0、引 言 全世界大约一半的人口燃用固体颗粒燃料做饭、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。 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，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成型燃料炉为例，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4h，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。 为了得到该生物质成型燃料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、NO.和排烟温度之间的规律，指出了降低污染物排放的新方向，同创新能源生产销售木屑颗粒机、秸秆压块机等生物质燃料成型机械设备。 1、生物质成型燃料炉工作原理 试验用生物质成型燃料炉额定功率为10kW，主要由炉膛、炉排、辐射及对流传热面、点火棒、引风机、贯流风机、料斗、螺旋给料器等组成，其结构如图1所示。 生物质成型燃料炉工作过程；启动生物质成型燃料炉的开关，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 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小火焰到排烟温度达到稳态所对应的值时的过程，点火采用冷炉点火和热炉点火两种方式，冷炉点火是指在环境温度下直接点火的方式，热炉点火是指等炉子鼓风冷却结束后再立即点火的方式。熄火过程定义为，按下停炉按钮后，炉子自动鼓风冷炉过程。根据用木块点燃的住宅空间加热设备要求和试验方法(EN 14785-2006),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，烟气采样孔取在距法兰下游方向6倍管径处，如图1中所示。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。 2.2成型燃料的理化特性 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8.5和6.5 mm，长度约为20 mm。试验前利用GR-3500型氧弹式热量计、5E-MAG6600型工业分析仪和Vario EL III型元素分析仪分别对两种燃料的低位发热量、工业分析和元素分析值进行了测量，结果见表1。 3、结果与分析 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的比较，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NO；含有NO和NOx（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。标准大气压下两种成型燃料NOOOO的排放量(mg／ma)随排烟温度()的变化情况如图2所示。 图2表明：冷炉点火过程中，两种成型燃料NO的排放呈相同规律。随着排烟温度的升高，NO的质量浓度呈增大趋势，且达到一定值时，NO的排放量趋于稳定。这两种燃料趋于稳定时达到的排烟温度和NO的排放量不同。在排烟温度上升到某一值（秸秆：39，木质：45）之前，炉排上火焰很小，NO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NO的缘故。这段过程，生成的NO，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NO。的生成，因此，从图Z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NO；生成速度开始加快对应的排烟温度比燃用木质的要低。整个点火过程中，燃用木质成型燃料，NOx的最高排放量为70.1mg/m3，平均排放量为33.1mg/m3；燃用秸秆成型燃料，NO，的最高排放量为126 mg／m3，平均排放量为70.4mg/m3。燃用秸秆成型燃料NOx的排放量是燃用木质燃料的2倍，主要是因为木质燃料的含氮量高于秸秆燃料。而且，两种燃料稳定燃烧时N0。的排放量高于点火过程的排放量。 3.1.2 冷炉点火过程CO的排放规律 生物质颗粒燃料的燃烧过程分为脱水、挥发分析出、挥发分燃烧、焦炭燃烧和燃烬阶段，各个阶段对应的温度范围不同。其中，co的生成主要是在第三、四阶段。冷炉点火过程两种成型燃料CO的排放量随排烟温度的变化趋势如图3所示。 冷炉点火过程中，两种成型燃料CO的排放呈相似规律，整个过程中co的排放量出现了两个峰值。当炉膛温度达到一定值时，炉排上的料逐渐达到着火燃烧，这时由于炉膛温度较低，燃料进行不完全燃烧，促进了CO的生成，而且，炉排上料层较薄，通风条件好，烟气停留时间短，生成的CO来不及被氧化就离开炉膛，因此，烟气中CO的质量浓度逐渐增大。与木质颗粒相比，玉米秸秆具有较低的活化能，挥发分析出速率快，易达到着火浓度而点燃，着火温度低，因此，燃用玉米秸秆CO质量浓度达到第一个峰值对应的排烟温度(30)比燃用木质颗粒的(34)要低。随后，炉膛温度逐渐升高，有利于CO的氧化反应，CO的质量浓度随排烟温度的升高而降低。当炉膛温度上升到一定值时，贯流风机功率增大，强化了换热，这时，炉排上的火焰极不稳定，CO的质量浓度随排烟温度近似呈直线关系增大，并达到第二个峰值。 由于炉膛温度的进一步升高，有利于CO的氧化反应，而且，料层的厚度增厚，通风阻力增大，延长了烟气的停留时间，由图3可以看出，CO的排放量逐渐减小，并达到一定的稳定值。燃用玉米秸秆，当排烟温度为53时，CO的排放量达到最大值(748 mg/m3)，整个过程平均质量浓度为385mg／m3，最后达到的稳定值为153 mg/m3；燃用木质成型燃料，当排烟温度为33时，CO的质量浓度达到最大值(401mg／m3)，整个过程平均排放量为218 mg／m3，最后达到的稳定值为101mg／m3。由此可见，点火过程CO的排放量远高于稳态燃烧时的排放量。 3.1.3 冷炉点火过程CO与NO质量比随排烟 温度的变化规律 冷炉点火过程CO与NO质量比随排烟温度的变化规律如图4所示。 在冷炉点火的过程中，本文通过回归分析得出，CO与NO.的质量比有一定的规律性，对于燃用玉米秸秆燃料，CO与NOx的质量比随排烟温度的升高呈指数关系减小；燃用木质颗粒，CO与NOx的质量比随排烟温度的升高呈乘幂关系减小。Kituyi等在研究燃用木质燃料生物质炉的CO和NO：的排放规律时指出NO；/C02和CO/C02的值接近为一个常数，对于不同的炉型，其值不同。本文采用文献[9]的测量值，也得到与本次试验相似的结果，见图4。此外，Balland-Tremeer和Jawurekno]在分析燃用木质燃料炊事炉的性能时，指出S02/CO接近一个常数。因此，可以推断，一种污染物的排放量不仅与炉膛温度、过剩空气系数有关，还与其他污染物的排放量有关，但是，其中的内在关系，还尚待研究。 3.2热炉点火过程 3.2.1热炉点火过程NO.的排放规律 热炉点火过程两种成型燃料NO：的排放量随排烟温度的变化趋势如图5所示。 热炉点火过程中，随着排烟温度的升高，NOx的质量浓度呈增大趋势。燃用秸秆成型燃料时，NOx的排放量与排烟温度近似呈线性关系，这与冷炉点火的规律不同。燃用木质成型燃料时，排烟温度在78之前，NOx的排放量缓慢上升，之后NO。的排放速度增大，排放规律与冷炉点火相似。热炉点火时，燃用木质颗粒，NOx的平均排放量为13.6 mg／m3，仅为冷炉点火的41%。而燃用玉米秸秆成型燃料，N0；的平均排放量为100.6mg，m3，比冷炉点火的要高。 3.2.2 热炉点火过程CO的排放规律 热炉点火过程两种成型燃料CO的排放量随排烟温度的变化趋势如图6所示。 热炉点火过程，燃用玉米秸秆的CO排放规律与燃用木质的不同。燃用玉米秸秆时，随着排烟温度的升高，CO的质量浓度呈先增大后减小的趋势，且排烟温度达到一定值时，CO的生成趋于一稳定值，为144 mg／m3。当排烟温度为89时，CO的质量浓度达到最大值，为360 mg／m3。燃用木质燃料时，排烟温度由40上升到61的过程中，CO的质量浓度随排烟温度的升高而增大，排烟温度由61上升到92的过程中，随着排烟温度的升高，CO的质量浓度近似不变，维持在(125士18) mg／m3，之后，随着排烟温度的升高，CO的质量浓度成下降趋势，且趋于一稳定值，为77 mg/m3。整个过程中，燃用玉米秸秆,CO的平均质量浓度为178mg/m3，为冷炉点火的46%;燃用木质燃料，CO的平均质量浓度为106mg／m3，为冷炉点火的48%。与冷炉点火相比，热炉点火CO的质量浓度变化范围要小，而且稳定燃烧达到的排烟温度也高。 通过对点火过程结果的分析可知，点火过程中，co的排放量远高于稳态时的浓度，采用热炉点火的方式，CO的排放量可以降低至原来的一半左右，而且，还提高了炉膛温度，提高了热效率。因此，加强炉体的保温，有助于降低CO的排放。对于热炉点火和冷炉点火过程NO，的排放，两种燃料出现了不同的结果，因此，要想降低NO。的排放，对于不同的燃料，要采取不同的措施。 4、熄火过程 4.1 熄火过程NOx的排放规律 熄火过程两种成型燃料NOx的排放量随排烟温度的变化情况如图7所示。 熄火过程中，随着排烟温度的降低，NO，的质量浓度呈下降趋势。排烟温度从稳态时的值降到某一值（秸秆：118，木质113）时，炉膛中NO的排放量降低的速度很快，这是抽吸的冷空气稀释烟气的结果，而且，N0；的质量浓度与排烟温度近似呈线性关系。之后炉膛内火焰突然加长，且这一段过程，NO.的排放量趋于稳定。随后，炉排上的余料燃尽，NO.的排放量逐渐降低为0。熄火过程，燃用木质燃料，NO.的平均排放量为8.7 mg／m3；燃用秸秆，NO，的平均排放量为45.3 mg/m3，是燃用木质燃料的5倍。 4.2 熄火过程CO的排放规律 熄火过程两种成型燃料CO的排放量随排烟温度的变化情况如图8所示。 熄火过程中，co的质量浓度随排烟温度的降低呈先增大后降低的趋势，而且，整个过程，C0的质量浓度变化较快。当排烟温度降到75左右时，燃用两种燃料的C0的排放量达到最大值，燃用木质燃料时为1 399 mg/m3，高于燃用秸秆燃料的1090mg／m3。这主要是因为燃用秸秆燃料时出现结渣现象，增大了通风阻力，延长了烟气的停留时间，促进了CO的氧化。燃用木质燃料，co的平均质量浓度为488mg/m3，是稳态燃烧时的4.5倍；燃用秸秆CO的平均质量浓度为543 mg／m3，是稳态燃烧时的3.6倍。 通过对熄火过程的结果分析可知，熄火过程，NO的排放量很低，但是，C0的排放量却很高，为此,Ozil等指出在烟道中安装一种以氧化铝为载体的催化剂，可以减排C0 70%左右。 5、结 论 1)通过对点火和熄火过程中污染物(NOz，CO)排放量和排烟温度的检测，可知，点火和熄火过程中污染物排放规律和稳态时不同，点火过程，Nq的平均排放量比稳态时要低，而cO的平均排放量比稳态时要高。熄火过程，NO；的平均排放量很低，而CO的平均排放量是稳态的4倍左右。 2)通过比较冷炉点火和热炉点火过程污染物排放规律的不同，可知，对于NO。的排放，玉米秸秆和木质的结果不同，因此，要想降低NO的排放，对于不同的燃料要采取不同的措施；加强炉体的保温可以降低Co的排放。 3)冷炉点火过程中，燃用玉米秸秆成型燃料，CO与NO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NO，的质量比随排烟温度呈乘幂关系减小。因此，一种污染物的排放量不仅与炉膛温度，过剩空气系数有关，还与其他污染物的排放量有关，其中的内在关系，尚待进一步研究。