基于多級配風的小麥秸稈捆燃燒特性與排放研究

傅國浩，姚宗路，賈吉秀，鄧 云，趙立欣，霍麗麗，趙亞男

（中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

0 引言

近年來，石油等化石燃料的大量消耗引發了一系列的生態環境問題，資源短缺、能源危機和環境污染已經成為威脅人類發展的世界性難題[1]。新時代以來，習近平總書記多次提出要積極順應能源發展客觀規律，堅持綠色發展理念，堅持清潔低碳發展方向，加快能源轉型升級步伐。在2020年，中國首次提出了力爭于2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”的承諾。生物質能源是可再生能源的重要組成部分，可大規模替代石油、煤炭等能源，對控制全球變暖，減少酸雨和光化學煙霧現象有著極為重要的意義[2]。

我國擁有豐富的生物質資源，具有較大的新能源開發潛力。農作物秸稈是農業生產的副產物，同時也是一種可再生的生物質資源，具有來源廣、污染小、熱值含量高等顯著優勢，秸稈能源化利用可替代化石燃料，有利于固碳減排、實現碳中和[3]，[4]。秸稈捆燒技術是秸稈能源化利用的一種方式，是將田間松散的秸稈經過機械打捆后以整捆的形式在專用的捆燒鍋爐內燃燒并進行供熱供汽的技術[5]。該技術綜合了生物質致密成型燃料燃燒和散燒的優點，是秸稈能源化利用技術中總成本最低、從收集到燃燒前期加工處理過程耗能最少、對環境影響最小的技術[6]。我國對秸稈捆燒技術的研究起步較晚，對秸稈捆燒的理論研究有待進一步完善，尤其對小麥秸稈的捆燒特性研究較少，且實際運行中的秸稈捆燒工藝仍不完善，存在燃燒效率不足、煙氣中顆粒物、CO和NO等污染物排放濃度較高等問題，阻礙了秸稈捆燒技術的發展。

本文基于多級配風試驗平臺，開展不同工藝條件下的小麥秸稈捆燃燒特性研究，測試分析小麥秸稈捆燃燒過程中的煙氣排放規律，以期優化小麥秸稈捆燃燒工藝參數，為小麥秸稈捆高效清潔燃燒提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

選用河北省三河市當季的小麥秸稈捆，打捆的小麥秸稈尺寸為75 cm×45 cm×30 cm，平均密度為56.26 kg/m3。小麥秸稈捆的工業分析和元素分析結果（以空氣干燥基為準）如表1所示。

表1 小麥秸稈捆的工業分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of wheat straw bales

1.2 儀器與設備

1.2.1 試驗平臺

圖1為秸稈捆燃燒試驗平臺示意圖。秸稈捆燃燒試驗平臺主要由控制系統、燃燒系統、稱重系統、配風系統、溫度檢測系統和煙氣檢測系統組成。燃燒系統主要由4個燃燒室組成，分別是用于秸稈捆燃燒的第一燃燒室、揮發分燃燒的第二燃燒室、煙氣二次燃燒的第三燃燒室以及灰炭燃燒的第四燃燒室。稱重系統主要通過支撐軸將臺秤和活動爐排底端連接，能夠實現秸稈捆燃燒過程中秸稈捆質量的實時稱量。配風系統對應4個燃燒室設置4個配風區，通過電子閥門實現對配風比系數的調節控制，通過鼓風機和引風機實現對配風總量的調節控制。溫度檢測系統主要通過熱電偶檢測空氣溫度、煙氣溫度、燃燒室溫度以及循環水溫度，實現秸稈捆燒過程中不同區域溫度的測量。煙氣檢測系統通過煙氣分析儀和荷電低壓撞擊器等設備接入煙氣采樣孔實現煙氣氣體成分和顆粒物濃度的分析。控制系統通過控制柜與各個單元的線路連接，實現各個參數的顯示和調節以及數據的自動記錄和保存，方便查詢和導出后的進一步分析。

圖1 秸稈捆燃燒試驗平臺示意圖Fig.1 Schematic of baled straw combustion test platform

1.2.2 主要儀器

采用荷電低壓撞擊器（芬蘭Dekati公司）測量燃燒過程產生的煙氣中不同粒徑顆粒物的濃度（測量了6 nm～10μm粒徑內的14個粒徑級別的顆粒物濃度）；采用AFRISO煙氣分析儀（菲索測量控制技術有限公司）測量燃燒過程中排放的煙氣中CO，NO和NOx的質量濃度；采用嶗應3012H型自動煙氣測試儀（青島嶗山應用技術研究所）和濾筒獲取穩定燃燒階段的200 L煙氣顆粒物并通過分析天平進行稱重。

1.3 試驗方法

根據文獻[8]以及所用小麥秸稈捆的尺寸和密度，計算出小麥秸稈捆的理論配風量為4 m3/kg，所需配風流量為80 m3/h，基于前期試驗得出最佳配風比為0.55∶0.28∶0.17。將小麥秸稈捆置于捆燒鍋爐燃燒室中，通過改變過量空氣系數（1.0，1.2，1.4，1.6，1.8和2.0）開展小麥秸稈捆燃燒試驗（表2）。

表2 小麥秸稈捆燒試驗的配風方案Table 2 Air distribution scheme for wheat straw bale burning test

2 結果與分析

2.1 燃燒過程中失重分析

圖2為小麥秸稈捆在不同過量空氣系數下燃燒時的失重曲線。從圖2（a）可以看出：在相同燃燒時刻，小麥秸稈捆的質量分數隨著過量空氣系數的增加而減小；隨著過量空氣系數的增加，小麥秸稈捆的燃燒進程逐漸加快且燃燒時間縮短。這是因為隨著過量空氣系數的不斷增加，燃燒室中單位時間內流通的氧氣增加，且空氣流動速度加快，導致秸稈捆燃燒更充分，產生更多熱量，秸稈捆內水分蒸發更快，進一步促使秸稈捆揮發分的分的析出燃燒，從而使秸稈捆的失重速率加快。

圖2 小麥秸稈捆失重曲線Fig.2 Mass loss curves of wheat straw bale

從圖2（b）可以看出，在燃燒初期，小麥秸稈捆的失重速率較快，隨著燃燒的進行，小麥秸稈捆的失重速率逐漸降低并達到穩定，到燃燒后期，小麥秸稈捆的失重速率基本不變且趨近于零，即小麥秸稈捆燃燒殆盡[9]。

根據秸稈捆失重速率的變化規律可將秸稈捆的燃燒分為3個時期，即燃燒初期、燃燒中期和燃燒后期。以過量空氣系數1.0為例，3個燃燒時期的時長分別占整個燃燒過程20%，45%和35%。0～12 min為燃燒初期，此時秸稈捆的最大失重速率為0.54 kg/min；在燃燒初期，秸稈捆由點火裝置從底部點燃，隨著溫度升高，秸稈捆內部水分迅速蒸發，外層木質纖維素熱解產生氣相揮發分、焦油和焦炭，氣相揮發分析出燃燒，產生的焦油和焦炭也緩慢燃燒，使得失重速率較快；隨著外層秸稈燃盡，產生的灰渣和燃燒不充分的固定碳會覆蓋在內層秸稈表面，且內層秸稈水分未完全蒸發，導致燃燒進程減慢，失重速率開始減緩。12～38 min為燃燒中期，此時秸稈捆的失重速率為0.09 kg/min左右；在燃燒中期，秸稈捆外層處于較干燥狀態，由外向內緩慢燃燒，揮發分不斷析出并燃燒，秸稈捆燃燒狀態趨于穩定，處于均勻層燃狀態，失重速率趨于穩定。38～56 min為燃燒后期，此時秸稈捆的失重速率由0.06 kg/min逐漸降低到0.02 kg/min；在燃燒后期，秸稈捆水分完全蒸發、揮發分析出并燃燒殆盡，且秸稈燃燒產生的灰渣覆蓋在燃料表面阻礙內層固定碳等燃料與氧的接觸，導致燃燒緩慢，故燃燒后期的失重速率最慢。

2.2 捆燒煙氣排放規律

不同過量空氣系數下的煙氣氣體成分如圖3所示。從圖3可以看出：在過量空氣系數由1.0增加到1.6的過程中，CO質量濃度的變化趨勢為先升高后降低，并在過量空氣系數為1.2時達到最高值；在過量空氣系數由1.6增加到2.0的過程中，CO質量濃度逐漸增加，并在過量空氣系數為2.0時達到峰值；在過量空氣系數由1.0增加到2.0的過程中，CO質量濃度總的變化趨勢為先增后減再增，并在過量空氣系數為1.6時達到最低（8 830.14 mg/m3）。在過量空氣系數由1.0增加到1.6的過程中，NO和NOx質量濃度的變化趨勢均為先減后增且增速較慢；在過量空氣系數由1.6增加到2.0的過程中，NO和NOx質量濃度的變化趨勢均為先增后減，并在過量空氣系數為1.8時達到最大值；在過量空氣系數由1.0增加到2.0的過程中，NO和NOx質量濃度總的變化趨勢均為先減后增再減，并在過量空氣系數為1.2時達到最低值，分別為120.18 mg/m3和184.60 mg/m3。

圖3 煙氣氣體成分含量變化Fig.3 Changes in flue gas composition content

在小麥秸稈捆整個燃燒過程中，產生CO和NOx等氣體的階段主要包括揮發分析出階段、揮發分燃燒階段和焦炭燃燒階段。揮發分析出階段主要是秸稈中木質素、纖維素和半纖維素在一定溫度條件下熱解產生氣相揮發分、焦油和焦炭，其中氣相揮發分主要包括CO，CO2和碳氫化合物。揮發分燃燒階段主要是揮發分和焦油在高溫條件下燃燒產生CO和NOx等氣體并釋放熱量。焦炭燃燒階段主要是焦炭在高溫條件下和其表面以及孔隙中的氧氣及其他氧化物發生反應產生CO和CO2。在整個燃燒階段，CO和NOx等氣體的產生速率主要受氧濃度、溫度和空氣流通速率等影響[10]，[11]。

2.3 煙氣中顆粒物的排放規律

2.3.1 煙氣中顆粒物質量濃度的變化規律

不同過量空氣系數下煙氣中顆粒物質量濃度的變化如表3所示。由表3可以看出，隨著過量空氣系數的增加，顆粒物質量濃度先減小后增加，當過量空氣系數為1.6時，顆粒物質量濃度達到最小值，為217.75 mg/m3。這是因為當過量空氣系數由1.0增加到1.6時，過量空氣系數較小，過量空氣系數的增加對小麥秸稈捆燒起著促進的作用，秸稈中的木質纖維素和其它有機組分可以得到充分的氧氣，燃燒漸趨完全，顆粒物質量濃度逐漸減小；當過量空氣系數由1.6增加到2.0時，過量空氣系數較高，過高的過量空氣系數降低了燃燒區域的溫度，使得燃燒不完全，增加了顆粒物的生成，導致顆粒物質量濃度增加。

表3 小麥秸稈捆燃燒試驗的煙氣中顆粒物質量濃度Table 3 Mass concentration of particulate matter in flue gas from wheat straw bale burning test

2.3.2 不同粒徑顆粒物的分布規律

圖4為煙氣中不同粒徑顆粒物的分布。從圖4（a）可以看出：在過量空氣系數由1.0增加到2.0的過程中，隨著粒徑級別的增加，顆粒物數量濃度呈現出先增加后減小的變化趨勢；當過量空氣系數為1.0，1.2和1.4時，顆粒物數量濃度均在第4級產生峰值，當過量空氣系數為1.6，1.8和2.0時，顆粒物數量濃度均在第5級產生峰值；在不同過量空氣系數下，顆粒物數量濃度主要分布在1～8級；隨著過量空氣系數的增加，顆粒物數量濃度在各級呈現出逐漸降低的趨勢；當過量空氣系數為1.0，1.2和1.4時，顆粒物數量濃度的變化趨勢基本相同且數量濃度接近，當過量空氣系數為1.6，1.8和2.0時，顆粒物數量濃度的變化趨勢基本相同且數量濃度接近[12]。從圖4（b）可以看出：在過量空氣系數由1.0增加到2.0的過程中，顆粒物質量濃度均在第7級和第14級產生峰值，且隨著過量空氣系數的增加峰值逐漸減小；當過量空氣系數為1.0，1.2和1.4時，顆粒物質量濃度的變化趨勢基本相同且質量濃度接近，當過量空氣系數為1.6，1.8和2.0時，顆粒物質量濃度的變化趨勢基本相同且質量濃度接近。

圖4 煙氣中不同粒徑顆粒物的濃度分布Fig.4 Concentration distribution of particles of different sizes in the flue gas

3 結論

①在不同過量空氣系數下，小麥秸稈捆燒的失重速率均為先增加后穩定最后逐漸降低到零；在相同燃燒時刻，小麥秸稈捆的質量分數隨著過量空氣系數的增加而減小。

②小麥秸稈捆在多級配風捆燒鍋爐內燃燒時，煙氣中CO濃度在過量空氣系數為1.6時達到最低，為8 830.14 mg/m3，NO和NOx濃度在過量空氣系數為1.2時達到最低，分別為120.18 mg/m3和184.60 mg/m3。

③煙氣顆粒物數量濃度呈單峰分布且在4，5級時達到峰值。煙氣顆粒物質量濃度呈雙峰分布且在第7級和第14級時達到峰值。

④小麥秸稈捆在多級配風捆燒鍋爐內燃燒時，最佳過量空氣系數為1.6，此時煙氣中CO和NOx等氣體的排放量較低，且煙氣中顆粒物的質量濃度較低。