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摘 要： “生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐的設計及低 NO x 排放效果”命題的提出，是基于生物質成型顆粒燃料燃燒時所具有的特性以及燃燒過程中產生大量的 NOx等空氣污染物為前提的。三次配風鍋爐是通過控制配風的供給量，在爐膛內通過相關的還原反應，將 NO x 等空氣污染物轉化為清潔物質，進而減少空氣污染。本文首先介紹生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐結構原理的同時，通過生物質成型顆粒燃料—玉米秸稈的試驗，說明有效的改變三次配風的供給量，可以使得 NO x 生成濃度達到最小。
關鍵詞：生物質成型顆粒燃料；三次配風鍋爐；NO x ；還原反應
1、前 言
    生物質能源主要來源于農村，含量多，例如農作物秸稈、人畜糞便等，屬于可再生能源。其主要的組成成分為 C、O、N、S等元素，在直接利用過程中，無可避免會產生 NO x 等污染性氣體，且由于 N 的含量較多，產生大量 NO x 污染物，這嚴重影響大氣環境。實際上，在生物質能源燃燒的重點是的控制 NO x 氣體污染物的排放量，富通新能源生產銷售的秸稈顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料如下所示：     秸稈木屑顆粒機工作視頻如下所示：
    NO x 和硫氧化物的來源是揮發份通過析出、燃燒以及焦炭的燃燒所產生，因而我們可以通過改變爐膛內的燃燒方式，減少 NO x 等污染性氣體的排放。生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐是通過控制配風的供給量，改變三次配風的比例，在爐膛內，將 NO x 等空氣污染物通過還原反應，轉化為清潔物質，并通過不同的配風比例和過剩空氣系數，改變 NO x 等空氣污染物的排放量，這是鍋爐的設計的依據和參考。
2、生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐的結構設計
2.1生物質成型顆粒燃料的燃燒特性生物質成型顆粒燃料燃燒方式為靜態的、滲透式的、擴散燃燒。燃燒過程分為 5個階段，所需時間大約為 50min左右。第一階段是可燃性氣體在生物質成型顆粒燃料表面與氧氣發生化學反應，形成火焰；第二階段為生物質成型顆粒燃料在表層處進行過渡燃燒，形成較長火焰；第三階段是生物質成型顆粒燃料從表層進入想更深層滲透，進行碳燃燒，生成 CO；第四階段生物質成型顆粒燃料向更深一層燃燒，主要進行碳燃燒，生成 CO2，出現燃燼殼；第五階段是燃燼殼進一步加深，可燃物基本燃盡，灰球變暗紅色，完成整個燃燒過程。
    基于此燃燒特性，生物質成型顆粒燃料鍋爐都應包括灰室、爐排、爐膛、爐門、配風環、煙筒水套等組成，本文采用的是三次配風。鍋爐設計的重點是爐膛參數的確定，這是由于燃料的充分燃燒實在爐膛內充分進行的。確定爐膛大小的主要指標是爐膛容積熱負荷，也就是說，每立方米爐膛內每小時燃料燃燒的熱量。此外還有吊火高度（鍋爐低于爐排之間的垂直距離）的確定，它與燃料種類和鍋爐大小有關。本文主要運用的是三次配風的生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐。
2.2 生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐的結構原理在生物質成型顆粒燃料中，揮發份約在 70% 以上，它在層燃過程中逐漸析出，未燃燒的揮發份會隨著煙氣，在爐膛內進行流動。生物質成型顆粒燃料燃燒鍋爐包括設計層燃和氣化燃燒區兩部分，采取的三次配風方式可以提高燃燒的效率。三次配風鍋爐機構原理如圖 1所示。圖 1中，A1、A2、A3分別表示一次風入口、二次風入口以及三次風入口；Z1表示熱解氣化區；Z2和 Z3分別表示層燃區和氣化燃燒區。其中一次風經爐排低部進入，實現層燃燃燒；二次風經爐膛處進入，實現加快揮發份蠕動；三次風經氣化燃燒室進入，實現揮發份殘留物的徹底燃燒。具體流程是生物質成型顆粒燃料經爐膛進入熱解氣化區，在氧含量不足的前提下，生成半焦類固體以及還原性氣體，接著半焦類固體會隨著鏈條爐進入到層燃燃燒區，實現揮發份的充分的燃燒，釋放熱量的同時也伴隨大量的氮氧化物等氣體的產生。還原性氣體經熱解氣化區流入到氣化燃燒室，在二次風擾動的影響之下，還原性氣體與氮氧化物發生還原反應。氣體中未燃燒的揮發份則會進入氣化燃燒室，在三次風的作用下，充分燃燒。
3、生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐中低 NO x 排放的設計本文是通過具體的生物質成型顆粒燃料—玉米秸稈具體分析，是大家更加清楚的理解生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐中低 NO x 排放的設計。
3.1 試驗目的及條件本文采用的是玉米秸稈生物質成型顆粒燃料的三次配風鍋爐，通過改變配風的比例以及過程空氣系數，實現氮氧化物較低的排放濃度。在玉米秸稈生物質成型顆粒燃料的三次配風鍋爐的設計中，它的參考依據是：當鍋爐的三次配風以一次風、二次風和三次風以比例為 7：1：2條件下，過剩空氣系數為 1.75時，NO x 排放濃度最低為 83.45mg/m 3 ，且鍋爐的熱損失量也最小。本次試驗采用的玉米秸稈生物質成型顆粒燃料為 200kg/h。利用的是控制變量法，探索三次配風的比例、過剩空氣系數與 NO x 排放濃度的關系，實行當外界條件相同，只改變一個量，另一個固定不動的方式。
3.2 試驗過程及結果分析
    本次試驗首先是在過剩空氣系數為 1.75固定條件下，調節三次配風的比例，利用的儀器是 IMR-140益燃燒效率測定儀，測試三次配風對 NO x排放的影響。依據燃料充分燃燒的必要條件：首先在層燃區必須有足夠的空氣，因而一次風占有量至少為總值的 60% ；根據二次風的擾動揮發份的功能要求，其占有量應少于總值的 30% ；依據三次風實現剩余揮發份的充分燃燒的特點，其占有量為總值的 10耀30% 即可滿足條件。在過剩空氣系數為 1.75固定條件下，改變三次配風比例，所得的 NO x 排放濃度如表 1所示。
    根據表 1所示，改變三次配風比例，可以改變 NO x 排放濃度。當二次風所占的體積百分比為 10% 時，NO x 排放濃度最低。也就是說，當一次風、二次風和三次風進給比例為 7：1：2 條件下，NO x 排放濃度最低為83.45mg/m3。
    其次利用變化進氣風機頻率，改變過剩空氣系數，驗證其對 NO x 排放濃度的影響。隨著過剩空氣系數的增加，NO x 排放濃度的改變了如表 2所示。
表1 NOx排放濃度與三次配風比例的關系

序號	一次風體積百分比（%）	二次風體積百分比（%）	三次風體積百分比（%）	NOx排放濃度（mg·m-3）
R1	60	0	40	244.91
R2	60	10	30	148.76
R3	60	20	20	224.96
R4	60	30	10	299.34
R5	70	0	30	163.27
R6	70	10	20	83.45
R7	70	20	10	210.44
R8	80	0	20	259.42
R9	80	10	10	185.04

表2 過剩空氣系數與NOX、SO2排放濃度的關系

過剩空氣系數	煙氣容積（m3·h-1）	SO2質量濃度（mg·m-3）	No的質量濃度（mg·m-3）
1.25	1016.14	41.86	125.05
1.50	1193.94	34.86	100.45
1.75	1371.74	29.29	83.03
2.00	1549.54	25.42	67.65
2.25	1727.34	22.67	59.45
2.50	1905.14	20.44	49.20
2.75	2082.94	18.54	43.05

    根據表2可知，隨著過剩空氣系數增加，爐膛溫度降低，進而降低NO x 排放濃度下降。同時，二次風形成燃燒渦旋增加，增加還原性氣體與NO x 的接觸時間，促進還原反應的形成，降低 NO x 排放濃度。此外空氣的影響稀釋NOx，降低NOx 排放濃度。對于SO 2 來說，隨著過剩空氣系數增加，其排放質量基本不變，但由于燃燒過程中的稀釋作用，使得其表現出排放濃度隨著過剩空氣系數的增加而減少。在生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐中，煙塵的排放濃度與過剩空氣系數有關。這是由于隨過剩空氣系數的增加，爐膛中風速增大，使得灰粒脫離爐膛。根據具體的實驗數據可知，當過剩空氣系數為 1.5時，煙塵的排放質量濃度為 58.3mg/m 3，且隨著過剩空氣系數的增大，煙塵排放質量濃度也隨之增加，當過剩空氣系數為1.75時，煙塵排放質量濃度達到74.90mg/m 3 。
4、結論
    在生物質成型顆粒燃料鍋爐中，采用三次配風方式，通過改變三次配風比例，可以控制 NO x 排放濃度。當一次風、二次風和三次風進給比例為 7：1：2條件下，NO x 排放濃度最低為 83.45mg/m 3 。通過改變過剩空氣系數，也可實現 NOx排放濃度的改變。在過剩空氣系數值為 1.75左右，一次風、二次風和三次風的比例為 7：1：2時，可以實現生物質成型顆粒燃料三次配風鍋爐的設計及低 NO x 排放效果。
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