柳善建，王帥超，易維明，李永軍，馮祥東

多層二次風(fēng)配風(fēng)對(duì)玉米秸稈顆粒燃燒降低NOx產(chǎn)率及結(jié)渣的影響

柳善建，王帥超，易維明※，李永軍，馮祥東

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000）

秸稈類生物質(zhì)具有堿金屬及灰分含量高的特性，燃燒時(shí)灰分容易團(tuán)聚結(jié)塊而影響燃燒室內(nèi)的配風(fēng)及燃料的燃燒。該研究設(shè)計(jì)了一種具有多層二次風(fēng)配風(fēng)的生物質(zhì)燃燒試驗(yàn)裝置，以玉米秸稈顆粒為燃料，研究了不同一二次風(fēng)分級(jí)配比、多層二次風(fēng)配比對(duì)煙氣中CO、NOx等污染物濃度、燃燒效率及灰分結(jié)渣率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)采用一二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)時(shí)，能夠顯著降低煙氣中NOx的濃度，煙氣中CO和NOx的濃度變化趨勢(shì)相反，呈現(xiàn)一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。二次風(fēng)位置較高或下層二次風(fēng)量的減少，都易導(dǎo)致玉米秸稈顆粒燃燒不完全，CO濃度顯著提升。與對(duì)照組相比，二次風(fēng)多層配風(fēng)下，燃燒室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度和煙氣中NOx濃度均有所降低，最低NOx濃度排放放生在W1工況（空氣系數(shù)為1.2，一、二次風(fēng)配比為60%∶40%時(shí)，下、中、上二次風(fēng)按（1/2，0，1/2）），約150 mg/m3。當(dāng)采用二次風(fēng)多層配風(fēng)時(shí)，結(jié)渣率大幅度下降，最低為4.5%。W1工況的NOx濃度和結(jié)渣率均較低，綜合評(píng)價(jià)為最優(yōu)工況。常用的硅比指數(shù)、堿酸比、Na含量指數(shù)、堿性指數(shù)Alc等4種結(jié)渣指數(shù)，均不能正確預(yù)測(cè)因燃料燃燒區(qū)溫度1變化而造成的結(jié)渣傾向變化，為此在硅比指數(shù)中引入燃料燃燒區(qū)溫度1作為變量，修正后的硅比指數(shù)G可以很好地對(duì)玉米秸稈顆粒因燃料燃燒區(qū)溫度1引起的結(jié)渣傾向變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

燃燒；理化性質(zhì)；玉米秸稈；二次配風(fēng)；結(jié)渣指數(shù)；NOx濃度

0 引 言

農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)的資源量巨大，可以替代傳統(tǒng)化石能源進(jìn)行使用，當(dāng)結(jié)合先進(jìn)的熱解氣化、CO2捕集等技術(shù)[1-2]，有助于實(shí)現(xiàn)地區(qū)的碳中和甚至碳負(fù)排放，在“碳達(dá)峰”背景下具有重要的社會(huì)意義。作為農(nóng)業(yè)收獲的主要副產(chǎn)物，相比于木質(zhì)類生物質(zhì)，農(nóng)作物秸稈具有價(jià)格較低、來源廣泛、容易獲取等優(yōu)勢(shì)。然而，秸稈類生物質(zhì)通常存在堿金屬及灰分含量高等特性[3-5]，燃燒時(shí)容易出現(xiàn)灰分結(jié)渣結(jié)塊、污染物排放高的現(xiàn)象[6-9]，造成嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染問題。因此，積極研發(fā)秸稈類生物質(zhì)的高效低氮燃燒、抗結(jié)渣等技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

秸稈類生物質(zhì)燃燒灰分易結(jié)渣結(jié)塊，不僅與燃料的性質(zhì)密切有關(guān)，而且受燃燒的運(yùn)行工況條件影響較大，如過量空氣系數(shù)、一二次風(fēng)配比、二次風(fēng)位置、料層厚度等[10-11]。研究表明，通過對(duì)原料進(jìn)行酸洗或堿洗預(yù)處理，添加不易結(jié)渣的添加劑[12-13]，或與煤、木質(zhì)生物質(zhì)等混燃[14]，均能夠有效降低結(jié)渣結(jié)塊的程度，尤其K等堿金屬含量是影響灰熔點(diǎn)變化的重要因素。劉璐[15]使用馬弗爐對(duì)生物質(zhì)是否添加煤粉灰進(jìn)行燃燒的條件下K和Cl的遷移規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，生物質(zhì)灰中K的含量越低，850～900 ℃時(shí)K的含量急劇減少，1 000 ℃玉米秸稈燃燒后的灰樣幾乎全部發(fā)生熔融燒結(jié)。Clery等[16]將鋁硅酸鹽基添加劑分別以5%、10%、15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)與軟木、麥秸、橄欖渣灰混合，在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明：高的氯元素含量或低（Si+Al）含量有助于KCl或KOH釋放到氣相中，而高（Si+Al）含量有助于固定K元素。

另外，降低燃料燃燒區(qū)的溫度，能夠有效減輕秸稈類生物質(zhì)的結(jié)渣狀況以及降低煙氣中NOx的排放濃度。Liu等[17]使用具有不同高度的二次風(fēng)管的50 kW小型戶用生物質(zhì)顆粒燃燒爐進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，結(jié)果表明：對(duì)于含氮量較高的燃料來說，通過空氣分級(jí)燃燒能夠有效降低煙氣中NOx的濃度，二次風(fēng)設(shè)置位置較高時(shí)，煙氣中NOx的排放濃度降低明顯，但CO的濃度會(huì)增加。Sher等[18]使用一種20 kW的燃燒器進(jìn)行生物質(zhì)燃燒試驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)：二次風(fēng)噴射位置較高可以降低NOx排放，同時(shí)一二次風(fēng)分級(jí)的使用，會(huì)導(dǎo)致飛灰中未燃盡碳含量顯著增加，燃料的燃燒效率損失提高。

目前關(guān)于多層二次風(fēng)對(duì)秸稈燃燒結(jié)渣及污染物排放的影響研究相對(duì)較少。本論文設(shè)計(jì)了一種具有多層二次風(fēng)配風(fēng)的生物質(zhì)顆粒燃燒試驗(yàn)臺(tái)，以玉米秸稈顆粒為原料，研究不同二次風(fēng)多層配風(fēng)方式對(duì)玉米秸稈顆粒燃燒灰分結(jié)渣率、煙氣中污染物（CO、NOx等）濃度、燃燒效率等參數(shù)的影響規(guī)律。旨在通過控制多層二次風(fēng)的配風(fēng)，實(shí)現(xiàn)玉米秸稈顆粒在較低結(jié)渣量的條件下，具有較低的NOx、CO濃度和較高的燃燒效率，為玉米秸稈顆粒工業(yè)鍋爐的合理燃燒配風(fēng)提供參考。最后，根據(jù)玉米秸稈顆粒的實(shí)際燃燒結(jié)渣狀況，提出引入燃料燃燒區(qū)溫度T1作為變量對(duì)硅比結(jié)渣指數(shù)進(jìn)行改進(jìn)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米秸稈結(jié)渣傾向受燃料燃燒區(qū)溫度T1變化影響的較好預(yù)測(cè)。

1 燃燒試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)原理

1.1 燃燒試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的生物質(zhì)顆粒燃燒試驗(yàn)裝置如圖1所示，采用水平進(jìn)料方式，爐排為固定爐排。生物質(zhì)顆粒燃燒試驗(yàn)裝置的額定進(jìn)料量為1.5 kg/h，燃燒室高度60 cm，燃燒室直徑25 cm。沿整個(gè)燃燒室高度均勻?qū)ΨQ分布9個(gè)二次風(fēng)風(fēng)管，風(fēng)管的上下間距為5 cm。沿燃燒室高度方向?qū)L(fēng)管分為三組，每組三個(gè)風(fēng)管，分別命名為上、中、下二次風(fēng)（US，MS，LS），使二次風(fēng)按不同高度和比例進(jìn)入燃燒室。上、中、下二次風(fēng)量由LZB-15型質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，一次風(fēng)量使用1 000 WOG型閥門進(jìn)行控制。

生物質(zhì)顆粒燃燒試驗(yàn)臺(tái)排煙道上方30 cm處的煙氣，采用青島嶗應(yīng)3012H-D便攜式煙氣分析儀進(jìn)行成分分析。燃燒煙氣后續(xù)經(jīng)旋風(fēng)分離器進(jìn)行凈化除塵，而后排入大氣。為了研究玉米秸稈顆粒在燃燒室內(nèi)的燃燒狀況，沿燃燒室高度中心處分別設(shè)置四個(gè)測(cè)溫點(diǎn)得到溫度1、2、3、4，分別位于爐排上方10、20、30、40 cm處。采用4個(gè)S型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，采用北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的DAM-3038輸入模塊及DAM-3210數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)輸入電腦進(jìn)行保存和處理。

1.2 工作原理及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

生物質(zhì)顆粒燃燒試驗(yàn)裝置的運(yùn)行步驟：生物質(zhì)顆粒進(jìn)入進(jìn)料器，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下通過進(jìn)料絞龍進(jìn)入燃燒室。關(guān)閉爐門，啟動(dòng)配風(fēng)系統(tǒng)，并啟動(dòng)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃生物質(zhì)顆粒燃料。待生物質(zhì)顆粒充分點(diǎn)燃后，關(guān)閉點(diǎn)火裝置，生物質(zhì)顆粒進(jìn)料1.5s后間隔5 s再次進(jìn)料。生物質(zhì)顆粒進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段時(shí)，啟動(dòng)煙氣采集系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行煙氣成分和燃燒室溫度采集。停機(jī)時(shí)，先停止進(jìn)料，繼續(xù)通風(fēng)，待生物質(zhì)燃料燃盡后關(guān)閉配風(fēng)系統(tǒng)，燃燒試驗(yàn)結(jié)束。

在生物質(zhì)顆粒燃燒試驗(yàn)裝置上進(jìn)行煙氣污染物排放特性試驗(yàn)，并對(duì)灰分的結(jié)渣結(jié)塊狀況進(jìn)行分析。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為：1）僅存在一次風(fēng)，過量空氣系數(shù)（Excess Air Coefficient，EAC）分別為1.1、1.2、1.3、1.4，分別標(biāo)記為EAC1.1、EAC1.2、EAC1.3、EAC1.4；2）過量空氣系數(shù)為1.2，一二次風(fēng)配比分別為（70%，30%），二次風(fēng)分別從上、中、下三層入口單獨(dú)（US，MS，LS）進(jìn)入，標(biāo)記為：US（30%），MS（30%）、LS（30%），配比為（60%，40%）時(shí)類推。3）過量空氣系數(shù)為1.2，一、二次風(fēng)配比為60%，40%時(shí)，下、中、上三層二次風(fēng)按下述比例進(jìn)行配風(fēng)（1/2，0，1/2）、（1/3，1/3，1/3）、（0，1/2，1/2）和（1/2，1/2，0），分別標(biāo)記為W1、W2、W3、W4。為了方便比較，將EAC1.2工況的燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)照組（Control Group，CG）。

2 原料特性分析

試驗(yàn)所用玉米秸稈顆粒，采用SDTGA8000型工業(yè)分析儀、Vario EL Cube型元素分析儀、C2000型熱值分析儀進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析、熱值分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，玉米秸稈的揮發(fā)份較高、固定碳含量低，燃盡時(shí)間會(huì)比較快。同時(shí)，值得注意的是玉米秸稈中N含量高，會(huì)導(dǎo)致燃燒煙氣中NOx濃度較高，需要對(duì)煙氣中NOx濃度進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。利用ZSX100e型X射線熒光分析儀（XRF）進(jìn)行無機(jī)元素含量檢測(cè)，玉米秸稈的Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca、Fe的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.186%、0.313%、1.21%、5.03%、0.133%、0.284%、1.66%、0.637%和0.663%，可以看出Si是無機(jī)元素中含量最高的，其次是K元素，是灰分容易產(chǎn)生結(jié)渣結(jié)塊的主要原因。

表1 玉米秸稈工業(yè)分析、元素分析和熱值分析

注：氧由計(jì)算得出。

Note: Oxygen is calculated by difference subtraction.

3 燃燒試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 分級(jí)配風(fēng)對(duì)秸稈顆粒燃燒污染排放影響

燃料燃燒煙氣中NOx、CO的產(chǎn)生主要發(fā)生在燃料層的燃燒區(qū)域[18-19]，因此燃料層區(qū)域的溫度與出火口煙氣污染物排放具有較高的關(guān)聯(lián)度，對(duì)不同燃燒設(shè)計(jì)工況下燃料燃燒區(qū)1處溫度及燃燒煙氣中NOx、CO的濃度變化進(jìn)行分析，如圖2所示。

由圖2a可知，CO濃度隨過量空氣系數(shù)的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，這與Liu等[17]的結(jié)論有所差異。這是因?yàn)檫^量空氣系數(shù)為1.1時(shí)，進(jìn)入燃燒室的空氣相對(duì)較少，氧氣量不足造成燃燒不充分，繼而產(chǎn)生相對(duì)較多的CO[20]。同時(shí)由于氧氣量不足，造成燃料燃燒區(qū)溫度1也相對(duì)較低。隨著過量空氣系數(shù)增加，在1.2、1.3時(shí)，燃料在燃燒室中能充分燃燒，產(chǎn)生的CO和充足的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2，因此這兩種燃燒工況下的CO濃度較低，燃料燃燒區(qū)溫度1相對(duì)較高，但注意到相應(yīng)的出火口NOx濃度也較高。隨著過量空氣系數(shù)繼續(xù)增大，低溫空氣從下部進(jìn)入燃燒室的入口速度增加，使燃燒室內(nèi)部換熱速率增快，煙氣滯留時(shí)間縮短，造成內(nèi)部燃燒溫度有所降低、NOx降低。而因?yàn)閾]發(fā)分在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間短，造成燃燒不完全，相應(yīng)的CO濃度有所升高。

由圖2b可知，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2，一二次風(fēng)配比為（70%，30%）時(shí)，與對(duì)照組相比，在US (30%)， LS(30%)時(shí)CO濃度有所升高。在MS(30%)工況時(shí)卻有較低的CO濃度，這說明合適的二次風(fēng)高度會(huì)顯著減少煙氣中CO濃度，產(chǎn)生較優(yōu)的燃燒效果。另外還可以看出，當(dāng)一二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)時(shí)，能夠在一定程度上降低出火口NOx的濃度，且隨著二次風(fēng)高度的增加有降低的趨勢(shì)。當(dāng)一二次風(fēng)配比為(60%，40%)時(shí)，出火口CO、NOx的濃度也呈現(xiàn)出與一二次風(fēng)配比為（70%，30%）時(shí)相似的變化趨勢(shì)，即隨著二次風(fēng)高度的增加，CO濃度先降低后升高，NOx濃度逐漸降低，但是一二次風(fēng)配比為（60%，40%）具有更低的CO、NOx排放。

由圖2c可知，當(dāng)二次風(fēng)進(jìn)行多層配風(fēng)時(shí)，與對(duì)照組及不進(jìn)行二次風(fēng)多層配風(fēng)時(shí)相比，設(shè)計(jì)的4種二次風(fēng)多層配風(fēng)條件下煙氣中CO濃度都很高，最高達(dá)到900 mg/m3；相反地，NOx濃度較低，最低約140 mg/m3。這說明煙氣中CO和NOx濃度變化相反，呈現(xiàn)出一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，這和以往的研究結(jié)論一致[9]。

玉米秸稈顆粒在燃燒室內(nèi)燃燒可分為燃料燃燒區(qū)C1、氣化燃燒區(qū)C2和燃盡區(qū)C3，發(fā)生的基礎(chǔ)反應(yīng)如圖3中所示。

通過對(duì)W1工況分析可知，還原區(qū)主要在燃燒室的中二次風(fēng)部位。玉米秸稈顆粒在燃料燃燒區(qū)C1燃燒產(chǎn)生CO2、CO和NO等氣體（NO是NOx的主要?dú)怏w成分），隨著煙氣上升進(jìn)入氣化燃燒區(qū)C2。對(duì)于W1工況而言，C2區(qū)域不通入二次風(fēng)，這使得C2形成了一個(gè)還原區(qū)，在C2區(qū)域發(fā)生還原反應(yīng)見公式（1）。

NOCON+CO2（1）

可知，在W1工況下煙氣燃燒的反應(yīng)路徑為：一部分由下部C1區(qū)域燃燒產(chǎn)生的NO、CO在C2區(qū)域發(fā)生還原反應(yīng)，同時(shí)C2區(qū)域未反應(yīng)的剩余煙氣又可分為兩部分：Ⅰ. 一部分CO、NO在C3區(qū)域隨著上二次風(fēng)的進(jìn)入發(fā)生了氧化反應(yīng)；Ⅱ. 另一部分還未來得及反應(yīng)的CO、NO便被排出燃燒室。根據(jù)不同二次風(fēng)多層配風(fēng)燃燒試驗(yàn)結(jié)果來說，Ⅰ. 的發(fā)生只是很小一部分，大部分的CO則遵循Ⅱ.的路徑被排放出來，因此造成了不同二次風(fēng)多層配風(fēng)時(shí)玉米秸稈顆粒燃燒會(huì)產(chǎn)生高的CO濃度問題。

W2工況實(shí)際上是在基于W1工況上將下、上二次風(fēng)減弱一部分，補(bǔ)給到中二次風(fēng)上。這對(duì)C2區(qū)域產(chǎn)生了一些影響，但是W2工況的下二次風(fēng)減弱會(huì)造成C1區(qū)域燃燒時(shí)O2不足，增加CO的產(chǎn)生。由于中二次風(fēng)的加入，使得C2區(qū)域同時(shí)發(fā)生了兩個(gè)反應(yīng)①、②，因此W2工況的出火口CO濃度相對(duì)于W1要低一些。

W3工況中沒有了下二次風(fēng)的進(jìn)入，意味著在C1區(qū)域產(chǎn)生較多的CO，根據(jù)C2中的反應(yīng)式①，CO將會(huì)與NO反應(yīng)降低NOx的排放濃度，但是由圖2c可知，W3相較于W2具有更高的出火口CO、NOx排放濃度，這說明在W3工況①、②沒有發(fā)生或者發(fā)生反應(yīng)占比很小，在此時(shí)的工況中，CO和NO都被二次風(fēng)吹出燃燒室了。對(duì)于W4來說，出火口NOx濃度與W3時(shí)相近，而CO濃度最高，這說明在C2區(qū)域③反應(yīng)仍然占比很大。同時(shí)在C3區(qū)域，因?yàn)閃4沒有上二次風(fēng)的進(jìn)入，所以在C3反應(yīng)區(qū)沒有發(fā)生②反應(yīng)，造成了出火口CO濃度很高。綜上所知，所有不同二次風(fēng)多層配風(fēng)時(shí)，與對(duì)照組試驗(yàn)結(jié)果相比，出火口NOx的濃度都降低，CO濃度均增加。

使用NOx降低率（η）來判斷與對(duì)照組相比各配風(fēng)條件下玉米秸稈燃燒NOx濃度的降低程度。η值越大說明NOx降低程度越大，即此工況下NOx濃度越低效果越好。η計(jì)算公式如下：

式中NOx(CG)指對(duì)照組所得NOx濃度，%；NOx()指不同一二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)、二次風(fēng)多層配風(fēng)時(shí)所得NOx濃度，%；指的是US（30%），MS（30%）、LS（30%）、US（40%），MS（40%）、LS（40%）、W1、W2、W3、W4。

根據(jù)圖4可知，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2時(shí)，與只通過一次風(fēng)供風(fēng)相比，采用一二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)均能有效降低煙氣中NOx濃度，NOx降低率在14%以上。

值得注意的是，無論二次風(fēng)的高度選擇在上、中、下層，當(dāng)一二次風(fēng)配比為（60%，40%）時(shí)的NOx降低率均高于一二次風(fēng)配比為（70%，30%），說明二次風(fēng)占總風(fēng)量比重在一定范圍內(nèi)提高，有助于降低煙氣中NOx濃度。另外，二次風(fēng)進(jìn)行多層配風(fēng)時(shí)能夠進(jìn)一步降低NOx濃度，NOx降低率在38%～53%之間，減排效果十分明顯。多層二次風(fēng)配風(fēng)工況下W1、W2、W3、W4的NOx濃度分別為145、148、188、195 mg/m3，因此W1和W2工況時(shí)NOx降低率顯著高于W3和W4工況。同時(shí)，對(duì)燃燒試驗(yàn)臺(tái)出口的污染物SO2、顆粒物進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈顆粒燃燒所有工況中SO2的濃度和顆粒物濃度十分低，均低于山東省地方標(biāo)準(zhǔn)《DB 37/2374-2018》（核心控制區(qū)的SO2濃度和顆粒物濃度分別小于35 mg/m3，5 mg/m3）。

3.2 分級(jí)配風(fēng)對(duì)秸稈顆粒燃燒溫度場(chǎng)分布影響

在上述不同配風(fēng)方式下，玉米秸稈顆粒在燃燒試驗(yàn)臺(tái)沿高度方向各溫度測(cè)點(diǎn)情況，如圖5所示。

圖5a表示僅存在一次風(fēng)，過量空氣系數(shù)分別為1.2、1.3、1.4時(shí)爐膛溫度的變化規(guī)律，可知：此時(shí)燃燒室不同高度的溫度變化趨勢(shì)一致，即隨著測(cè)點(diǎn)高度升高而溫度減小。并且隨著過量空氣系數(shù)增大，各測(cè)點(diǎn)溫度會(huì)相應(yīng)減小。由圖5b可知，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2，與僅存在一次風(fēng)的對(duì)照組相比，通過一二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)的方式，隨著二次風(fēng)進(jìn)入燃燒室位置的提高，1的溫度有逐漸下降的趨勢(shì)，而2、3、4的溫度則顯著上升。二次風(fēng)進(jìn)入位置的升高，會(huì)在燃燒室底部形成一個(gè)相對(duì)缺氧的區(qū)域，導(dǎo)致燃料燃燒溫度降低。另外，值得注意的是，無論一二次風(fēng)配比為（60%，40%）或者（70%，30%），當(dāng)二次風(fēng)進(jìn)入燃燒室中部位置時(shí)，都出現(xiàn)了3溫度高于2的現(xiàn)象。這是由于主燃區(qū)部分揮發(fā)份在燃燒室底部未完全燃燒，由于中二次風(fēng)的加入，未燃燒的揮發(fā)分在此得到充分燃燒，從而出現(xiàn)3溫度升高。

從圖5c可知，與對(duì)照組相比，W1、W2、W3、W4的4種二次風(fēng)多層配風(fēng)方式下，燃燒室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度均有降低，最高在50 ℃以上，尤其1、4處的溫度變化更明顯，這也是煙氣中NOx濃度降低的重要原因。這正是采用多層配風(fēng)方式帶來的重要優(yōu)勢(shì)，但是燃燒室內(nèi)溫度過低可能會(huì)對(duì)玉米秸稈顆粒的燃燒效率產(chǎn)生一定的影響。

3.3 燃燒效率分析

燃燒效率（η）在一定程度上可以反映燃料在設(shè)計(jì)燃燒試驗(yàn)臺(tái)不同工況下的燃燒效果[21]。玉米秸稈顆粒燃燒排出燃燒室的飛灰量較少，因此我們只考慮可燃?xì)怏w和底灰中的未燃盡碳造成的熱損失，計(jì)算公式如（3）、（4）、（5）所示。

η=100?3?4（3）

3=3.2(CO) （4）

式中?為燃燒效率，%；3為可燃?xì)怏w不完全燃燒熱損失，%；4為固體不完全燃燒熱損失，%；為過量空氣系數(shù)；(CO)是指煙氣中的CO體積分?jǐn)?shù)，%。

沒有燃盡的碳主要?dú)埩粼诨以鼉?nèi)中，4的計(jì)算公式[19]可簡(jiǎn)化為

式中ar為原料收到基灰分含量，%；C為灰分中未燃盡的炭量，%；Q為原料收到基熱值，kJ/kg。

根據(jù)式（3）～（5），計(jì)算不同配風(fēng)條件下玉米秸稈顆粒燃燒的熱損失和燃燒效率，結(jié)果如表2。

表2 不同配風(fēng)條件下玉米秸稈燃燒的熱損失和燃燒效率

注：表2中CO的數(shù)值，是由圖3中mg·m-3單位轉(zhuǎn)化為%計(jì)算得到。c為燃燒效率，%；3為可燃?xì)怏w不完全燃燒熱損失，%；4為固體不完全燃燒熱損失，%。

Note: The content of CO in Table 2 was calculated by converting the unit of mg·m-3in Fig.3 into %.cis combustion efficiency, %;3is heat loss from incomplete combustion of combustible gas, %;4is the heat loss of incomplete combustion of solid, %.

從表2可知，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.1時(shí)，玉米秸稈顆粒的燃燒效率較低，僅為99.05%。而過量空氣系數(shù)為1.2、1.3、1.4時(shí)，燃燒效率相差不大，在99.20%～99.22%范圍內(nèi)。與僅存在一次風(fēng)的對(duì)照組相比，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2，隨著二次風(fēng)進(jìn)入燃燒室位置的提高，玉米秸稈顆粒的燃燒效率逐漸下降，當(dāng)二次風(fēng)從最上層進(jìn)入時(shí)，燃燒效率降低至99.12%。而當(dāng)二次風(fēng)在W1、W2、W3、W4的4種二次風(fēng)多層配風(fēng)方式時(shí)，燃燒效率會(huì)進(jìn)一步降低，其中W3的燃燒效率降低程度最大，降低至98.89%。這說明，二次風(fēng)位置的較高或者下層二次風(fēng)量的減少，都會(huì)導(dǎo)致玉米秸稈顆粒燃燒不完全，灰分中含碳率較高，CO濃度顯著提升，并且燃燒室底部位置溫度降低，從而使燃燒效率下降。

3.4 分級(jí)配風(fēng)對(duì)秸稈顆粒燃燒灰渣中元素成分變化影響

玉米秸稈作為典型的秸稈類生物質(zhì)，燃燒時(shí)不僅會(huì)產(chǎn)生較高的NOx排放，同時(shí)燃料層燃燒后灰分由于局部高溫而熔融粘結(jié)形成結(jié)塊，嚴(yán)重影響配風(fēng)及除渣操作，并進(jìn)一步惡化燃燒室內(nèi)溫度分布，加劇熔融結(jié)塊趨勢(shì)。因此，論文重點(diǎn)考察不同配風(fēng)方式下玉米秸稈燃燒結(jié)渣結(jié)塊的影響。將生物質(zhì)顆粒燃燒試驗(yàn)裝置上燃燒所得玉米秸稈灰、玉米秸稈渣粉碎、研磨處理后進(jìn)行SEM和XRD檢測(cè)和分析，如圖6。

從圖6可以看出，玉米秸稈燃燒所得灰分處于松軟的狀態(tài)，比較碎且硬度很低。然而，燃燒所得結(jié)渣外觀為玻璃狀物質(zhì)，硬度很大，內(nèi)部為燃燒很不充分的玉米秸稈顆粒。由于玉米秸稈原料中的Si質(zhì)量占到了5%左右，燃燒后將形成大量的SiO2，K含量僅次于Si含量，因此玉米秸稈燃燒所得灰分及結(jié)渣中存在大量SiO2與KCl，兩者易形成低熔點(diǎn)的共結(jié)晶化合物[22]。當(dāng)燃燒室內(nèi)存在局部高溫區(qū)域時(shí)，會(huì)形成大量結(jié)渣結(jié)塊現(xiàn)象。

為了對(duì)不同配風(fēng)條件下玉米秸稈顆粒燃燒結(jié)渣結(jié)塊程度進(jìn)行評(píng)估，參考國家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 1572-2018 煤的結(jié)渣性測(cè)定方法》，將燃燒后的灰渣進(jìn)行收集、稱質(zhì)量，放置在安裝有6 mm篩網(wǎng)的SC-600型振動(dòng)篩上進(jìn)行篩分30 s，篩分結(jié)束后收集留在篩網(wǎng)上面的渣塊進(jìn)行稱質(zhì)量，結(jié)渣率計(jì)算公式如式（6）：

式中為結(jié)渣率，%；1為粒度大于6 mm的渣塊，g；2為渣塊總質(zhì)量，g。

表3為不同配風(fēng)工況條件下，玉米秸稈顆粒燃燒室內(nèi)燃料燃燒區(qū)溫度1及結(jié)渣率變化情況。

表3 各工況燃燒對(duì)應(yīng)的T1溫度和結(jié)渣率

由表3可以看出，玉米秸稈顆粒燃燒結(jié)渣率隨燃料燃燒區(qū)溫度1的升高而顯著增大，這說明燃料燃燒區(qū)溫度1是影響玉米秸稈顆粒燃燒結(jié)渣的重要因素。隨著過量空氣系數(shù)的增大，結(jié)渣率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。與對(duì)照組相比，當(dāng)進(jìn)行一二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)時(shí)，玉米秸稈的結(jié)渣率呈降低趨勢(shì)，尤其當(dāng)二次風(fēng)進(jìn)入燃燒室的中層位置時(shí)（MS），結(jié)渣率可降低至11.2%左右。當(dāng)采用二次風(fēng)多層配風(fēng)時(shí)，4種工況下的結(jié)渣率得到大幅度下降，最低發(fā)生在W4工況中，結(jié)渣率為4.5%。造成這種結(jié)果的根本原因，在于此時(shí)燃燒室底部溫度較低，且二次風(fēng)多層配風(fēng)的加入對(duì)底灰中K、Na等元素的氣相釋放產(chǎn)生了影響。因此通過合理的多層配風(fēng)，能夠有效降低易結(jié)渣生物質(zhì)原料的結(jié)渣率。

圖7為不同配風(fēng)條件下，玉米秸稈燃燒產(chǎn)生NOx濃度與結(jié)渣率試驗(yàn)結(jié)果。

從圖7可以看出，在大多數(shù)情況下，燃燒結(jié)渣率與煙氣中NOx濃度變化具有較好一致性，即結(jié)渣率較低時(shí)相應(yīng)的煙氣中NOx濃度也較低。當(dāng)然也有一些例外情況，如當(dāng)過量空氣系數(shù)較大時(shí)（EAC1.3和EAC1.4），結(jié)渣率較高而NOx濃度較低，主要原因是此時(shí)空氣量較多對(duì)生成的NOx進(jìn)行稀釋，而燃料燃燒區(qū)溫度T1較高造成的。另外，與對(duì)照組相比，當(dāng)采用多層二次風(fēng)配風(fēng)方式時(shí)，均能夠顯著降低玉米秸稈燃燒結(jié)渣率和NOx排放濃度，其中W1工況最優(yōu)，結(jié)渣率約為5%，NOx排放濃度在150 mg/m3以內(nèi)，此時(shí)仍需要配合煙氣脫硝設(shè)備，以滿足各地區(qū)對(duì)鍋爐大氣污染物排放要求。

3.5 分級(jí)配風(fēng)下的秸稈顆粒燃燒結(jié)渣指數(shù)預(yù)測(cè)

灰渣的性質(zhì)主要取決于其成分。目前對(duì)于不同類型的生物質(zhì)燃燒還沒有適用性較好的結(jié)渣判斷標(biāo)準(zhǔn)，選擇4種常用的結(jié)渣指數(shù)，對(duì)不同配風(fēng)工況下玉米秸稈顆粒的燃燒結(jié)渣傾向進(jìn)行分析。包括：硅比指數(shù)、堿酸比（/）、Na含量指數(shù)（Na (index)）、堿性指數(shù)Alc，計(jì)算公式如式（7）～（10）所示[21-23]。

硅比指數(shù)G：

式中當(dāng)量Fe2O3=Fe2O3+1.11FeO+1.43Fe。

堿酸比/：

Na含量指數(shù)：

堿性指數(shù)Alc：

式中ad為燃料空氣干燥基中灰分的百分含量，%；HHV為燃料在干燥基和定容條件下的高位發(fā)熱量，GJ/kg。

根據(jù)不同配風(fēng)工況下所得結(jié)渣灰分的無機(jī)元素含量，通過公式（9）～（12）可計(jì)算出玉米秸稈顆粒燃燒4種結(jié)渣預(yù)測(cè)指數(shù)，如圖8所示。

根據(jù)各結(jié)渣指數(shù)的判定范圍[24-25]，對(duì)于硅比來說，結(jié)渣指數(shù)為輕度結(jié)渣，并且隨著燃料燃燒區(qū)溫度1的升高呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，意味著溫度1越高，越不容易結(jié)渣，這一點(diǎn)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)相違背。對(duì)于堿酸比來說，結(jié)渣指數(shù)為中度結(jié)渣，但是溫度1越高，堿酸比預(yù)測(cè)結(jié)渣程度越低，也與實(shí)際不相符。同樣，Na含量指數(shù)、堿性指數(shù)得出結(jié)渣指數(shù)為嚴(yán)重結(jié)渣，但是隨著溫度1越高，預(yù)測(cè)結(jié)渣程度也越低，這與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果同樣不相符。

對(duì)于生物質(zhì)灰而言，與煤相比其堿金屬含量較高，硅、鋁等元素含量較低，因此其堿酸比、硅鋁比等結(jié)渣指數(shù)的取值范圍與煤灰相比有很大差異，偏離煤結(jié)渣指數(shù)判別界限很遠(yuǎn)[26-27]。因此，上述4種結(jié)渣指數(shù)均不能根據(jù)玉米秸稈燃燒結(jié)渣中無機(jī)元素含量，正確預(yù)測(cè)不同燃料燃燒區(qū)溫度1變化時(shí)的結(jié)渣傾向。為此，需要對(duì)結(jié)渣預(yù)測(cè)指數(shù)進(jìn)行修正?？紤]到玉米秸稈顆粒燃燒結(jié)渣率與溫度1有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，由圖8可以看出不同燃燒工況下與溫度1具有較好的擬合度，為此在硅比指數(shù)G中引入燃料燃燒區(qū)溫度1作為變量（僅利用1的值，而不考慮其單位）。修正后的公式如下：

G=G×1.1?1×0.03% （11）

計(jì)算出不同燃料燃燒區(qū)溫度1時(shí)相應(yīng)的修正后硅比指數(shù)G結(jié)果如圖9。

可以看出，隨著燃料燃燒區(qū)溫度1不斷升高，G呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，意味著結(jié)渣傾向越來越嚴(yán)重。溫度1接近800 ℃時(shí)，G值約在0.66～0.67之間，進(jìn)入嚴(yán)重結(jié)渣判定區(qū)域。而溫度1在680 ℃左右時(shí)，G值相對(duì)較大，在中度結(jié)渣判定范圍，因此修正后的G可以很好地對(duì)玉米秸稈顆粒因燃料燃燒區(qū)溫度1引起的結(jié)渣傾向變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)二次風(fēng)多層配風(fēng)燃燒結(jié)渣預(yù)測(cè)可提供一定的依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種具有多層二次風(fēng)的生物質(zhì)燃燒試驗(yàn)裝置。當(dāng)采用一、二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)時(shí)，能夠顯著降低煙氣中NOx的濃度。二次風(fēng)位置較高或下層二次風(fēng)量的減少，都會(huì)導(dǎo)致玉米秸稈顆粒燃燒不完全，CO濃度顯著提升。

2）與對(duì)照組相比，采用多層二次風(fēng)配風(fēng)，燃燒室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度均有所降低，降低幅度最高在50 ℃以上，煙氣中NOx濃度顯著降低，NOx降低率在38%～53%之間。此時(shí)，玉米秸稈顆粒燃燒結(jié)渣率大幅度下降，W4工況時(shí)最低，結(jié)渣率為4.5%。所有工況中，W1工況的燃燒結(jié)渣率和NOx濃度均較低，綜合評(píng)價(jià)為最優(yōu)工況。

3）堿酸比、堿性指數(shù)Alc、Na含量指數(shù)、硅比指數(shù)G等4種結(jié)渣指數(shù)，均不能正確預(yù)測(cè)因燃料燃燒區(qū)溫度1變化而造成的結(jié)渣傾向變化，因此，在硅比指數(shù)G中引入溫度1作為變量，修正后的硅比指數(shù)G可以很好地對(duì)玉米秸稈顆粒隨燃燒區(qū)溫度1的結(jié)渣傾向進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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Liu Shanjian, Wang Shuaichao, Yi Weiming※, Li Yongjun, Feng Xiangdong

(,,255000,)

Biomass refers to the material derived directly from plants, thereby serving as a renewable, low-carbon emission, and environment-friendly energy source. Straw biomass is characterized by high alkali metal and ash content, where the ash caking easily occurs during combustion. This feature has become one of the most important factors limiting the use of industrial boiler fuel, particularly affecting the air distribution and complete combustion in the reaction chamber. In this study, a biomass combustion test device was designed with multi-layer secondary air, thereby explorg the influence on the NOxreduction rate and slagging in corn straw particle combustion. Two types of parameters were set firstly, including different primary and secondary air grading ratios, and the multi-layer ratios of secondary air. An evaluation was also made on the concentration of pollutants, such as CO and NOxin flue gas, combustion efficiency, and ash slagging rate. The results show that the concentration of NOxin flue gas significantly reduced, when the primary and secondary air were distributed in stages, whereas, the concentration of CO and NOxin flue gas changed in opposite directions, showing a competitive relationship. Specifically, a higher secondary air position or lower secondary air volume led to incomplete combustion of corn straw particles, and a significant increase in CO concentration. The temperature at each measuring point and the NOxconcentration in the flue gas in the combustion chamber was reduced significantly, compared with the control group, under different secondary air distribution modes. Moreover, the emission of the lowest NOxconcentration was released in W1working condition, about 150 mg/m3. The NOxconcentration was also significantly reduced, whereas, the slagging rate decreased greatly, with the lowest of 4.5%, when the secondary air was equipped with multi-layer air. The slagging rate of corn stalk increased significantly, with the increase of temperature1, indicating that the temperature T1was an important factor affecting the slagging of corn stalk particles during combustion. Correspondingly, the best working condition was achieved, where there was a relatively low NOxconcentration and slagging rate under W1working conditions. Furthermore, the incomplete combustion of corn stalk particles was attributed to the higher secondary air position or the lower secondary air volume, whereas, the CO concentration was attributed to the higher carbon content in ash. Additionally, the combustion efficiency decreased at the low temperature on the bottom of the combustion chamber. Consequently, four slagging indexes cannot correctly predict the change of slagging tendency under various fuel zone at temperature1, such as acid-base ratio, alkalinity index Alc, Na content index, and silicon ratio index. More importantly, when the temperature1was introduced into the silicon ratio index g, the modifiedGcan be expected to well predict the slagging tendency of corn straw particles in the combustion zone.

combustion; physicochemical property; maize stover; secondary air distribution; slagging index; NOxconcentration

柳善建，王帥超，易維明，等. 多層二次風(fēng)配風(fēng)對(duì)玉米秸稈顆粒燃燒降低NOx產(chǎn)率及結(jié)渣的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(15)：222-231.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.027 http://www.tcsae.org

Liu Shanjian, Wang Shuaichao, Yi Weiming, et al. Influences of multi-layer secondary air distribution on NOxreduction rate and slagging tendency of maize stover particle combustion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 222-231. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.027 http://www.tcsae.org

2021-03-27

2021-06-15

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFD1100600）；國家自然科學(xué)基金（51606113）

柳善建，博士，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)潔凈高效燃燒與優(yōu)化技術(shù)。Email：liushanjian08@163.com

易維明，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源與材料技術(shù)。Email：yiweiming@sdut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.027

TK6; S216.2

A

1002-6819(2021)-15-0222-10