生物质成型燃料炉点火和熄火过程中排放行为的实验研究

高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集 编号：C-100044

生物质成型燃料炉点火和熄火过程中

排放行为的实验研究

（蒋绍坚1， 魏烈旭1， 艾元方1， 蒋受宝1 黄 波1， 汤才铄1， 伍斌强2， 冯署斌2）

（1:中南大学能源科学与工程学院，长沙 410083 2:迅达科技集团股份有限公司，湘潭 411101）

（联系电话：0731-88836920 ，E-mail：sjjiang@http://www.77cn.com.cn ）

摘 要：以生物质取暖炉为对象，分别燃用玉米秸秆和木质成型燃料，分析其点火和熄火过程污染物（NOx,CO）的排放规律。试验结果表明：点火过程，NOx的平均排放浓度比稳态时的要低，而CO的平均排放浓度比稳态时的要高。冷炉点火过程，燃用玉米秸秆成型燃料，CO与NOx的质量比随排烟温度呈指数关系减小，燃用木质成型燃料，CO与NOx的质量比随排烟温度呈乘幂关系减小。采用热炉点火的方式，CO的排放浓度降低一半左右，对于不同的燃料减排NOx要采取不同的措施。熄火过程，NOx的平均排放浓度很低，而CO的平均排放浓度是稳态的4倍左右。 关键词：成型燃料; 生物质取暖炉; 实验研究

0 引言

全世界大约一半的人口燃用固体燃料做饭，烧水和取暖。固体燃料包括木材，农作物秸杆,木炭,动物粪便和各种废弃物等。世界卫生组织估计，每年大约有150万人死于固体燃料燃烧引起的空气污染。生物质燃料是一种清洁可再生燃料，但是，需要用专门设计的燃烧炉具才能使其高效、清洁地燃烧。

近30年来，国内外专家学者设计了多种生物质炉并对其污染物排放规律开展了大量的工作[4-6]，积累了一些重要的研究方法和数据，但是，其结论几乎都是基于生物质炉的稳定燃烧状况。然而，对于体积较大的燃烧设备，它们的启停时间较长，以本次试验的生物质取暖炉为例，该炉点火所需时间约27min，熄火所需时间为15min。考虑到大部分家庭的作息时间，一天内该取暖炉工作时间约为4小时，点火和熄火时间占整个工作时间的17.5%。而且，点火和熄火过程为非稳态过程，期间，燃料进行不完全燃烧，污染物排放规律与稳态时不同。

为了得到该生物质取暖炉点火和熄火过程污染物排放规律，更全面的分析其性能，本文分析了点火和熄火过程中污染物（CO，NOx）排放量随排烟温度的变化关系，并通过比较冷炉点火过程和热炉点火过程污染物排放规律的不同，提出了降低本炉点火过程污染物排放量的方法，而且，还采用回归分析的方法总结了冷炉点火过程中CO/NOx和排烟温度之间的规律，指出了降低污染物排放的新方向。

基金项目：湖南省燃气具工程技术研究中心基金项目（06FJ4177）.

作者简介：蒋绍坚（1963-），男，硕士，教授，主要从事燃烧与气化过程与技术研究。

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1 生物质取暖炉工作原理

试验用生物质取暖炉额定功率为10KW，主要由炉膛、炉排、辐射及对流换热面、点火棒、引风机、贯流风机、料斗、螺旋给料器等组成，其结构简图如图1所示。

图1 生物质取暖炉示意图 Fig.1 Schematic diagram of pellet stove

生物质取暖炉工作过程：启动生物质取暖炉的开关，点火棒开始工作，与此同时，螺旋给料器将料斗内的生物质颗粒输送到燃烧室中的炉排上，经过一小段时间，颗粒开始着火并在炉排上燃烧。室外的助燃空气从燃烧室后墙的孔洞引入。产生的高温烟气通过换热器加热由贯流风机引入的室内冷空气，最后由引风机经过排烟管道排到室外。产生的热空气从炉体的上部排出。当炉膛温度上升到一定值时，贯流风机功率自动加大。需要停炉时，按下停炉按钮，引风机会随之抽吸室外冷空气冷炉。

2 试验仪器和方法

2.1 仪器设备及参数

本试验所用主要仪器的详细参数见表1。

表1 试验仪器用途和主要参数列表

Tab. 1 Application of the testing instrument and list of the main parameters 仪器名称 铂热电阻

5E-MAG6600工业分析仪

氧弹式热量计

用途

测量排烟温度

测量燃料的工业分析值 测量燃料的低位发热量

主要参数

精确到0.1℃; 量程:0～399℃ 分析精度:符合GB/T212-2001 精确到0.2% O2: 0-25%

微电脑烟尘平行采样仪

（TH-880F）

CO:0-2500mg/m3

测量烟气成分

NO: 0-2500mg/m3 NO2:0-200mg/m3 SO2:0-5000mg/m3

2.2 试验方法

在本次试验中，点火过程定义为从燃烧室炉排上刚出现火焰到排烟温度达到稳态所对应的值时的过程。熄火过程定义为按下停炉按钮后，炉子自动鼓风冷炉的过程。根据锅炉大气污染物排放标准(GB13271—2001)，在环境温度为9℃下，对该取暖炉点火和熄火过程烟气中污染物（CO，NOx）的排放量和排烟温度进行检测。为了避开涡流区，采样孔取在距法兰下游方向6倍管径处，如图1中①所示。排烟温度测点取在距法兰下游20mm处，热电阻垂直伸至管中心线处，如图1中②所示。为了保证数据的可靠性，每个排烟温度所对应的污染物排放量，连续读取两次，再取其平均值。试验中分别燃用玉米秸秆和木质两种成型燃料，粒径分别为8.5mm和6.5 mm。两种燃料的工业分析、元素分析及低位发热量的值见表2。

表2 生物质成型燃料基本成分与热值分析

Tab. 2 Analytic result of main components and heat value of biomass briquette

燃料种类 木质

水分/% 4.88

灰分 挥发份/%

/%

固定碳/%

Car /%

Har /% 7.643.85

Oar /% 41.9838.15

Nar /%0.320.74

Sar /%

Qnet /(kJ/kg)

0.40 81.52 13.20 44.6611.89 66.89 17.37 41.49

0.10 18520 0.12 15958

玉米秸秆 3.85

3 结果与分析

在环境温度下点火的方式称为冷炉点火。等炉子鼓风冷却结束后再继续点火的方式称为热炉点火。采用热炉点火的方式，初始炉膛温度比环境温度高30℃左右，而且炉体的散热量也不同。由于，污染物的排放量与炉膛温度，过剩空气系数有关，因此，本文通过对热炉点火过程和冷炉点火过程污染物排放进行比较，以寻找降低污染物排放量的方法。

3.1 冷炉点火过程

3.1.1冷炉点火过程NOx的排放规律

整个点火过程中，燃用秸秆成型燃料时，烟气中的NOx含有NO和NO2（质量分数:2.6%~6.9%），燃用木质成型燃料时，烟气中的NOx只有NO。两种成型燃料NOx的排量（mg/Nm³）随排烟温度（℃）的变化情况如图2。

图2表明：冷炉点火过程中，两种成型燃料NOx的排放呈相同规律。随着排烟温度的升高，NOx的质量浓度呈增大趋势，且达到一定值时，NOx的排放量趋于稳定。这两种燃料，趋于稳在排烟温度上升到某一值（秸秆:39℃,木质:45℃）定时达到的排烟温度和NOx的排放量不同。

之前，炉排上火焰很小，NOx的质量浓度缓慢上升，主要是因为随着炉膛温度的升高，燃料的挥发份析出不断加快，释放出的挥发分中含有NOx的缘故。这段过程，生成的NOx绝大部分是析出的挥发份NOx。之后，随着炉膛温度的进一步升高，靠火焰前沿的传播，使其余部分燃料达到着火燃烧，促使释放出的NH3,HCN与充足的氧气反应，生成燃料型NOx，加速了NOx的生成，因此，从图2可以看出，NOx的生成速度明显加快。这段过程生成的NOx大部分是燃料型NOx。燃用玉米秸秆NOx生成速度开始加快对应的排烟温度比燃用木质的要低。整个点火过

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程中，燃用木质成型燃料，NOx的最高排放浓度为7 …… 此处隐藏：10108字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……