21世纪以来，我国实行改革开放政策，经济增长迅速，而能源短缺成为限制我国经济发展的一大问题[1]。传统的煤炭、石油等化石能源燃烧所带来的环境污染问题得到了广泛关注。在美国以及欧洲等国家生物质燃烧技术已经非常成熟，德国和瑞典等国家的生物质与太阳能综合设备已经广泛应用于民用热、工业发电等各个行业[2-3]。为了响应习近平总书记“既要金山银山，又要绿水青山”的号召，我国大力发展生物质清洁能源。我国农村人口约占全国总人口的41%，在广大农村田间，存在丰富的生物质能源。2017年，我国秸秆可收集量达到82.7亿t[4]，其中大部分为玉米、小麦等秸秆，这些生物质能源并没有得到充分有效的利用，大多数被丢弃或焚烧，不仅造成资源的极大浪费，还污染环境。因此，将这些农作物秸秆制成生物质燃料颗粒，用于农村家庭锅炉燃烧，既可充分利用原先被废弃的生物质资源，实现能源转型，还能满足广大农村生活供暖和日常需要，解决民生问题[5]。
目前在生物质锅炉脱氮方面的研究主要集中在大型工业锅炉脱氮和人工燃气的实验研究。LI et al[6]研究了不同燃料碳氮与挥发分氮在中型流化床燃烧室中燃烧对氮氧化物排放的影响，实验证明挥发分氮对氮氧化物排放的影响更大。周建强等[7]通过对电厂的生物质锅炉进行SNCR脱硝实验研究了不同锅炉工况与不同锅炉种类下的SNCR脱硝效率。涂汉超等[8]通过人工配比气体成分组成可燃气体的燃烧实验，研究了在不同氨气质量分数与燃烧温度等因素的影响下氮氧化物排放的变化。本文将研究的重点放在小型家用生物质锅炉，实验设计出一种具有新型炉膛结构的农村家用生物质锅炉，配合尿素喷淋系统进行燃烧脱氮。本实验通过测量三种常见的生物质成型颗粒在不同尿素喷淋策略下燃烧时氮氧化物的排放情况，结合生物质燃料燃烧时氮氧化物的生成机理，分析其氮氧化物的排放特性并确定出最佳的尿素喷淋策略，为新型家用生物质锅炉在农村地区的推广与使用提供理论数据支撑。
1 实验装置及设计
1.1 锅炉实验台结构设计
本文中所搭建的新型家用生物质锅炉实验台以及尿素喷淋系统如图1与图2所示。本文所设计生物质锅炉炉膛结构为沙漏型，下部较大的空间可以容纳更多的生物质燃料颗粒，便于一次燃烧与挥发分析出的充分进行。中部收缩区横截面积缩小，增大可燃气体的流速，不仅可以加强炉膛内高温气体与水套之间的换热，还可以形成气体湍流，有助于气态氮与喷淋的尿素溶液充分接触。
1-生物质锅炉；2-尿素喷淋设备；3-KM9106
烟气分析仪；4-K式热电偶
图1 生物质锅炉实验台布置
Fig.1 Layout of biomass boiler test bed
图2 锅炉尿素喷淋系统
Fig.2 Urea spray system of boiler
在炉膛中部有三个尿素喷口，通过高压喷嘴可分别向炉膛的二次燃烧区、炉膛中部与一次燃烧区喷淋雾状尿素溶液，使其在喷淋范围内能够均匀分布，并与炉中挥发分和氮氧化物等成分充分接触。每一个喷口后的管道均装有球阀，方便在实验中分别控制尿素溶液的喷淋位置。整个尿素喷淋系统由供液水泵驱动，水泵的扬程为2 m，喷淋时观察能够充分满足喷嘴的水压需求。
目前生产中用于锅炉脱硝的还原剂主要为尿素、氨水与液氨[9]，本课题研制的农村清洁生物质锅炉需满足农村日常生活需求，液氨与氨水会散发氨气，不易储存，一旦泄露对人体健康产生危害，因此不适用于本锅炉设计。尿素作为一种脱硝还原剂，便于储存和运输，相比以上两种方法更加安全可靠。
尿素热解技术需要有专门的加热装置，通常采用电加热的方式，也有利用高温烟气再热的方式，然而这两种方法并不适用于农村家用生物质锅炉[10]。首先作为农村日常使用的锅炉，需要结构简单小巧，易于操作和清理，生物质颗粒排放烟气温度基本在200～300 ℃，使用高温烟气再热的方法既无法将尿素加热至快速分解的温度，又增大了锅炉本身所占空间，体积变大，不便于清理维护。而使用电加热的方式需要额外的电加热设备，使得整个锅炉能耗大大增加，运行成本变大，这与本课题设计一种高效清洁的生物质锅炉的初衷不符。而尿素烟道直喷技术由于烟道环境温度不高，尿素无法快速分解，尿素的利用率很低，导致大量尿素溶液随着烟气排到环境中，既达不到所需效果，又造成环境污染。本课题采用将尿素溶液雾化后直接喷入炉膛的方法，喷头位置如图3所示。选取三种生物质燃料颗粒分别进行燃烧实验，三种生物质颗粒的工业成分与元素成分如表1所示，充分利用了锅炉内燃烧的高温使尿素快速分解为脱硝所需要的氨气，在炉内烟气与二次进风的扰动下，使得尿素热解物与氮氧化物充分接触，提高了尿素的利用率，有利于氮氧化物的去除。
图3 尿素溶液喷头位置
Fig.3 Position of the urea solution nozzle
表1 三种生物质颗粒的工业分析、元素分析及热值
Table 1 Proximate analysis, ultimate analysis, and calorific value of three kinds of biomass pellet
生物质工业分析(ad) w/%水分灰分挥发分固定碳元素分析(ad) w/%碳氢氧氮硫低位发热量/(kJ·kg-1)红木3.504.1874.9117.4147.025.4738.880.940.0117 540杨木3.173.5075.0918.2447.105.5839.041.600.0117 650玉米秸秆2.965.4073.118.5445.725.3539.840.720.0117 170
1.2 实验内容及仪器选用
实验研究了不同尿素喷淋策略下，尿素喷淋位置、尿素喷淋浓度以及烟气氧含量对氮氧化物排放浓度的影响。实验首先测试喷淋位置对于生物质颗粒燃烧生成氮氧化物的影响。设置一组无尿素喷淋为空白组，之后分别采用上、中、下三种喷淋位置，从生物质燃料点火成功开始，以相同的流速，分别向炉膛二次燃烧区、中部收缩区与一次燃烧区喷淋相同浓度的尿素溶液，每5 min测量一组氮氧化物浓度数据。在炉膛的一次燃烧区和二次燃烧区布置K式热电偶，每5 s记录一次炉膛温度，分析后选出最佳喷淋位置。之后以相同的尿素喷淋方法和数据采集方式实验所喷淋尿素溶液的质量分数对于氮氧化物生成的影响，分别采用质量分数为5%、10%、15%、20%的尿素溶液在最佳喷淋位置进行测试，最后综合分析定出最佳喷淋策略。根据《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271-2014)[11]，需要通过基准含氧量进行排放质量浓度折算，方法如下式：
(1)
式中：ρ为大气污染物基准氧含量排放质量浓度，mg/m3；ρ′为实测污染物排放质量浓度，mg/m3；φ(O2)为基准氧体积含量，%；φ′(O2)为实测氧体积含量，%.
根据规范中所述，在这里计算生物质锅炉的NOx基准氧含量折算质量浓度时(以下简称为NOx折算质量浓度)，基准氧含量取值与燃煤锅炉相同，取为9%.
本文中主要用到的仪器为常州金科JK804多路温度测试仪和英国凯恩KM9106烟气分析仪。JK804多路温度测试仪搭配K式热电偶，测温范围是-200～1 300 ℃，测试误差为±0.2%；KM9106烟气分析仪，其对于氮氧化物的测量精度为±5×10-6，氮氧化物的测量分辨率为1×10-6，对于烟气氧浓度的测量精度为-0.1%～0.2%，测量分辨率可达0.1%.二者可以精确测量炉膛内燃烧温度，烟道内NO和NOx质量浓度以及烟气氧含量等参数，可充分满足实验要求。
2 结果分析
2.1 尿素喷淋位置对氮氧化物排放浓度的影响
由表2可以看出，空白组的NOx平均排放质量浓度在四组数据中为最高，其值为103.67 mg/m3，另外三组实验组数据分别为90.58 mg/m3，92.42 mg/m3和79.58 mg/m3，相比较可知，在此新型炉膛中的不同位置喷淋尿素溶液均可以有效降低生物质燃料燃烧时NOx的排放质量浓度。
表2 不同喷淋位置下锅炉燃烧温度及氮氧化物排放状况
Table 2 Boiler combustion temperature and NOxemission under different spray position
喷淋位置一次燃烧温度/℃二次燃烧温度/℃NOx平均排放质量浓度/(mg·m-3)烟气氧含量/%NOx折算值/(mg·m-3)空白组780.1839.2103.6712.56160.15一次燃烧区686.1726.790.5814.90185.54中部收缩区666.1745.192.4214.26188.79二次燃烧区774.7838.479.5812.43118.27
生物质燃料中的氮元素主要分布在蛋白质、纤维素等有机物中。在燃烧过程中，氮元素先从燃料氮转化为挥发分氮，挥发分氮燃烧产生NH3、HCN等气相氮，这些气相氮在高温作用下，与O2、OH等成分发生反应，生成NO和N2，少部分NO被氧化生成NO2，剩余一部分氮元素以固态的形式存留在焦炭氮当中，因此氮氧化物主要由挥发分燃烧产生[12-13]。
由上述机理可知，生物质燃料在锅炉中燃烧时可分成两部分，第一部分为固定碳在一次燃烧区进行燃烧，因固定碳成分在生物质燃料中占比不到20%，所以其燃烧温度较低，生成NOx的量较少；第二部分为挥发分在二次燃烧区进行燃烧，由表1可知生物质燃料中挥发分含量占到总成分的70%以上，燃烧温度高，氮元素多以NH3、HCN等小分子气相氮存在。在锅炉的一次燃烧区和中部收缩区喷淋尿素溶液时，因为燃料燃烧时NO等污染物主要在二次燃烧区生成，尿素溶液在高温下分解生成的NH3和HNCO无法和全部气相氮接触，导致脱氮效果不佳。在锅炉的二次燃烧区喷淋尿素溶液时，由表2可以看出NOx的平均排放质量浓度相对于前两种喷淋位置结果最低，为79.58 mg/m3.锅炉中生物质燃料燃烧时的氮氧化物主要在二次燃烧区产生，在中部收缩处和二次风气流共同形成的绕流下，此处喷淋的尿素溶液可以均匀分布在这一区域内，和燃烧生成的大量NO在高温充分反应生成N2，大大提高尿素溶液的脱氮效率。
另外观察表2中不同实验组的炉膛温度和烟气氧含量以及图4中NOx折算质量浓度的变化曲线。在炉膛一次燃烧区和中部收缩区喷淋尿素溶液时，燃料的一次燃烧温度分别为686.1 ℃和666.1 ℃，二次燃烧温度分别为726.7 ℃和745.1 ℃，相较于空白组均明显降低，两实验组的烟气氧含量分别为14.90%和14.26%，而空白组的烟气氧含量为12.56%，这说明在炉膛的一次燃烧区和中部收缩区喷淋尿素溶液都不利于生物质燃料的燃烧，一次燃烧温度降低导致挥发分析出不充分，气相氮转化为NOx的比例减小。烟气氧含量升高则说明燃料燃烧不充分，大量空气进入烟道中。所以在此处喷淋尿素溶液虽然会降低NOx的排放质量浓度，但是由于烟气氧含量较高导致计算得出的NOx折算质量浓度远远大于空白组。而二次燃烧区喷淋尿素溶液的一、二次燃烧温度分别为774.7 ℃和838.4 ℃，与空白组比较接近，烟气氧含量为12.43%，可以认为在此处喷淋尿素溶液对生物质颗粒燃烧影响最小，燃料燃烧比较充分。计算后NOx折算质量浓度仅为118.27 mg/m3，此时的脱氮效果最好。
图4 不同位置喷淋尿素溶液对NOx折算质量浓度的影响对比
Fig.4 Comparison of effects of spraying benurea solution at
different locations on NOxconversion concentration
2.2 尿素喷淋浓度对氮氧化物排放浓度的影响
根据上一节得出的结论，在锅炉的二次燃烧区喷淋尿素溶液的脱氮效果最好，本节在上一节的基础上，讨论喷淋尿素溶液浓度的变化对氮氧化物折算排放浓度的影响。由图5可以看出喷淋不同质量分数的尿素溶液其NOx排放折算质量浓度曲线趋势变化大致相同，均为先降低后升高。由表3可知，由于在二次燃烧区喷淋尿素溶液，四组实验的一次燃烧温度非常接近，喷淋质量分数为20%时炉膛的二次燃烧温度略低于另外三组，为798.7 ℃.结合四组实验的烟气氧含量，表明只改变喷淋尿素溶液浓度对于NOx排放量产生显著影响，喷淋尿素溶液浓度升高会略微降低二次燃烧温度，但是对于燃料整体燃烧效果影响不大。
表3 不同尿素喷淋浓度下锅炉燃烧温度及氮氧化物排放状况
Table 3 Boiler combustion temperature and NOxemission under different urea spray concentration
喷淋浓度一次燃烧温度/℃二次燃烧温度/℃NOx平均排放质量浓度/(mg·m-3)烟气氧体积含量/%NOx折算值/(mg·m-3)5%尿素778.8815.990.6413.20139.3410%尿素780.1839.279.5812.43118.2715%尿素774.6836.593.5813.28164.5520%尿素765.8798.796.8313.90179.14
图5 不同尿素喷淋浓度对NOx折算质量浓度的影响对比
Fig.5 Comparison of effects of different urea spray concentration
on NOxconversion concentration
研究表明，尿素溶液热解后脱除氮氧化物的主要反应为[14]：
CO(NH2)2
NH3+HNCO
(2)
HNCO+OHNCO+H2O
(3)
NCO+NON2O+CO
(4)
NCO+NON2+CO2
(5)
尿素溶液在高温下可分解生成NH3和HNCO等中间产物。生物质颗粒的挥发分和水分在燃料的燃烧当中会产生大量的H·和·OH.这两种自由基会和中间产物发生反应并促进NO、N2O等污染物的消除[15]。其中尿素溶液分解生成的HNCO和·OH反应生成NCO和水。NCO可将污染物NO转化为无害的N2和N2O，并且N2O可以进一步和H·反应生成N2.但是过量的NH3和NCO也会对脱氮产生不利影响，发生如下反应[16]：
4NH3+5O24NO+6H2O ,
(6)
NCO+O2NO+CO2.
(7)
实验中当喷淋的尿素溶液质量分数为5%时，尿素热解后产生的HNCO较少，在炉膛的二次燃烧区中的NCO成份浓度较低，无法与燃烧生成的大量NO等氮氧化物充分反应，导致喷淋尿素溶液的脱氮效果不佳。升高喷淋尿素溶液的质量分数至10%时，其NOx的平均排放质量浓度由90.64 mg/m3降低至79.58 mg/m3，这是因为在等量的燃料和相同的燃烧条件下，二次燃烧区产生的NO等氮氧化物浓度相同，增加喷淋尿素溶液的质量分数可使NO与NCO反应更加充分，促进了NO向N2的转化。当实验进一步升高喷淋尿素溶液的质量分数至15%和20%时，可以看到NOx平均排放分数随之升高，这是由于喷淋的尿素成分过多时，生成了大量NH3和NCO，而喷淋区域燃烧产生的NO浓度并没有相应增高。由反应(6)和反应(7)可知，过量的一部分NH3和NCO反而被氧气氧化生成大量额外的NO，导致NO的排放质量浓度反而有所增加，因此NOx的折算质量浓度与NOx排放质量浓度变化相同，均为随着喷淋尿素溶液浓度的升高先降低后升高，喷淋质量分数为10%的尿素溶液时NOx的折算质量浓度最低。
考虑到实验中尿素溶液质量浓度配比的可行性和代表性，分别设置了质量分数为5%、10%、15%和20%四组工况。为研究不同尿素喷淋浓度下NOx的排放浓度，找出理论最佳尿素喷淋质量浓度，使得结果更具有普适意义，对实验数据进行了回归分析。拟合出二次非线性方程如下式：
y=0.224 8x2-4.478 4x+106.03 .
(8)
式中：y为NOx排放质量浓度，mg/m3；x为喷淋尿素溶液的质量分数，%.该模型R2值为0.883 3，拟合优度较好，可以反应出NOx排放质量浓度随喷淋尿素溶液质量分数的变化规律。计算后得出当x值为9.96时，该模型达到最低点，所以理论上喷淋尿素溶液质量分数为9.96%时，锅炉燃烧排放的NOx质量浓度最小，脱氮效果最好。
2.3 不同生物质燃料对氮氧化物排放浓度的影响
分别燃烧同样质量的红木颗粒、杨木颗粒和玉米秸秆颗粒三种生物质成型燃料，在其燃烧过程中均在炉膛上部的二次燃烧区喷淋质量分数为10%的尿素溶液，燃烧工况保持相同，通过烟气分析仪测量三组实验NOx的排放质量浓度与烟气氧含量。由表1可以看出三种燃料中杨木颗粒的低位发热量最高，为17 650 kJ/kg，红木颗粒次之，玉米秸秆颗粒的低位发热量最低，为17 170 kJ/kg.结合表4中三组实验的炉膛温度可以看出，杨木颗粒的燃烧温度略高于红木颗粒，更有利于挥发分的析出和NOx的生成，而玉米秸秆颗粒的低位发热量较低，并且其烟气氧含量在三组数据中为最高，说明玉米秸秆颗粒燃烧状况较差，燃烧温度较低，不利于气相氮向NOx转化。因为生物质燃料燃烧时的温度基本在900 ℃以内，在此温度下空气中的N2基本不会被氧化生成热力型NOx，绝大部分的氮氧化物为燃料本身燃烧生成的燃料型NOx，所以燃料内氮元素的含量会明显影响到其NOx的排放质量浓度。在三种生物质成型燃料中玉米秸秆颗粒的含氮量为0.72%，在三种燃料中为最低，杨木颗粒的含氮量最高，为1.6%.表4中三种燃料的NOx排放质量浓度趋势与分析相一致，杨木颗粒燃烧排放的NOx质量浓度最高，为81.58 mg/m3，玉米秸秆颗粒排放的NOx质量浓度最低，仅为64.33 mg/m3.但是结合测量得出的烟气氧含量，可以看到玉米秸秆颗粒的烟气氧含量最高，为15.17%，说明其燃烧效率最低，而红木颗粒燃烧时测出的烟气氧含量为12.43%，所以计算后玉米秸秆颗粒的NOx折算质量浓度最高，反而红木颗粒的NOx折算质量浓度最低。
表4 不同生物质颗粒氮氧化物排放状况
Table 4 NOxemission of different biomass pellets
燃料种类一次燃烧温度/℃二次燃烧温度/℃NOx平均排放质量浓度/(mg·m-3)烟气氧体积含量/%NOx折算值/(mg·m-3)红木颗粒780.1839.279.5812.43118.27杨木颗粒791.2820.481.5813.90153.07玉米秸秆颗粒695804.164.3315.17144.54
3 结论
通过向自行研制的小型生物质锅炉的炉膛中喷淋尿素溶液的实验研究，将得到的测试数据与生物质燃料燃烧生成氮氧化物的机理相结合，可得到如下结论：
1) 生物质燃料的氮元素主要存在于挥发分氮中，在燃烧过程中生成气相氮，最终在二次燃烧时生成氮氧化物，因此向锅炉的二次燃烧区喷淋尿素溶液的脱氮效果最好。
2) 喷淋尿素溶液的质量分数由5%逐步上升为20%，检测到氮氧化物折算浓度先降低后升高。喷淋尿素溶液浓度较低时锅炉燃烧生成的氮氧化物无法充分反应，浓度较高时过多的尿素热解产物被氧化成NO，降低了喷淋尿素溶液的脱氮效率。通过对实验数据进行回归分析建立出氮氧化物排放浓度模型，计算后认为当喷淋尿素溶液质量分数为9.96%时，NOx排放浓度最低。
3) 不同的生物质颗粒在相同条件下燃烧时，燃料的低位发热量与内部的氮元素为影响燃料型NOx排放浓度的主要因素，低位发热量越高，氮元素含量越高，NOx的排放浓度越高。但计算NOx折算浓度时还要测量其烟气氧含量，烟气氧含量的值越高，计算得出的NOx折算值也就越高。
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