新型生物质锅炉燃烧排放研究与环境效益分析*

张兴惠，翟雨轩，张聪，李曌，张宏

(太原理工大学土木工程学院，太原市，030024)

0 引言

随着我国社会的不断进步，生产力的不断发展，能源是其重要的推动力[1]。传统的煤炭、石油、天然气等化石能源的大量使用导致全球变暖、酸雨等环境问题的产生，越来越多的污染性气体被排放到大气环境中。为了替换这些传统能源，太阳能、风能、生物质能等可再生清洁能源得到了大量的开发与使用[2-3]。这其中生物质能在我国广大农村地区尤为丰富。我国农村耕地面积广阔，应用潜力巨大[4]。但是这些清洁能源并没有得到充分的利用，20%以上的农作物秸秆被直接焚烧或废弃[5]，不仅造成资源的浪费，还造成了大量环境污染。

生物质颗粒燃料是一种方便储存、燃烧效率高的燃料，是对秸秆资源的一种充分有效的利用。在欧美国家生物质颗粒燃料已经得到广泛的应用，尤其是家用的小型燃烧设备已经得到普遍推广[6]。目前国内外众多学者在生物质锅炉燃烧与氮氧化物的排放方面做了较多研究。Shu等[7]将木屑、稻壳和玉米芯3种材料分别放入反应器中进行再燃试验，研究了NO的还原效率，结果证明不同生物质燃料对NO的还原有很大影响，主要是因为热解气体各不相同。Zhou等[8]利用CFD模拟了生物质锅炉不同工况下的燃烧状况，研究认为改变不同过量空气系数和一、二次风量比等送风方式对燃烧热效率有很大影响。Caposciutti等[9]使用一台固定床生物质锅炉进行燃烧试验，研究了空气量和分流比对锅炉燃烧的影响。李英俊等[10]设计了一种针对生物质气化炉的灶头装置，通过燃烧性能测试证明其达到户用炊事气化炉的性能指标。郑元坤等[11]设计了一种基于前馈串级复合控制方法的生物质燃料锅炉的燃烧控制系统，通过试验验证取得了良好的效果。刘婷洁等[12]搭建小型民用炉实验台，通过试验研究了不同过量空气系数和燃料质量对NOX等污染物排放的影响。目前国内外学者对生物质颗粒燃烧均做出了不同程度的研究，为本文的试验设计提供了一定的理论基础。

本文研究设计了一种新型炉膛结构的家用生物质锅炉，在炉膛的二次燃烧区喷淋质量分数为10%的尿素溶液，通过控制过量空气系数和一、二次风量比，研究了所设计锅炉在不同工况下燃烧氮氧化物的排放情况，并且通过计算燃煤锅炉在相同条件下的氮氧化物排放量，对两种燃料锅炉进行环境效益对比分析。

1 实验台搭建及试验方法

1.1 锅炉实验台结构

生物质颗粒的燃烧一般有以下2个阶段：第一阶段，生物质颗粒燃料点火后热解，燃料中的有机物会分解成甲烷等可燃烧气体，释放出挥发分；第二阶段，生物质颗粒中的固定碳和释放出的挥发分在高温下燃烧[13]。若炉膛只有一次进风，表面层固定碳剧烈燃烧，在高温下灰渣形成熔融态并附着在尚未燃烧的固定碳表面上，形成致密的外壳，阻碍固定碳与氧气接触，不利于燃料的充分燃烧。因此炉膛需要引入二次进风，将炉膛内的燃烧过程分为一次燃烧阶段和二次燃烧阶段。与单一的一次燃烧相比，引入二次进风可以减少一次风量，适当降低一次燃烧温度，减少结渣率；所增加的二次进风可以促进生物质燃料挥发分充分燃烧，提高燃烧效率[8]。实验时所用燃料为红木压制成的生物质棒状颗粒燃料，燃料的长度大约为3～6 cm。其工业分析、元素分析与低位发热量如表1所示。

表1 实验燃料的工业分析、元素分析和低位发热量Tab. 1 Industrial analysis, elemental analysis and low calorific value of experimental fuels

本文研究设计的新型生物质锅炉的炉膛结构如图1所示。根据NB/T47062—2017《生物质成型燃料锅炉》[14]中要求，生物质锅炉容积热负荷应在100～140 kW/m3，过大或过小的炉膛容积均会导致生物质颗粒燃烧效率降低。据此，炉膛设计容积计算如式(1)所示。

(1)

式中：Qnet,ad——生物质燃料低位发热量，kJ/kg；

B——燃料消耗量，kg/h，取B=3 kg/h；

V——炉膛容积，m3；

q——炉膛容积热负荷，kW/m3。

图1 新型实验锅炉结构图Fig. 1 Construction of new experimental boiler1.一次风道 2.一次风室 3.二次风道 4.二次风室 5.烟道 6.炉台 7.进料口 8.炉膛 9.水套 10.炉排 11.灰室

本文设计的炉膛为沙漏形结构，底部直径为600 mm，炉膛高度为800 mm，中间断面缩小处为400 mm，在达到炉膛容积的要求下，尽可能节约所占空间。在沙漏型的炉膛中，下部截面积较大，可以容纳充足生物质燃料，提高锅炉温度，有助于生物质燃料充分一次燃烧，产生更多可燃性气体。生物质燃料由于挥发分含量较多，点火速度较快。炉膛中间部分截面积较小，可以增大可燃气体的流速，使得炉内高温气体与水套充分接触换热，提高对流换热效率。炉膛上部截面积较大，给予可燃气体燃烧空间。炉膛内火焰通过锥形拔火器后可集中上升至炉台灶口，满足日常家庭炊事要求。燃烧烟气在拔火器与灶口之间的圆形空间内扰动，碰触灰室内壁后使烟气中的灰尘颗粒物沉降，有助于降低所排放烟气中的颗粒物浓度，设计烟道截面为14 cm×14 cm的正方形，竖直放置使炉具在燃烧时形成烟囱效应，加强空气对流，促进燃烧烟气的排出，避免废气由炉台溢入室内。上部二次燃烧区开有二次进风孔，通过密闭风道穿过水套，外部连接二次风室。在二次进风口处缩小局部断面，并且在炉膛内燃烧区为负压，加快二次风口的进风速度，二次风从围绕炉膛一周的风口喷入后，由于风速加快，可以迅速与炉内挥发分等可燃气体混合，并且在二次燃烧区形成气体湍流，有助于可燃气体的二次充分燃烧，加强与水套的换热效率，形成良好的气流组织。锅炉实验台如图2所示。

图2 生物质锅炉实验台Fig. 2 Layout of biomass boiler test bed

为降低生物质颗粒燃烧时排放的NOX浓度，在炉膛的二次燃烧区连接有尿素喷淋系统。在炉膛内壁装有高压喷头，其后连接喷淋管道与水泵，将质量分数为10%的尿素溶液在炉膛的二次燃烧区呈雾状喷出，在加速后的二次气流下，其热解产物与氮氧化物等污染物质充分接触反应。

1.2 实验台搭建及试验方法

生物质锅炉燃烧实验台系统由生物质锅炉、风量控制系统、尿素喷淋系统、温度测试系统和烟气收集分析系统共同构成。试验采用testo-405-V1热线式风速仪测量一、二次风道中的风速，精度为±5%。测量燃烧温度时采用JK804多路温度测试仪，连接有K型热电偶，可测量0～1 300 ℃范围内的温度。本试验采用KM9106烟气分析仪，测量锅炉实验台不同燃烧工况下氮氧化物的实际排放值与实测氧含量。

试验时改变球阀开度的大小，观察热线式风速仪的读数来控制通入炉膛中的空气量，以此来调节过量空气系数，以及改变一、二次风道中球阀开度的比例来控制一、二次风量比，以此来调控不同的试验燃烧工况。试验首先研究一、二次风量比为1∶1时，不同过量空气系数对生物质锅炉NOX排放浓度的影响，得出最适宜燃烧脱氮的过量空气系数。在此基础上调节一、二次风道的阀门开度，分别设置一、二次风量比为4∶6、5∶5(空白对照组)、6∶4和7∶3，通过试验比较得出氮氧化物折算值最低时锅炉的燃烧工况。

1.3 试验参数计算

在试验中，生物质颗粒燃料燃烧所需要的理论空气量[15]

(2)

式中：C、H、O、S——生物质颗粒燃料中碳、氢、氧、硫各元素的质量分数，%。

代入表1中数据计算得出试验燃料的理论空气量L0为4.34 m3/kg，结合式(3)可以计算得出过量空气系数[15]

(3)

式中：L1——通入锅炉实际空气量，m3/kg。

试验中采用4种过量空气系数分别是α=1.0(空白对照组)、α=1.1、α=1.2、α=1.3。通过测量不同过量空气系数下烟道内的氮氧化物浓度与氧含量，根据GB13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》[16]计算得出氮氧化物基准氧含量折算值，计算方法如式(4)所示。

(4)

式中：ρ——NOX基准氧含量折算浓度，mg/m3；

ρ′——NOX实际测量排放浓度，mg/m3；

φ(O2)——基准氧含量，%，取值参考燃煤锅炉，为9%；

φ′(O2)——实测氧含量，%。

2 结果分析

2.1 过量空气系数对氮氧化物排放浓度的影响

由表2可知，随着α的增大，氮氧化物的折算浓度平均值分别为157.82 mg/m3、143.64 mg/m3、171.51 mg/m3，201.23 mg/m3，呈现先降低后升高的趋势；当α=1.1时，NOX折算浓度最低。

表2 不同α下氮氧化物排放状况Tab. 2 NOX emissions at different α

生物质燃料燃烧时，燃料内部的N元素少部分留在固态焦炭中，形成焦炭氮，大部分均转化成挥发分氮，随着一次燃烧热解生成的挥发分进入二次燃烧区[17]。当α为1时，通入炉膛的空气量较低，生物质燃料燃烧不充分，有一部分挥发分氮来不及燃烧便进入烟道，导致NH3、HCN等气相氮生成较少。此时喷淋的尿素溶液热解后生成的大量HNCO、NCO等中间产物相对于气相氮的量过多，有一部分过量的NCO在烟道中发生氧化反应[18]，被氧化生成NO等污染物质，反而增加了NOX排放浓度。其反应方程如式(5)和式(6)所示。

4NH3+5O2→4NO+6H2O

(5)

NCO+O2→NO+CO2

(6)

当α增大至1.1后，观察到烟气氧含量相比α=1时由12.7%降低至12.3%，说明过量空气系数为1.1时，燃料燃烧获得充足空气，炉膛内温度升高，物质颗粒的燃烧效率增加，挥发分氮充分燃烧生成大量气相氮，与尿素溶液热解生成的中间产物反应更加完全，所以烟道内的NOX排放浓度有所降低。继续增大α后可以看到NOX的排放浓度先升高后降低，α=1.2时烟气氧含量略微增加至12.54%，但当α=1.3时烟气氧含量显著增加，测得其值为14.28%。在一定温度范围内，炉膛内温度升高会促进NOX中间产物的生成，导致NOX排放浓度升高。推测试验中α=1.2时炉膛内温度要高于α=1.1，因此NOX排放浓度有所增加。随着α的继续增大，过多的空气通入炉膛中，反而降低了炉膛内温度，不利于挥发分的燃烧，虽然NOX排放浓度有所下降，但是因为烟气氧含量较大导致计算得出的NOX折算浓度显著升高。

2.2 一、二次风量比对氮氧化物排放浓度的影响

由2.1节可知，当过量空气系数为1.1时，测量计算得出NOX折算浓度最低，在此基础上研究分析改变一、二次风量比对NOX排放浓度的影响。由表3可知，不同一、二次风量比下NOX平均排放浓度随着二次风比例的减小呈现先升高后降低的趋势。当二次风比例占总风量的60%时，其NOX排放浓度平均值为74.5 mg/m3。增大一次风量的比例，直到一、二次风量比相同，此时NOX的排放浓度为83.08 mg/m3。当一次风比例增大至60%后，NOX排放浓度平均值最大；继续增大到70%后，可以看出NOX平均排放浓度有所下降。

表3 不同一、二次风量比下氮氧化物排放状况Tab. 3 NOX emissions at different ratio of primary and secondary air

二次风量比例对锅炉燃烧与其氮氧化物排放具有很大影响，本试验通过在炉膛的一次燃烧区与二次燃烧区布置耐高温热电偶，连接多通道温度检测仪来测量炉膛内燃烧温度。如图3所示，当一次风比例逐渐增大时，炉膛内的一次燃烧温度和二次燃烧温度均逐渐升高。在一、二次风量比为6∶4时，炉膛内一次燃烧温度和二次燃烧温度均达到最高值，分别为790.3 ℃和842.1 ℃，一次风量比例继续增大至70%后，炉膛内温度迅速下降。由此可以看出一、二次风量比为6∶4时最适合炉膛内生物质燃料燃烧。分析生物质燃料燃烧生成氮氧化物的过程可以得出，随着燃烧温度的升高，挥发分析出更加完全，更多的挥发分氮在燃烧过程中生成NO等污染物。当一、二次风量比为4∶6时，二次风量相对于燃料二次燃烧有些过多，一次风量较少，导致燃料不能充分燃烧，挥发分不能完全析出，二次燃烧温度低，因此NOX排放浓度较低，烟道中氮氧化物折算排放浓度很低。炉膛内燃烧温度升高后，燃料能够燃烧更加完全，增加了气相氮的反应生成速率，烟气氧含量逐步降低，NOX排放浓度明显增加。但是随着温度的升高，氮氧化物排放浓度增速降低，二次风量所占比例为50%时相较比例为60%时NOX平均排放浓度升高8.58 mg/m3，而二次风比例达到40%时燃料燃烧后NOX平均排放浓度仅上升不足1 mg/m3。根据宋姣等[19]的研究可知，这是因为燃料完全燃烧会导致炉膛内的氧气浓度有所降低，氧化气氛逐渐转变为还原性气氛，使得一些氮氧化物被还原。若继续升高一次风的比例，使得二次风比例仅为30%，如此不利于燃料挥发分的二次燃烧，同时过多一次风量也会降低炉膛温度，使得炉内燃烧状况变差，测量得出烟气氧含量为15.56%，NOX平均排放浓度只有57.08 mg/m3。

图3 不同一、二次风量比对燃烧温度的影响Fig. 3 Effect of different ratio of primary and secondary air on combustion temperature

3 环境效益分析

煤炭能源是我国能源消费中的重要组成部分，平均每年的消耗量达到3×109t[20]。在清华大学建筑节能研究中心所做的《中国建筑节能年度发展研究报告》(2020)中提出2018年我国农村住宅一年商品能耗达到2.16亿tce[21]。煤炭中N元素和S元素的含量为0.41%和0.56%[22]，相比之下生物质颗粒中的S元素含量只有0.01%，远远低于煤炭中的S含量。因此在燃烧过程中生物质颗粒排放的硫氧化物相比于煤炭非常少，试验中测得SO2的排放浓度基本低于50 mg/m3。使用生物质燃料代替传统煤炭可降低SO2等硫氧化物的排放量，减少酸雨的形成和对人呼吸系统的危害。但是生物质颗粒中的N元素含量多于煤炭，若不加处理燃烧时会排放大量氮氧化物。

首先需要估算农村燃煤锅炉NOX排放量。方品贤[23]在《环境统计手册》中介绍了燃煤锅炉NOX排放量的计算方法，见式(7)。

GNOX=1.63·B′·(N·β+0.000 938)

(7)

式中：GNOX——燃煤锅炉NOX排放量，t；

B′——煤炭消耗量，t；

N——燃料煤炭中的N元素含量，取N=0.41%；

β——燃料中N向NOX的转化率，取β=0.25。

计算得出我国农村燃煤锅炉NOX排放量为690 000 t。

计算本文中生物质锅炉NOX的燃烧排放量需要用到《污染源普查产排污系数手册》[24]中生物质颗粒燃料燃烧废气排污系数6 240.28 m3/t。前文中通过试验分析得出所设计的农村家用生物质锅炉搭配尿素喷淋系统每消耗3 kg燃料NOX折算排放浓度为141.74 mg/m3，根据国家规定标准煤热值为7 000 kcal/kg，试验中所用到生物质颗粒热值为17 540 kJ/kg，换算后得出若将农村住宅商品能耗全部用生物质颗粒代替，需消耗3.61×108t燃料。通过废气排污系数可计算出生物质锅炉燃烧时排放的烟气量，由此可以换算得到生物质锅炉燃烧时NOX的排放量，计算方法如式(8)所示。

(8)

Vf——废气量排污系数，m3/t；

B″——生物质颗粒消耗量，t；

ρ——生物质颗粒NOX折算排放浓度，mg/m3。

计算得出生物质锅炉NOX排放量为106 400 t。

如今农村使用的小型生物质锅炉基本没有NOX处理设施，根据《污染源普查产排污系数手册》中无处理手段时生物质燃料NOX排污系数为1.02 kg/t,计算得出没有尿素喷淋处理时试验锅炉NOX排放量为368 000 t。因此本文所设计的生物质锅炉系统相对于常见无处理设施锅炉可有效减少NOX排放浓度，并且满足山西省DB14/1929—2019《锅炉大气污染物排放标准》中规定非城市区生物质锅炉氮氧化物150 mg/m3的排放限值。相比于燃煤锅炉，满足相同供暖热负荷下生物质锅炉的燃料消耗量要更多，但是传统燃煤锅炉的NOX排放量是本文新型家用生物质锅炉排放量的6倍，可见在二次燃烧区喷淋质量浓度为10%的尿素溶液时新型炉膛结构生物质锅炉可显著减少NOX的烟气污染。

4 结论

本文改变不同过量空气系数和一、二次风量比来研究在二次燃烧区喷淋尿素溶液后NOX的排放情况，分析试验数据并计算其环境效益，并与燃煤锅炉对比可得出以下结论。

1) 当过量空气系数α过小时，炉膛内为缺氧燃烧，燃料燃烧不完全，喷淋的尿素溶液无法完全反应，会增加污染物的排放；当α过大时，过量的空气反而会降低炉膛内燃烧温度，增大烟气氧含量，不利于生物质燃料的燃烧，使得NOX折算浓度计算值增大。当α=1.1时，试验测得NOX折算浓度为143.64 mg/m3，此时NOX排放浓度最低，最有利于锅炉脱氮。

2) 随着一、二次风量比的增大，NOX排放浓度呈现先增大后减小的趋势，当一、二次风量比为6∶4时，其NOX折算浓度达到最高值141.74 mg/m3，但此时生物质锅炉的燃烧温度最高。

3) 生物质锅炉燃烧排放硫氧化物的量相比传统燃煤锅炉显著减少。本文中新型炉膛结构的农村家用生物质锅炉搭配尿素喷淋系统所排放的NOX是传统燃煤锅炉的1/6，是无烟气处理设施的小型生物质锅炉的1/3，具有良好的环境效益，为山西以及我国北方农村地区清洁供暖做出一定贡献。