.2 熄火過程CO的排放規律
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，整個過程，C0的質量濃度變化較快。當排煙溫度降到75℃左右時，燃用兩種燃料的C0的排放量達到最大值，燃用木質燃料時為1 399 mg/m3，高于燃用秸稈燃料的1090mg／m3。這主要是因為燃用秸稈燃料時出現結渣現象，增大了通風阻力，延長了煙氣的停留時間，促進了CO的氧化。燃用木質燃料，co的平均質量濃度為488mg/m3，是穩態燃燒時的4.5倍；燃用秸稈CO的平均質量濃度為543 mg／m3，是穩態燃燒時的3.6倍。
通過對熄火過程的結果分析可知，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 論
1)通過對點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，點火和熄火過程中污染物排放規律和穩態時不同，點火過程，Nq的平均排放量比穩態時要低，而cO的平均排放量比穩態時要高。熄火過程，NO；的平均排放量很低，而CO的平均排放量是穩態的4倍左右。
2)通過比較冷爐點火和熱爐點火過程污染物排放規律的不同，可知，對于NO。的排放，玉米秸稈和木質的結果不同，因此，要想降低NO的排放，對于不同的燃料要采取不同的措施；加強爐體的保溫可以降低Co的排放。
3)冷爐點火過程中，燃用玉米秸稈成型燃料，CO與NO的質量比隨排煙溫度呈指數關系減小；燃用木質成型燃料，CO與NO，的質量比隨排煙溫度呈乘冪關系減小。因此，一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，其中的內在關系，尚待進一步研究。
