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摘 要： “生物質(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐的設(shè)計(jì)及低 NO x 排放效果”命題的提出，是基于生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒時(shí)所具有的特性以及燃燒過程中產(chǎn)生大量的 NOx等空氣污染物為前提的。三次配風(fēng)鍋爐是通過控制配風(fēng)的供給量，在爐膛內(nèi)通過相關(guān)的還原反應(yīng)，將 NO x 等空氣污染物轉(zhuǎn)化為清潔物質(zhì)，進(jìn)而減少空氣污染。本文首先介紹生物質(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐結(jié)構(gòu)原理的同時(shí)，通過生物質(zhì)成型顆粒燃料—玉米秸稈的試驗(yàn)，說明有效的改變?nèi)�次配風(fēng)的供給量，可以使得 NO x 生成濃度達(dá)到最小。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)成型顆粒燃料；三次配風(fēng)鍋爐；NO x ；還原反應(yīng)
1、前 言
    生物質(zhì)能源主要來源于農(nóng)村，含量多，例如農(nóng)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(huì)產(chǎn)生 NO x 等污染性氣體，且由于 N 的含量較多，產(chǎn)生大量 NO x 污染物，這嚴(yán)重影響大氣環(huán)境。實(shí)際上，在生物質(zhì)能源燃燒的重點(diǎn)是的控制 NO x 氣體污染物的排放量，富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料如下所示：     秸稈木屑顆粒機(jī)工作視頻如下所示：
    NO x 和硫氧化物的來源是揮發(fā)份通過析出、燃燒以及焦炭的燃燒所產(chǎn)生，因而我們可以通過改變爐膛內(nèi)的燃燒方式，減少 NO x 等污染性氣體的排放。生物質(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐是通過控制配風(fēng)的供給量，改變?nèi)�次配風(fēng)的比例，在爐膛內(nèi)，將 NO x 等空氣污染物通過還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為清潔物質(zhì)，并通過不同的配風(fēng)比例和過剩空氣系數(shù)，改變 NO x 等空氣污染物的排放量，這是鍋爐的設(shè)計(jì)的依據(jù)和參考。
2、生物質(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1生物質(zhì)成型顆粒燃料的燃燒特性生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒方式為靜態(tài)的、滲透式的、擴(kuò)散燃燒。燃燒過程分為 5個(gè)階段，所需時(shí)間大約為 50min左右。第一階段是可燃性氣體在生物質(zhì)成型顆粒燃料表面與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成火焰；第二階段為生物質(zhì)成型顆粒燃料在表層處進(jìn)行過渡燃燒，形成較長火焰；第三階段是生物質(zhì)成型顆粒燃料從表層進(jìn)入想更深層滲透，進(jìn)行碳燃燒，生成 CO；第四階段生物質(zhì)成型顆粒燃料向更深一層燃燒，主要進(jìn)行碳燃燒，生成 CO2，出現(xiàn)燃燼殼；第五階段是燃燼殼進(jìn)一步加深，可燃物基本燃盡，灰球變暗紅色，完成整個(gè)燃燒過程。
    基于此燃燒特性，生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐都應(yīng)包括灰室、爐排、爐膛、爐門、配風(fēng)環(huán)、煙筒水套等組成，本文采用的是三次配風(fēng)。鍋爐設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是爐膛參數(shù)的確定，這是由于燃料的充分燃燒實(shí)在爐膛內(nèi)充分進(jìn)行的。確定爐膛大小的主要指標(biāo)是爐膛容積熱負(fù)荷，也就是說，每立方米爐膛內(nèi)每小時(shí)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(guān)。本文主要運(yùn)用的是三次配風(fēng)的生物質(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐。
2.2 生物質(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐的結(jié)構(gòu)原理在生物質(zhì)成型顆粒燃料中，揮發(fā)份約在 70% 以上，它在層燃過程中逐漸析出，未燃燒的揮發(fā)份會(huì)隨著煙氣，在爐膛內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)。生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒鍋爐包括設(shè)計(jì)層燃和氣化燃燒區(qū)兩部分，采取的三次配風(fēng)方式可以提高燃燒的效率。三次配風(fēng)鍋爐機(jī)構(gòu)原理如圖 1所示。圖 1中，A1、A2、A3分別表示一次風(fēng)入口、二次風(fēng)入口以及三次風(fēng)入口；Z1表示熱解氣化區(qū)；Z2和 Z3分別表示層燃區(qū)和氣化燃燒區(qū)。其中一次風(fēng)經(jīng)爐排低部進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)層燃燃燒；二次風(fēng)經(jīng)爐膛處進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)加快揮發(fā)份蠕動(dòng)；三次風(fēng)經(jīng)氣化燃燒室進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)份殘留物的徹底燃燒。具體流程是生物質(zhì)成型顆粒燃料經(jīng)爐膛進(jìn)入熱解氣化區(qū)，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(huì)隨著鏈條爐進(jìn)入到層燃燃燒區(qū)，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)份的充分的燃燒，釋放熱量的同時(shí)也伴隨大量的氮氧化物等氣體的產(chǎn)生。還原性氣體經(jīng)熱解氣化區(qū)流入到氣化燃燒室，在二次風(fēng)擾動(dòng)的影響之下，還原性氣體與氮氧化物發(fā)生還原反應(yīng)。氣體中未燃燒的揮發(fā)份則會(huì)進(jìn)入氣化燃燒室，在三次風(fēng)的作用下，充分燃燒。
3、生物質(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐中低 NO x 排放的設(shè)計(jì)本文是通過具體的生物質(zhì)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(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐中低 NO x 排放的設(shè)計(jì)。
3.1 試驗(yàn)?zāi)康募皸l件本文采用的是玉米秸稈生物質(zhì)成型顆粒燃料的三次配風(fēng)鍋爐，通過改變配風(fēng)的比例以及過程空氣系數(shù)，實(shí)現(xiàn)氮氧化物較低的排放濃度。在玉米秸稈生物質(zhì)成型顆粒燃料的三次配風(fēng)鍋爐的設(shè)計(jì)中，它的參考依據(jù)是：當(dāng)鍋爐的三次配風(fēng)以一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)以比例為 7：1：2條件下，過剩空氣系數(shù)為 1.75時(shí)，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(yàn)采用的玉米秸稈生物質(zhì)成型顆粒燃料為 200kg/h。利用的是控制變量法，探索三次配風(fēng)的比例、過剩空氣系數(shù)與 NO x 排放濃度的關(guān)系，實(shí)行當(dāng)外界條件相同，只改變一個(gè)量，另一個(gè)固定不動(dòng)的方式。
3.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析
    本次試驗(yàn)首先是在過剩空氣系數(shù)為 1.75固定條件下，調(diào)節(jié)三次配風(fēng)的比例，利用的儀器是 IMR-140益燃燒效率測(cè)定儀，測(cè)試三次配風(fēng)對(duì) NO x排放的影響。依據(jù)燃料充分燃燒的必要條件：首先在層燃區(qū)必須有足夠的空氣，因而一次風(fēng)占有量至少為總值的 60% ；根據(jù)二次風(fēng)的擾動(dòng)揮發(fā)份的功能要求，其占有量應(yīng)少于總值的 30% ；依據(jù)三次風(fēng)實(shí)現(xiàn)剩余揮發(fā)份的充分燃燒的特點(diǎn)，其占有量為總值的 10耀30% 即可滿足條件。在過剩空氣系數(shù)為 1.75固定條件下，改變?nèi)�次配風(fēng)比例，所得的 NO x 排放濃度如表 1所示。
    根據(jù)表 1所示，改變?nèi)�次配風(fēng)比例，可以改變 NO x 排放濃度。當(dāng)二次風(fēng)所占的體積百分比為 10% 時(shí)，NO x 排放濃度最低。也就是說，當(dāng)一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)進(jìn)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(jìn)氣風(fēng)機(jī)頻率，改變過剩空氣系數(shù)，驗(yàn)證其對(duì) NO x 排放濃度的影響。隨著過剩空氣系數(shù)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(fēng)比例的關(guān)系

序號(hào)	一次風(fēng)體積百分比（%）	二次風(fēng)體積百分比（%）	三次風(fēng)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(shù)與NOX、SO2排放濃度的關(guān)系

過剩空氣系數(shù)	煙氣容積（m3·h-1）	SO2質(zhì)量濃度（mg·m-3）	No的質(zhì)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(jù)表2可知，隨著過剩空氣系數(shù)增加，爐膛溫度降低，進(jìn)而降低NO x 排放濃度下降。同時(shí)，二次風(fēng)形成燃燒渦旋增加，增加還原性氣體與NO x 的接觸時(shí)間，促進(jìn)還原反應(yīng)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(duì)于SO 2 來說，隨著過剩空氣系數(shù)增加，其排放質(zhì)量基本不變，但由于燃燒過程中的稀釋作用，使得其表現(xiàn)出排放濃度隨著過剩空氣系數(shù)的增加而減少。在生物質(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐中，煙塵的排放濃度與過剩空氣系數(shù)有關(guān)。這是由于隨過剩空氣系數(shù)的增加，爐膛中風(fēng)速增大，使得灰粒脫離爐膛。根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)過剩空氣系數(shù)為 1.5時(shí)，煙塵的排放質(zhì)量濃度為 58.3mg/m 3，且隨著過剩空氣系數(shù)的增大，煙塵排放質(zhì)量濃度也隨之增加，當(dāng)過剩空氣系數(shù)為1.75時(shí)，煙塵排放質(zhì)量濃度達(dá)到74.90mg/m 3 。
4、結(jié)論
    在生物質(zhì)成型顆粒燃料鍋爐中，采用三次配風(fēng)方式，通過改變?nèi)�次配風(fēng)比例，可以控制 NO x 排放濃度。當(dāng)一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)進(jìn)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(shù)，也可實(shí)現(xiàn) NOx排放濃度的改變。在過剩空氣系數(shù)值為 1.75左右，一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)的比例為 7：1：2時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)成型顆粒燃料三次配風(fēng)鍋爐的設(shè)計(jì)及低 NO x 排放效果。
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