全世界大約一半的人口燃用固體顆粒燃料做飯、燒水和取暖。固體燃料包括木材、農作物秸桿、木炭、動物糞便和各種廢棄物等。世界衛(wèi)生組織估計，每年大約有150萬人死于固體燃料燃燒引起的空氣污染。生物質燃料是一種清潔可再生燃料，但是需要用專門設計的燃燒爐具才能使其高效、清潔地燃燒。
國內外專家學者設計了多種生物質爐并對其污染物排放規(guī)律開展了大量的工作，積累了一些重要的研究方法和數據，但是，其結論幾乎都是基于生物質爐的穩(wěn)定燃燒狀況。然而，對于體積較大的燃燒設備，它們的啟停時間較長，以本次試驗的生物質成型燃料爐為例，該爐點火所需時間約27min，熄火所需時間為15min�？紤]到大部分家庭的作息時間，一天內該取暖爐工作時間約為4h，點火和熄火時間占整個工作時間的17. 5%。而且，點火和熄火過程為非穩(wěn)態(tài)過程，期間，燃料進行不完全燃燒，污染物排放規(guī)律與穩(wěn)態(tài)時不同。
為了得到該生物質成型燃料爐點火和熄火過程污染物排放規(guī)律，更全面的分析其性能，本文分析了點火和熄火過程中污染物(CO．NOx)排放量隨排煙溫度的變化關系，并通過比較冷爐點火過程和熱爐點火過程污染物排放規(guī)律的不同，提出了降低本爐點火過程污染物排放量的方法，而且，還采用回歸分析的方法總結了冷爐點火過程中CO、NO.和排煙溫度之間的規(guī)律，指出了降低污染物排放的新方向，富通新能源生產銷售木屑顆粒機、秸稈壓塊機等生物質燃料成型機械設備。
1、生物質成型燃料爐工作原理
試驗用生物質成型燃料爐額定功率為10kW，主要由爐膛、爐排、輻射及對流傳熱面、點火棒、引風機、貫流風機、料斗、螺旋給料器等組成，其結構如圖1所示。
生物質成型燃料爐工作過程；啟動生物質成型燃料爐的開關，點火棒開始工作，與此同時，螺旋給料器將料斗內的生物質顆粒輸送到燃燒室中的爐排上，經過一小段時間，顆粒開始著火并在爐排上燃燒。室外的助燃空氣從燃燒室后墻的孔洞引入。產生的高溫煙氣通過換熱器加熱由貫流機引入的室內冷空氣，最后由引風機經過排煙管道排到室外。產生的熱空氣從爐體的上部排出。當爐膛溫度上升到一定值時，貫流風機功率自動加大。需要停爐時，按下停爐按鈕，引風機會隨之抽吸室外冷空氣冷爐。
2、試驗儀器和方法
2.1 試驗方法
在本次試驗中，點火過程定義為從燃燒室爐排上剛出現小火焰到排煙溫度達到穩(wěn)態(tài)所對應的值時的過程，點火采用冷爐點火和熱爐點火兩種方式，冷爐點火是指在環(huán)境溫度下直接點火的方式，熱爐點火是指等爐子鼓風冷卻結束后再立即點火的方式。熄火過程定義為，按下停爐按鈕后，爐子自動鼓風冷爐過程。根據用木塊點燃的住宅空間加熱設備要求和試驗方法(EN 14785-2006),在環(huán)境溫度為9℃下，對該取暖爐點火和熄火過程煙氣中污染物(CO、NOx)的排放量和排煙溫度進行檢測。為了避開渦流區(qū)，煙氣采樣孔取在距法蘭下游方向6倍管徑處，如圖1中①所示。排煙溫度測點取在距法蘭下游20mm處，熱電阻垂直伸至管中心線處，如圖1中②所示。為了保證數據的可靠性，每個排煙溫度所對應的污染物排放量，連續(xù)讀取兩次，再取其平均值。
2.2成型燃料的理化特性
試驗中分別燃用玉米秸稈和木質兩種成型燃料，粒徑分別為8.5和6.5 mm，長度約為20 mm。試驗前利用GR-3500型氧彈式熱量計、5E-MAG6600型工業(yè)分析儀和Vario EL III型元素分析儀分別對兩種燃料的低位發(fā)熱量、工業(yè)分析和元素分析值進行了測量，結果見表1。
3、結果與分析
采用熱爐點火的方式，初始爐膛溫度比環(huán)境溫度高30℃左右，而且爐體的散熱量也不同。由于污染物的排放量與爐膛溫度、過�？諝庀禂涤嘘P，因此，本文通過對熱爐點火過程和冷爐點火過程污染物排放的比較，以尋找降低污染物排放量的方法。
3.1 冷爐點火過程
3.1.1 冷爐點火過程NOx；的排放規(guī)律
整個點火過程中，燃用秸稈成型燃料時，煙氣中的NO；含有NO和NOx（質量分數：2.6%～6.9%)，燃用木質成型燃料時，煙氣中的NOx只有NO。標準大氣壓下兩種成型燃料NOOOO的排放量(mg／ma)隨排煙溫度(℃)的變化情況如圖2所示。
圖2表明：冷爐點火過程中，兩種成型燃料NO的排放呈相同規(guī)律。隨著排煙溫度的升高，NO的質量濃度呈增大趨勢，且達到一定值時，NO的排放量趨于穩(wěn)定。這兩種燃料趨于穩(wěn)定時達到的排煙溫度和NO的排放量不同。在排煙溫度上升到某一值（秸稈：39℃，木質：45℃）之前，爐排上火焰很小，NO的質量濃度緩慢上升，主要是因為隨著爐膛溫度的升高，燃料的揮發(fā)份析出不斷加快，釋放出的揮發(fā)分中含有NO的緣故。這段過程，生成的NO，絕大部分是析出的揮發(fā)份NOx。之后，隨著爐膛溫度的進一步升高，靠火焰前沿的傳播，使其余部分燃料達到著火燃燒，促使釋放出的NH3、HCN與充足的氧氣反應，生成燃料型NOx，加速了NO。的生成，因此，從圖Z可以看出，NOx的生成速度明顯加快。這段過程生成的NOx大部分是燃料型NOx。燃用玉米秸稈NO；生成速度開始加快對應的排煙溫度比燃用木質的要低。整個點火過程中，燃用木質成型燃料，NOx的最高排放量為70.1mg/m3，平均排放量為33.1mg/m3；燃用秸稈成型燃料，NO，的最高排放量為126 mg／m3，平均排放量為70.4mg/m3。燃用秸稈成型燃料NOx的排放量是燃用木質燃料的2倍，主要是因為木質燃料的含氮量高于秸稈燃料。而且，兩種燃料穩(wěn)定燃燒時N0。的排放量高于點火過程的排放量。
3.1.2 冷爐點火過程CO的排放規(guī)律
生物質顆粒燃料的燃燒過程分為脫水、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒和燃燼階段，各個階段對應的溫度范圍不同。其中，co的生成主要是在第三、四階段。冷爐點火過程兩種成型燃料CO的排放量隨排煙溫度的變化趨勢如圖3所示。
冷爐點火過程中，兩種成型燃料CO的排放呈相似規(guī)律，整個過程中co的排放量出現了兩個峰值。當爐膛溫度達到一定值時，爐排上的料逐漸達到著火燃燒，這時由于爐膛溫度較低，燃料進行不完全燃燒，促進了CO的生成，而且，爐排上料層較薄，通風條件好，煙氣停留時間短，生成的CO來不及被氧化就離開爐膛，因此，煙氣中CO的質量濃度逐漸增大。與木質顆粒相比，玉米秸稈具有較低的活化能，揮發(fā)分析出速率快，易達到著火濃度而點燃，著火溫度低，因此，燃用玉米秸稈CO質量濃度達到第一個峰值對應的排煙溫度(30℃)比燃用木質顆粒的(34℃)要低。隨后，爐膛溫度逐漸升高，有利于CO的氧化反應，CO的質量濃度隨排煙溫度的升高而降低。當爐膛溫度上升到一定值時，貫流風機功率增大，強化了換熱，這時，爐排上的火焰極不穩(wěn)定，CO的質量濃度隨排煙溫度近似呈直線關系增大，并達到第二個峰值。
由于爐膛溫度的進一步升高，有利于CO的氧化反應，而且，料層的厚度增厚，通風阻力增大，延長了煙氣的停留時間，由圖3可以看出，CO的排放量逐漸減小，并達到一定的穩(wěn)定值。燃用玉米秸稈，當排煙溫度為53℃時，CO的排放量達到最大值(748 mg/m3)，整個過程平均質量濃度為385mg／m3，最后達到的穩(wěn)定值為153 mg/m3；燃用木質成型燃料，當排煙溫度為33℃時，CO的質量濃度達到最大值(401mg／m3)，整個過程平均排放量為218 mg／m3，最后達到的穩(wěn)定值為101mg／m3。由此可見，點火過程CO的排放量遠高于穩(wěn)態(tài)燃燒時的排放量。
3.1.3 冷爐點火過程CO與NO質量比隨排煙
溫度的變化規(guī)律
冷爐點火過程CO與NO質量比隨排煙溫度的變化規(guī)律如圖4所示。
在冷爐點火的過程中，本文通過回歸分析得出，CO與NO.的質量比有一定的規(guī)律性，對于燃用玉米秸稈燃料，CO與NOx的質量比隨排煙溫度的升高呈指數關系減小；燃用木質顆粒，CO與NOx的質量比隨排煙溫度的升高呈乘冪關系減小。Kituyi等在研究燃用木質燃料生物質爐的CO和NO：的排放規(guī)律時指出NO；/C02和CO/C02的值接近為一個常數，對于不同的爐型，其值不同。本文采用文獻[9]的測量值，也得到與本次試驗相似的結果，見圖4。此外，Balland-Tremeer和Jawurekno]在分析燃用木質燃料炊事爐的性能時，指出S02/CO接近一個常數。因此，可以推斷，一種污染物的排放量不僅與爐膛溫度、過�？諝庀禂涤嘘P，還與其他污染物的排放量有關，但是，其中的內在關系，還尚待研究。
3.2熱爐點火過程
3.2.1熱爐點火過程NO.的排放規(guī)律
熱爐點火過程兩種成型燃料NO：的排放量隨排煙溫度的變化趨勢如圖5所示。
熱爐點火過程中，隨著排煙溫度的升高，NOx的質量濃度呈增大趨勢。燃用秸稈成型燃料時，NOx的排放量與排煙溫度近似呈線性關系，這與冷爐點火的規(guī)律不同。燃用木質成型燃料時，排煙溫度在78℃之前，NOx的排放量緩慢上升，之后NO。的排放速度增大，排放規(guī)律與冷爐點火相似。熱爐點火時，燃用木質顆粒，NOx的平均排放量為13.6 mg／m3，僅為冷爐點火的41%。而燃用玉米秸稈成型燃料，N0；的平均排放量為100.6mg，m3，比冷爐點火的要高。
3.2.2 熱爐點火過程CO的排放規(guī)律
熱爐點火過程兩種成型燃料CO的排放量隨排煙溫度的變化趨勢如圖6所示。
熱爐點火過程，燃用玉米秸稈的CO排放規(guī)律與燃用木質的不同。燃用玉米秸稈時，隨著排煙溫度的升高，CO的質量濃度呈先增大后減小的趨勢，且排煙溫度達到一定值時，CO的生成趨于一穩(wěn)定值，為144 mg／m3。當排煙溫度為89℃時，CO的質量濃度達到最大值，為360 mg／m3。燃用木質燃料時，排煙溫度由40℃上升到61℃的過程中，CO的質量濃度隨排煙溫度的升高而增大，排煙溫度由61℃上升到92℃的過程中，隨著排煙溫度的升高，CO的質量濃度近似不變，維持在(125士18) mg／m3，之后，隨著排煙溫度的升高，CO的質量濃度成下降趨勢，且趨于一穩(wěn)定值，為77 mg/m3。整個過程中，燃用玉米秸稈,CO的平均質量濃度為178mg/m3，為冷爐點火的46%;燃用木質燃料，CO的平均質量濃度為106mg／m3，為冷爐點火的48%。與冷爐點火相比，熱爐點火CO的質量濃度變化范圍要小，而且穩(wěn)定燃燒達到的排煙溫度也高。
通過對點火過程結果的分析可知，點火過程中，co的排放量遠高于穩(wěn)態(tài)時的濃度，采用熱爐點火的方式，CO的排放量可以降低至原來的一半左右，而且，還提高了爐膛溫度，提高了熱效率。因此，加強爐體的保溫，有助于降低CO的排放。對于熱爐點火和冷爐點火過程NO，的排放，兩種燃料出現了不同的結果，因此，要想降低NO。的排放，對于不同的燃料，要采取不同的措施。
4、熄火過程
4.1 熄火過程NOx的排放規(guī)律
熄火過程兩種成型燃料NOx的排放量隨排煙溫度的變化情況如圖7所示。
熄火過程中，隨著排煙溫度的降低，NO，的質量濃度呈下降趨勢。排煙溫度從穩(wěn)態(tài)時的值降到某一值（秸稈：118℃，木質113℃）時，爐膛中NO的排放量降低的速度很快，這是抽吸的冷空氣稀釋煙氣的結果，而且，N0；的質量濃度與排煙溫度近似呈線性關系。之后爐膛內火焰突然加長，且這一段過程，NO.的排放量趨于穩(wěn)定。隨后，爐排上的余料燃盡，NO.的排放量逐漸降低為0。熄火過程，燃用木質燃料，NO.的平均排放量為8.7 mg／m3；燃用秸稈，NO，的平均排放量為45.3 mg/m3，是燃用木質燃料的5倍。
4.2 熄火過程CO的排放規(guī)律
熄火過程兩種成型燃料CO的排放量隨排煙溫度的變化情況如圖8所示。
熄火過程中，co的質量濃度隨排煙溫度的降低呈先增大后降低的趨勢，而且，整個過程，C0的質量濃度變化較快。當排煙溫度降到75℃左右時，燃用兩種燃料的C0的排放量達到最大值，燃用木質燃料時為1 399 mg/m3，高于燃用秸稈燃料的1090mg／m3。這主要是因為燃用秸稈燃料時出現結渣現象，增大了通風阻力，延長了煙氣的停留時間，促進了CO的氧化。燃用木質燃料，co的平均質量濃度為488mg/m3，是穩(wěn)態(tài)燃燒時的4.5倍；燃用秸稈CO的平均質量濃度為543 mg／m3，是穩(wěn)態(tài)燃燒時的3.6倍。
通過對熄火過程的結果分析可知，熄火過程，NO的排放量很低，但是，C0的排放量卻很高，為此,Ozil等指出在煙道中安裝一種以氧化鋁為載體的催化劑，可以減排C0 70%左右。
5、結 論
1)通過對點火和熄火過程中污染物(NOz，CO)排放量和排煙溫度的檢測，可知，點火和熄火過程中污染物排放規(guī)律和穩(wěn)態(tài)時不同，點火過程，Nq的平均排放量比穩(wěn)態(tài)時要低，而cO的平均排放量比穩(wěn)態(tài)時要高。熄火過程，NO；的平均排放量很低，而CO的平均排放量是穩(wěn)態(tài)的4倍左右。
2)通過比較冷爐點火和熱爐點火過程污染物排放規(guī)律的不同，可知，對于NO。的排放，玉米秸稈和木質的結果不同，因此，要想降低NO的排放，對于不同的燃料要采取不同的措施；加強爐體的保溫可以降低Co的排放。
3)冷爐點火過程中，燃用玉米秸稈成型燃料，CO與NO的質量比隨排煙溫度呈指數關系減�。蝗加媚举|成型燃料，CO與NO，的質量比隨排煙溫度呈乘冪關系減小。因此，一種污染物的排放量不僅與爐膛溫度，過剩空氣系數有關，還與其他污染物的排放量有關，其中的內在關系，尚待進一步研究。
