生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉的设计及低NOx排放效果_木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源

摘要： “生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉的设计及低 NO x 排放效果”命题的提出，是基于生物质成型颗粒燃料燃烧时所具有的特性以及燃烧过程中产生大量的 NOx等空气污染物为前提的。三次配风锅炉是通过控制配风的供给量，在炉膛内通过相关的还原反应，将 NO x 等空气污染物转化为清洁物质，进而减少空气污染。本文首先介绍生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉结构原理的同时，通过生物质成型颗粒燃料—玉米秸秆的试验，说明有效的改变三次配风的供给量，可以使得 NO x 生成浓度达到最小。
关键词：生物质成型颗粒燃料；三次配风锅炉；NO x ；还原反应
1、前言
生物质能源主要来源于农村，含量多，例如农作物秸秆、人畜粪便等，属于可再生能源。其主要的组成成分为 C、O、N、S等元素，在直接利用过程中，无可避免会产生 NO x 等污染性气体，且由于 N 的含量较多，产生大量 NO x 污染物，这严重影响大气环境。实际上，在生物质能源燃烧的重点是的控制 NO x 气体污染物的排放量，富通新能源生产销售的秸秆颗粒机、木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料如下所示：秸秆颗粒机压制的玉米秸秆生物质颗粒燃料

秸秆木屑颗粒机工作视频如下所示：

NO x 和硫氧化物的来源是挥发份通过析出、燃烧以及焦炭的燃烧所产生，因而我们可以通过改变炉膛内的燃烧方式，减少 NO x 等污染性气体的排放。生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉是通过控制配风的供给量，改变三次配风的比例，在炉膛内，将 NO x 等空气污染物通过还原反应，转化为清洁物质，并通过不同的配风比例和过剩空气系数，改变 NO x 等空气污染物的排放量，这是锅炉的设计的依据和参考。
2、生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉的结构设计
2.1生物质成型颗粒燃料的燃烧特性生物质成型颗粒燃料燃烧方式为静态的、渗透式的、扩散燃烧。燃烧过程分为 5个阶段，所需时间大约为 50min左右。第一阶段是可燃性气体在生物质成型颗粒燃料表面与氧气发生化学反应，形成火焰；第二阶段为生物质成型颗粒燃料在表层处进行过渡燃烧，形成较长火焰；第三阶段是生物质成型颗粒燃料从表层进入想更深层渗透，进行碳燃烧，生成 CO；第四阶段生物质成型颗粒燃料向更深一层燃烧，主要进行碳燃烧，生成 CO2，出现燃烬壳；第五阶段是燃烬壳进一步加深，可燃物基本燃尽，灰球变暗红色，完成整个燃烧过程。
基于此燃烧特性，生物质成型颗粒燃料锅炉都应包括灰室、炉排、炉膛、炉门、配风环、烟筒水套等组成，本文采用的是三次配风。锅炉设计的重点是炉膛参数的确定，这是由于燃料的充分燃烧实在炉膛内充分进行的。确定炉膛大小的主要指标是炉膛容积热负荷，也就是说，每立方米炉膛内每小时燃料燃烧的热量。此外还有吊火高度（锅炉低于炉排之间的垂直距离）的确定，它与燃料种类和锅炉大小有关。本文主要运用的是三次配风的生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉。
2.2 生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉的结构原理在生物质成型颗粒燃料中，挥发份约在 70% 以上，它在层燃过程中逐渐析出，未燃烧的挥发份会随着烟气，在炉膛内进行流动。生物质成型颗粒燃料燃烧锅炉包括设计层燃和气化燃烧区两部分，采取的三次配风方式可以提高燃烧的效率。三次配风锅炉机构原理如图 1所示。图 1中，A1、A2、A3分别表示一次风入口、二次风入口以及三次风入口；Z1表示热解气化区；Z2和 Z3分别表示层燃区和气化燃烧区。其中一次风经炉排低部进入，实现层燃燃烧；二次风经炉膛处进入，实现加快挥发份蠕动；三次风经气化燃烧室进入，实现挥发份残留物的彻底燃烧。具体流程是生物质成型颗粒燃料经炉膛进入热解气化区，在氧含量不足的前提下，生成半焦类固体以及还原性气体，接着半焦类固体会随着链条炉进入到层燃燃烧区，实现挥发份的充分的燃烧，释放热量的同时也伴随大量的氮氧化物等气体的产生。还原性气体经热解气化区流入到气化燃烧室，在二次风扰动的影响之下，还原性气体与氮氧化物发生还原反应。气体中未燃烧的挥发份则会进入气化燃烧室，在三次风的作用下，充分燃烧。
3、生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉中低 NO x 排放的设计本文是通过具体的生物质成型颗粒燃料—玉米秸秆具体分析，是大家更加清楚的理解生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉中低 NO x 排放的设计。
3.1 试验目的及条件本文采用的是玉米秸秆生物质成型颗粒燃料的三次配风锅炉，通过改变配风的比例以及过程空气系数，实现氮氧化物较低的排放浓度。在玉米秸秆生物质成型颗粒燃料的三次配风锅炉的设计中，它的参考依据是：当锅炉的三次配风以一次风、二次风和三次风以比例为 7：1：2条件下，过剩空气系数为 1.75时，NO x 排放浓度最低为 83.45mg/m 3 ，且锅炉的热损失量也最小。本次试验采用的玉米秸秆生物质成型颗粒燃料为 200kg/h。利用的是控制变量法，探索三次配风的比例、过剩空气系数与 NO x 排放浓度的关系，实行当外界条件相同，只改变一个量，另一个固定不动的方式。
3.2 试验过程及结果分析
本次试验首先是在过剩空气系数为 1.75固定条件下，调节三次配风的比例，利用的仪器是 IMR-140益燃烧效率测定仪，测试三次配风对 NO x排放的影响。依据燃料充分燃烧的必要条件：首先在层燃区必须有足够的空气，因而一次风占有量至少为总值的 60% ；根据二次风的扰动挥发份的功能要求，其占有量应少于总值的 30% ；依据三次风实现剩余挥发份的充分燃烧的特点，其占有量为总值的 10耀30% 即可满足条件。在过剩空气系数为 1.75固定条件下，改变三次配风比例，所得的 NO x 排放浓度如表 1所示。
根据表 1所示，改变三次配风比例，可以改变 NO x 排放浓度。当二次风所占的体积百分比为 10% 时，NO x 排放浓度最低。也就是说，当一次风、二次风和三次风进给比例为 7：1：2 条件下，NO x 排放浓度最低为83.45mg/m3。
其次利用变化进气风机频率，改变过剩空气系数，验证其对 NO x 排放浓度的影响。随着过剩空气系数的增加，NO x 排放浓度的改变了如表 2所示。
表1 NOx排放浓度与三次配风比例的关系

序号	一次风体积百分比（%）	二次风体积百分比（%）	三次风体积百分比（%）	NOx排放浓度（mg·m-3）
R1	60	0	40	244.91
R2	60	10	30	148.76
R3	60	20	20	224.96
R4	60	30	10	299.34
R5	70	0	30	163.27
R6	70	10	20	83.45
R7	70	20	10	210.44
R8	80	0	20	259.42
R9	80	10	10	185.04

表2 过剩空气系数与NOX、SO2排放浓度的关系

过剩空气系数	烟气容积（m3·h-1）	SO2质量浓度（mg·m-3）	No的质量浓度（mg·m-3）
1.25	1016.14	41.86	125.05
1.50	1193.94	34.86	100.45
1.75	1371.74	29.29	83.03
2.00	1549.54	25.42	67.65
2.25	1727.34	22.67	59.45
2.50	1905.14	20.44	49.20
2.75	2082.94	18.54	43.05

根据表2可知，随着过剩空气系数增加，炉膛温度降低，进而降低NO x 排放浓度下降。同时，二次风形成燃烧涡旋增加，增加还原性气体与NO x 的接触时间，促进还原反应的形成，降低 NO x 排放浓度。此外空气的影响稀释NOx，降低NOx 排放浓度。对于SO 2 来说，随着过剩空气系数增加，其排放质量基本不变，但由于燃烧过程中的稀释作用，使得其表现出排放浓度随着过剩空气系数的增加而减少。在生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉中，烟尘的排放浓度与过剩空气系数有关。这是由于随过剩空气系数的增加，炉膛中风速增大，使得灰粒脱离炉膛。根据具体的实验数据可知，当过剩空气系数为 1.5时，烟尘的排放质量浓度为 58.3mg/m 3，且随着过剩空气系数的增大，烟尘排放质量浓度也随之增加，当过剩空气系数为1.75时，烟尘排放质量浓度达到74.90mg/m 3 。
4、结论
在生物质成型颗粒燃料锅炉中，采用三次配风方式，通过改变三次配风比例，可以控制 NO x 排放浓度。当一次风、二次风和三次风进给比例为 7：1：2条件下，NO x 排放浓度最低为 83.45mg/m 3 。通过改变过剩空气系数，也可实现 NOx排放浓度的改变。在过剩空气系数值为 1.75左右，一次风、二次风和三次风的比例为 7：1：2时，可以实现生物质成型颗粒燃料三次配风锅炉的设计及低 NO x 排放效果。
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