关键词：生物质；燃烧。烟气排放；木质燃料；N0；S02
0 引 言
生物质燃料来源广、产量大，相对天然气、柴油具有使用成本低、可再生等特点。目前国内对生物质成型燃料的开发、利用和研究仍处于粗放型发展阶段，燃烧、烟气排放特性等技术、政策层面的指导依据仍不具体、不全面。为推动生物质能源广泛使用，国内外有关专家、学者对此进行了深入广泛的探索。国内对生物质成型燃料燃烧排放特性的研究主要集中于两方面：一是基于微量细颗粒的微观研究，避免燃料内部传热传质对燃烧过程的影响；二是基于大颗粒堆积燃烧的宏观研究偏向于整体燃烧以及烟气排放特性的探讨。国外在生物质燃料热解、燃烧等方面的研究表明：生物质成型燃料内外部传热传质过程对其热解、燃烧产物的生成有着密切联系，燃料自身成分也直接影响燃烧产物排放特性。
因此，微量细颗粒或层状大颗粒燃烧试验均无法全面呈现燃烧中单个颗粒的燃烧特点，未能从根本上表现生物质成型燃料实际燃烧及其排烟特性。同时，目前对生物质成型燃料燃烧烟气排放特性的研究主要集中于低温段(≤1 000℃)，对较高温段烟气生成规律仍缺乏研究。本文选用工业锅炉使用较多的木质成型燃料作为研究对象，研究800-1200℃下单个木质颗粒燃烧过程CO、NO、S02等气体排放特性，以期为生物质燃料高效、洁净利用提供参考依据。
1 试验部分
1.1 试验装置
试验系统如图1所示。主体部分为武汉亚华电炉有限公司生产的SK-4-4-16Q管式气氛炉，管内径为60 mm，加热有效长度为300 mm，加热元件为硅钼棒，最高工作温度1 550℃。试验过程中恒定通入空气(3、4、5 L/min)作为反应气，当炉内温度达到试验设定温度时，将装有木质颗粒燃料的坩埚迅速送入反应器中心加热部位，燃烧产生的烟气经过滤接入德国MRU公司生产的VARlOplus Industry型烟气分析仪，在线记录烟气中02、CO、NO、SO-,等不凝气体体积浓度，采样时间间隔为2s。
1.2验材料
试验材料采用佛山某企业生产的木质生物质成型燃料，其原料主要是家具加工用剩余木材，包括桉树、榉木、桦木等，经破碎、挤压成直径约为8 mm，长度为40～60 mm的柱状致密颗粒。为保证样品具有代表性，从同一生产批次多点取样，其工业分析及元素分析结果见表1。试验前对木质颗粒两端进行剪切至尽量平齐（图2），颗粒质量为(1000±5)mg。
从图3a-- 3c可看出，随着温度升高，CO析出峰越窄，这是因为温度越高，燃料燃烧速率越大，从挥发分开始析出至焦炭燃烧完成所需时间就越少。因此，燃料在高温下具有较好的燃烧特性。
温度为800℃时，CO浓度于20 s前后达到第1峰值，继而下降，40 s左右再继续上升，便形成第2峰。该温度下木质颗粒刚送进加热炉时，因表面和内部热量传输速率小，少量含CO挥发分析出并不断增加，加热至20 s颗粒表面温度达到着火点，挥发分开始着火燃烧，CO浓庋下降。随着燃烧不断深入，颗粒内部积聚的热量加速挥发分析出。
1.3计算方法
通过对CO、NO、S02等气体浓度曲线积分可估算其排放量：
2结果与分析
2.1CO排放特性
烟气中CO浓度变化直接反映燃料实际燃烧情况，也可以此判断挥发分析出和燃烧过程与其他燃烧产物互相影响的程度。图3是在不同温度和空气流量下木质颗粒燃料燃烧过程CO排放浓度及其排放量变化情况。继而下降，40 s左右再继续上升，便形成第2峰。该温度下木质颗粒刚送进加热炉时，因表面和内部热量传输速率小，少量含CO挥发分析出并不断增加，加热至20 s颗粒表面温度达到着火点，挥发分开始着火燃烧，CO浓度下降。随着燃烧不断深入，颗粒内部积聚的热量加速挥发分析出。使得燃烧反应更加剧烈，因空气流量恒定，颗粒表面0：瞬间消耗加大，形成缺氧氛围，从而产生大量C0。挥发分析出达到峰值时，CO浓度也达到第2峰值，而此时挥发分析出量大于着火时析出量，所以CO浓度第2峰高于第1峰。
空气流量为3 L/min时，1 100和1 200℃的CO浓度峰值远高于800～1 000℃，而空气流量为4、5 L/min时则相反。前者是因为木质燃料于高温下挥发分析出快，0：瞬间消耗大，形成贫氧燃烧氛围（如图4所示），使得C0排放浓度和排放量明显增大，如图3d所示；同时，高温下NO生成量较大，部分CO与其发生还原反应，降低CO排放浓度及其排放量。
2.2 NO排放特性
生物质燃烧过程最高温度一般不超过1 300℃[14-15]，NO排放量占NO,总量90%以上‘16]，故本文着重分析N0排放特性。本试验条件下，快速型和热力型N0生成量极小，燃料型N0生成量较大，其中大部分来自于挥发分N，少部分来自焦炭N[17J 8]。大部分燃料N通过气相N形式生成N0前驱物（HCN、NH，和HNC0），在氧化性气氛中氧化生成N0，或在还原性气氛中将N0还原为N2；焦炭N主要通过氧化反应生成N0。
图5a～5c是不同空气流量和温度下木质颗粒燃料燃烧过程N0排放浓度曲线。由图可知，N0排放峰值在800～1 000℃范围内达到最大值，随着温度增加时，N0排放峰值明显下降。挥发分中气相N以NH3为主，HCN次之，而N0生成与挥发分中NH3、HCN随温度变化规律直接相关。在800～900℃范围内，NH3生成率达到稳定值或略有减少，而HCN生成率则随温度升高而增加‘13，20]，因此4和5 L／min空气量下温度为800℃时木质燃料燃烧过程N0浓度峰值比900℃时的低。随着温度继续升高，燃烧速率显著提高，进而导致0，加速消耗，使得0，浓度下降，形成更多的C0等还原性气体，从而使部分N0被还原为N2，N0浓度峰值随温度升高而下降。而3 L／min空气流量下，木质燃料在900℃时N0排放浓度峰值并没有明显高于800℃的浓度峰值，这是因为在2个温度环境下该空气流量均不足以为挥发分中NH，、HCN氧化成N0提供足够的02。
从图5b和图5c可看出，4和5 L/min空气流量下NO浓度曲线变化趋势比较接近，说明木质燃料充分燃烧时其反应过程差异较小，NO生成与排放特性也相对稳定。而3 L/min空气流量下NO浓度曲线较充分燃烧时NO浓度曲线复杂，温度高于1 000℃时呈现明显的双峰状。试验发现，温度为1 100、1 200℃时，木质燃料不充分燃烧生成大量CO，同时伴随CH4等碳氢化合物和S02生成，与挥发分氮化合物在析出和燃烧过程发生复杂的化学反应，NO生成和排放过程更复杂。
图5d为不同温度和空气流量下NO排放总量。由图可知，木质燃料充分燃烧时，NO排放量在温度为900℃时达到最大值，这与Tian”，201的分析结果一致。温度较高(≥900℃)时，减少空气量的供给，可明显降低NO排放量和燃料N转化率（表2）。因此，木质燃料燃烧最剧烈的挥发分燃烧阶段控制在贫氧燃烧状态，可降低燃烧过程NO排放量。
2.3 S02排放特性
木质燃料燃烧过程中，S的排放形式以气相硫化物如H，S、S02）为主，在挥发分燃烧和焦炭燃烧2个阶段均有发生。前者主要为热稳定性较差的有机硫分解析出，后者为无机硫酸盐分解所致。本文仅关注对环境产生直接影响的S0：排放特性。
试验发现，木质燃料于4和5 L/min空气量下燃烧均无S0，排出，而3 L/min空气流量下燃烧也仅于1 100和1 200℃检测到S02，如图6所示。低温下，挥发分中有机硫主要以H，S、COS等形式析出，在其析出和燃烧过程进一步与燃料中矿物质发生反应，从而形成无机形式的硫化物。在富氧环境中，低温下S易于被颗粒炭架吸，而高温下炭架吸附能力下降，S析出过程的中间产物被氧化生成S02，与碱金属元素形成稳定的无机硫酸盐(如反应式(1))存于气相中‘10，23]。由CO排放浓度曲线可知(图3a～3c)，4、5 L/min空气流量800～1200℃和3 L/min空气流量800～1 000℃情况下木质燃料为充分燃烧状态，燃烧过程析出的S0：随即与碱金属反应生成硫酸盐，故SO,对外排放几乎为0。
由图6可知，有且仅有木质燃料在3 L/min空气流量且温度为1 100和1 200℃时燃烧才有S02排出，其转化率不高于35%（表3）。这是因为木质燃料在1 100和1 200℃时为贫氧燃烧，燃料燃烧过程02供给相对不足，式(1)反应不明显，已生成的S02未完全转化为硫酸盐即随烟气排出。另外，贫氧燃烧下燃料颗粒表面0：浓度较低，使得焦炭燃烧速率受到限制，故燃烧过程炭架保持完整，有利于吸附焦炭燃烧过程析出的S02，并以硫酸盐形式稳固于炭架上。随着焦炭燃烧不断深入，炭架上的硫酸盐受热分解或瓦解后与Si02. Ti02等酸性物质反应，生成少量S02排出，便形成S0：浓度曲线第2峰。温度为1 200℃时，木质燃料处于极度贫氧燃烧状态，S02析出只发生于挥发分析出初期，此后的S主要以H2S、CaS等形式排出。
3结论
1)空气流量为4和5 L/min时，CO析出浓度峰随温度升高而变窄，即从挥发分析出至焦炭燃烧完成所需时间越少；800℃时，挥发分着火燃烧前即有明显的CO析出，着火后CO析出浓度更高，直至挥发分析出减少才开始下降。
2)反应温度为900℃时，NO排放浓度及其排放量达到最大值，燃料N至NO的转化率最高可达41.7g%;随着温度升高和燃烧过程还原气氛增强，部分NO被还原，NO析出浓度及其排放量明显减少，3 L/min空气流量下温度为1 200℃时，只有12.32%燃料N向NO转化。
3)木质颗粒燃料燃烧过程S0：析出主要源自挥发燃烧阶段有机硫的分解、氧化，也有少量由焦炭燃烧阶段无机硫分解生成；充分燃烧时几乎无S0：排出，S主要转化为硫酸盐固存于灰分或于高温时随烟气排出，而贫氧燃烧状态下，部分S以SO：形式排出，其转化率最高为33.78%。
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