楊國鋒 1, 餘有芳 2, 盛奎川1
(1.浙江大學生物系統工程與食品科學學院, 杭州310058; 2.浙江商業職業技術學院應用工程學院, 杭州310053)
摘要: 為探明進料速率對生物質顆粒燃燒過程中煙氣成分及汙染物排放的影響規律, 以5G-20/85-0.23型生物質顆粒燃燒器為對象, 研究進料方式為進2s停13s, 進2s停15s, 進2s停17s, 進2s停19s, 進2s停21s (分別用2/13, 2/15, 2/17, 2/19, 2/21表示) , 相應的平均進料速率為6.9, 6.2, 5.5, 5.0和4.5kg/h時, 煙氣中CO, O 2和NO x含量的變化, 考察CO和NO x含量隨運行時間的波動及兩者排放量之間的關係. 結果表明: 進料速率從6.9kg/h(2/13)降低到5.0kg/h(2/19)時, 煙氣中CO含量逐漸減小, 在5.0kg/h時達到最小值66mg/Nm 3; NO x含量變化與CO相似, 在進料速率為5.0kg/h(2/19)時達到最小值8.8mg/Nm 3; 在進料速率為6.9kg/h(2/13)時煙氣中CO含量隨運行時間的波動最大; 在不同進料速率下CO含量均呈周期性波動, 波動周期與進料周期基本吻合, 而NO x含量隨運行時間的波動幅度較小. 總體而言, 平均進料速率為5.0kg/h, 即進2s停19s的進料方式能夠明顯降低汙染物的排放.
生物質顆粒成型燃料是以木屑, 秸稈等農林廢棄物為原料, 利用機械設備壓縮成圓柱顆粒狀且質地堅實的成型物, 可作為工業鍋爐, 炊事爐灶, 民用取暖爐和農業加溫的燃料, 具有體積小, 能量密度大, 便於運輸和貯藏等優點. 隨著我國可再生能源開發利用與節能減排政策的實施, 生物質顆粒燃料的生產和銷售已進入商業化運營階段, 大規模使用生物質顆粒燃料方興未艾, 有些地區甚至出現顆粒燃料供不應求的局面.
近年來, 生物質顆粒燃料燃燒器在小型熱水鍋爐, 農業溫室和養殖設施的加溫熱風爐, 家用取暖爐等領域得到了廣泛應用. 然而, 目前大部分燃燒器的工況參數設置存在較多不合理之處, 導致在使用過程中煙氣汙染物排放量大, 制約了其推廣應用. 王月喬等 [1]在生物質顆粒燃料適應性研究中發現, 燃燒器顆粒物排放通常在98mg/Nm 3左右, 煙氣格林曼黑度為Ⅱ級. 張學敏等 [2]研究在不同進料方式下燃燒器在燃燒過程中的排放特性發現, 煙氣中CO含量通常在800mg/Nm 3左右, NO x含量在134mg/Nm 3左右. 可見, 現存的大多數顆粒燃燒器在使用過程中煙塵濃度和CO排放值偏高, 因此, 有必要研究燃燒器工況參數與汙染物排放量之間的關係, 以便為顆粒燃料的清潔燃燒及達標排放提供科學依據.
進料速率是顆粒燃燒器的重要工況參數之一, 與燃燒器熱負荷和汙染物排放量直接相關. 燃燒器經優化設計並加工定型後, 燃燒室和進風量配置等結構參數就已被確定, 因此, 進料速率的合理調控成為關鍵因素. 進料速率過大會導致供氧不足, 煙氣中CO, NO x等汙染物排放量高, 汙染環境 [3]. 進料速率過小既達不到需要的熱負荷, 又因供入空氣量過多, 導致可燃氣體在爐膛中停留時間過短, 引起不完全燃燒, 同樣會增加汙染物排放[4].
DIAS等 [5]在研究進料速率與CO含量的關係時發現, 在過量空氣係數不變的情況下, 當進料速率從5kg/h逐漸增加到6kg/h時, 煙氣中CO含量逐漸降低, 隨著進料速率的繼續增加CO含量又開始升高. 另外, 有學者研究發現, 在進料速率增加的初始階段通入爐膛內的空氣未被完全利用, 隨著進料速率的繼續增加使其充分利用, CO含量開始降低, 當進料速率超過某個臨界值後, 爐膛內出現了缺氧燃燒, CO含量再次升高 [6-7]. 綜上, 現有研究主要集中在進料速率對CO排放的影響, 而進料速率對NO x排放的影響卻鮮見報道, 且煙氣中汙染物含量隨燃燒器運行時間的波動特徵尚不清楚. 因此, 本文以一種小型熱水鍋爐配套的生物質顆粒燃燒器為對象, 研究顆粒燃料進料速率對煙氣中CO和NO x等含量的影響, 考察CO與NO x排放量隨燃燒器運行時間的波動特徵及變化規律, 為合理選擇進料速率, 降低生物質顆粒在燃燒過程中汙染物的排放提供理論依據.
1材料與方法
1.1試驗材料
生物質顆粒燃料取自浙江省金華市浙江紅永燃料加工廠, 原料主要為杉木, 松木等木材加工剩餘物. 顆粒燃料的平均直徑為9.0mm, 密度為1200kg/m 3; 其工業分析成分, 元素組成和熱值見表1. 其中: 工業分析成分根據《固體生物質燃料工業分析方法》 (GB/T 28731—2012) 測定; 熱值根據《生物質固體成型燃料試驗方法》 (NY/T 1881.1—2010) 測定; C, H和N含量採用元素分析儀 (EA1112, CarloErba公司, 意大利) 測定, O元素質量分數用100減去C, H, N, S和乾燥基灰分百分含量計算獲得. 顆粒燃料在室內乾燥陰涼處用塑料密封袋貯藏保存, 試驗時取用.
1.2試驗平台和儀器設備
1.2.1生物質顆粒燃燒器試驗平台
以浙江省蘭溪市田農新能源科技有限公司製造的5G-20/85-0.23型生物質顆粒熱水鍋爐中使用的燃燒器為基礎, 本課題組自行設計搭建成生物質顆粒燃燒器試驗平台, 主要由爐體, 進料系統, 調控及檢測儀器等組成, 其結構示意圖如圖1所示. 爐體由內及外依次為爐膛隔熱層和保溫層, 爐體從底部到上部依次是灰渣收集室→爐排 (一次進風口) →燃燒室→二次進風口→冷卻水管等; 採用軸向平行的雙螺杆進料機構; 風量調節及檢測儀器主要有: 130FLJ2WYD4-2離心風機 (上海新興機電集團有限公司) , SLDLUGB-DN40智能一體式渦街流量計 (南京順來達儀錶有限公司) , 實驗室自製的手動風量蝴蝶閥調節裝置 (管道內徑110mm, 長度1200mm) .
1.2.2燃燒器工作流程
將一定量的顆粒加入料倉中, 啟動電源後按設定好的程序運行, 依次為: 送料 (20s) →點火 (4min) →點火成功, 正常運行 (間隙進料) →穩定燃燒→停止進料, 繼續燃燒15min後結束. 進料機構採用間歇進料 (周期進料) 方式送料, 即上螺杆按工作幾秒停頓幾秒為一個周期, 下螺杆則連續運轉. 採用雙螺杆機構與間隙進料的主要目的是有效防止燃燒室回火而 '返燒' 料倉內的顆粒燃料[8].
1.3試驗方法
1.3.1煙氣成分測定
煙氣中CO, NO, NO 2, NO x和O 2含量檢測: 參考《固定汙染源排放煙氣連續監測系統技術要求及檢測方法》 (HJ/T 76—2007) , 用Testo350煙氣分析儀 (Testo公司, 德國) 完成. 該檢測儀的NOx含量為NO與NO 2之和. 根據檢測儀要求, 待燃燒器運行穩定後 (爐膛溫度幾乎不變) , 將煙氣探針固定在距離爐體上方50cm, 並與煙囪橫截面呈30~ 45°夾角處. 測量前校準煙氣分析儀, 檢測時間5min, 採樣頻率10s/次, 自動保存每10s內各煙氣成分的平均值, 最大值, 最小值等數據.
1.3.2進料量設定
1.3.3一次進風與二次進風流量的測定
一, 二次進風分別由2個相同型號的離心風機提供, 在風機進風口前端安裝調節風量大小的蝴蝶閥, 風機出風口前端15倍直徑 (60cm) 處安裝渦街流量計用於測量氣體流量. 二次風比例以二次風量/總風量表示, 總風量為一次與二次風量之和.
1.3.4顆粒燃料燃燒的理論空氣量
1.4試驗設計
根據前期預試驗結果, 當平均進料速率為6.2kg/h (進2s停15s) 時, 汙染物排放處在一個相對合理的範圍內, 故將進料方式設為進2s停15s (6.2kg/h) , 一次風量, 二次風量分別為47.2m 3/h, 38.1m 3/h, 即二次風比例為0.4, 以過量空氣係數為2.5進行試驗, 結果顯示, CO質量濃度為193mg/Nm 3, NO x質量濃度為72mg/Nm 3, 均低於國家相關標準: 說明在此工況下各參數處在一個相對合理的範圍內. 保持其他參數不變, 僅增大進料速率, 選擇進4s停15s (10kg/h) 的進料方式進行試驗, 結果顯示CO質量濃度高達3293mg/Nm 3, 遠超相關汙染物的國家排放標準. 因此, 在不同進料速率下通過風量調節閥, 改變一次風與二次風進風量, 以保持二次風比例0.4和過量空氣係數2.5不變, 選取間隙進料變化梯度為進2s停13s, 進2s停15s, 進2s停17s, 進2s停19s, 進2s停21s (分別用2/13, 2/15, 2/17, 2/19, 2/21表示) , 相應的平均進料速率為6.9, 6.2, 5.5, 5.0和4.5kg/h.
2結果與討論
2.1煙氣中CO和O 2含量
2.1.1進料速率對煙氣中CO和O 2含量的影響煙氣中CO含量直接反映揮發分的析出和燃燒狀況, 在不同進料速率下煙氣中CO和O 2含量見圖2. 從中可知, 隨著進料速率的減小, 煙氣中CO濃度先降低後增加, 這與已有的研究結果 [11-13]相似.
進料方式在2/13~ 2/19之間變化時CO含量逐漸降低: 說明隨著平均進料速率的減小, 爐膛內燃燒狀況得到改善, 燃燒更加充分. 這主要是由於過量空氣係數和二次風比例保持不變, 進料速率的降低增加了送風中O 2與揮發分的混合時間, 使兩者混合更加充分 [14]. 進料方式從2/17變為2/19時, CO從146mg/Nm 3直接降到66mg/Nm 3, 降低了55%: 說明在此變化過程中釋放的CO含量大幅減少並且揮發分燃燒更加完全. 在進料方式為2/21時CO含量明顯升高, 增加了2倍以上, 出現最大值 (205mg/Nm 3) . 這是因為在進料速率繼續降低後, 爐柵上方的顆粒燃料層出現 '燒穿' 現象, 也即通過爐柵下方進入的一次風發生 '漏風' 現象, 進入爐膛的空氣停留時間縮短, 將顆粒熱解產生的部分CO帶走, 來不及與進風中的O 2混合燃燒而從爐膛上部煙氣出口排出, 因而導致煙氣中CO含量明顯升高.
隨著進料速率的降低, 煙氣中O 2含量先升高後降低, 在進料方式為2/19時達到最大值 (16%左右) . 在不同進料速率下O 2含量均出現較高的現象, 這可能與採用螺杆送料的進料機構及固定爐柵 (爐排) 的燃燒室有關: 顆粒燃料被螺杆輸送至爐柵上方產生不均勻分布, 均存在顆粒在爐柵上方靠近進料口一側堆積的現象, 在另一側缺少顆粒而不同程度產生 '漏風' , 空氣阻力小, 導致進入爐膛的一次風通過該側爐柵上的縫隙直接進入爐膛並使氣流加速, 從而使煙氣中O 2含量偏高.
2.1.2煙氣中CO含量的波動
CO含量隨時間的變化可直接反映爐膛內燃燒狀況的穩定性. 圖3為不同進料速率下煙氣中CO含量隨運行時間的變化. 從中可知: 在進料方式為2/13時, CO含量隨時間變化波動最大, 說明在此工況下爐膛內燃燒狀況波動較大, 在測試時間到80s時, 出現了一個明顯的峰值, 可能是此時顆粒在爐膛內的堆積量達到最大, 由於不完全燃燒產生的CO驟然增加, 隨後燃燒速度加快, 進料量和燃燒速度達到了新的平衡, CO含量波動減小; CO含量隨時間變化曲線從峰穀到峰頂大概持續15s左右, 最大值和最小值分別出現在進料結束時和停頓結束時, 與進料周期基本吻合. 在其他幾種進料方式下雖然煙氣中CO含量波動幅度不大, 但是也基本呈周期性變化, 且與其對應的進料周期相吻合. 由此可見, 在間歇進料方式中, 進料時間不能過長, 否則會造成顆粒堆積量增加, 燃燒不完全, CO汙染物排放量升高.
2.2煙氣中NO, NO 2和NO x的含量
2.2.1進料速率對煙氣中NO, NO 2和NO x含量的影響
圖4為進料速率對NO, NO 2和NO x含量的影響. 從中可以看出, NO, NO 2與NO x含量的變化基本相似. 隨進料速率的減小, 煙氣中NO x含量呈現出先降低後升高的變化趨勢: 進料方式為2/13時, 出現最大值 (78mg/Nm 3) , 2/19時達到最小值 (8.8mg/Nm 3) , 相應地, 由熱電偶感測器檢測的爐膛下部溫度達到最大值758℃; 當進料方式為2/21時, NO x含量卻明顯升高, 相應地, 爐膛下部溫度降低至375℃. 說明在一定溫度範圍內, 溫度增加有利於抑制NO x的生成而降低排放. 在本研究工況下, 生物質顆粒燃燒未達到空氣中N 2向NO x轉化的溫度 (1300℃以上) , 基本上不產生熱力型NO x[15-16]. 因木質顆粒中N元素含量低, NO x主要來自於燃料中N的氧化, 故在不同進料速率下, 煙氣中NO x含量均較低. 由圖2與圖4可以看出, 隨進料速率的降低, 煙氣中NO x含量的變化與CO的變化趨勢相似, 均呈現先降低後升高的變化[17-18].
2.2.2煙氣中NO x含量的波動
在不同進料速率下煙氣中NO x含量隨時間的波動如圖5所示. 從中可知, NO x沒有呈現周期性變化. 當進料方式為2/19和2/17時, NO x含量隨時間波動很小. 當進料方式為2/15和2/13時, 其隨時間波動幅度相對較大. 可能是當進料速率增加時, 爐膛內顆粒在某個時刻出現了堆積, 導致燃燒狀況不穩定, 促進了NO x的產生及排放濃度出現變化. 如前所述, NO x的主要來源是原料中N元素的轉化, 因此, 進料速率與原料中N元素向NO x轉化密切相關, 即進料速率越大, 就會有更多的原料中的N元素進入爐膛內 [19-20]. 可見, 進料速率不僅影響煙氣中NO x含量, 還會影響其波動幅度.
3結論
3.1進料速率對煙氣中CO含量有明顯影響. 在進料方式為2/19 (平均進料速率為5.0kg/h) 時CO排放量最小, 進料方式為2/13 (平均進料速率為6.9kg/h) 時, CO排放量最大, 波動幅度也最大. 煙氣中CO含量呈周期性變化, 其變化周期與送料周期基本吻合. 間歇式進料可在保證熱負荷需求的條件下縮短每個送料迴圈的進料時間, 以便減少顆粒堆積, 降低汙染物排放. 在本試驗條件下, 進料方式選擇2/19 (進2s, 停19s) 較為合理.
3.2在不同進料速率下NO x含量的變化趨勢與CO基本一致. 在進料方式為2/19 (平均進料速率為5.0kg/h) 時NO x含量達到最小值8.8mg/Nm 3, 進料方式為2/13 (平均進料速率為6.9kg/h) 時出現最大值78mg/Nm 3. 在不同進料速率下NO x沒有呈現周期性變化, 當進料方式為2/19和2/17時, NO x隨時間的波動幅度較小.
3.3在不同進料速率下煙氣中CO和NO x含量變化比較一致, 進料速率對CO排放的影響大於其對NO x排放的影響.
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