工程科学学报，第41卷，第1期 率低，且对燃料的水分含量要求较高，造价较昂贵， 生产、生活有很大影响.由于我国主要的燃料为煤 而循环流化床混烧生物质锅炉与水冷振动炉排锅炉 炭，因此我国大气中有67%（质量分数）的N0,来自 相比，建设成本低，燃料适应性强，更适用于摻烧燃 燃煤排放[3].燃料过程中NO,主要来自三条途径： 料的燃烧，且运行安全，环保性能优异，负荷范围广， 热力型NO.(thermal NO.)、燃料型NO,(fuel NO.)和 因此，考虑我国生物质能源现状，采用循环流化床摻 快速型NO,(prompt NO,).热力型NO,约占燃料燃 烧生物质更适合我国国情 烧产生NO,的20%，是空气中的氮气在高温下氧化 此外，链条炉排炉和往复炉排炉也可适用于生 生成的[3]，热力型NO,的生成受温度因素的影响显 物质燃料的层燃燃烧，但是二者也各有优缺点，链条 著，有研究表明，当燃烧温度低于1300℃时，儿乎观 炉排炉的炉排片可以循环冷却，而往复炉排炉对燃 察不到热力型N0,的生成：而燃烧温度高于1300℃ 料尺寸的要求和燃料漏料量这两点上比链条炉排具 时，热力型NO,的生成量有着显著增加[).燃料型 有更显著的优势.因此，逐步发展出了联合炉排炉， NO,是指燃料中的含氨化合物在燃烧过程中发生热 即在燃烧设备中采用两套不同的炉排联合使用，例 解，然后发生氧化反应生成的氮氧化物，燃料型NO 如前炉排为倾斜往复炉排，增大炉膛的容积，有利于 的生成量约占燃料燃烧产生N0,质量分数的75% 挥发分的燃尽，后炉排连接重型鳞片式炉排，联合炉 ~90%,其生成机理非常复杂，主要由挥发分氮和焦 排比单一炉排具有更好的调节性能，使得燃烧更加 炭氨氧化而成（图1(a)).NO,的生成不仅受燃料 充分.但是生物质燃料在这几类锅炉上的燃烧尚属 探索阶段，技术有待进一步完善和成熟[30] 的种类和结构的影响，也受到浓度、温度、燃料成分 等燃烧条件的影响36,8】.快速型N0,是燃料中的 1.3.3生物质锅炉目前存在的问题 碳氢化合物在高温条件下生成的CH原子团，与空 生物质锅炉燃烧技术目前存在着一些问题，比 气中的N,分子发生撞击，进而导致HCN类化合物 如，为保证在特定的燃烧过程中燃料在流化床中处 于流化状态，需要较为严格地控制锅炉进料的颗粒 的生成，生成的HCN进一步被氧化而生成快速型 大小，为解决这一问题，就需要通过干燥、粉碎等前 NO,(图1(b)),快速型NO.的生成量很小，只在氧 处理步骤，使得生物质燃料在其尺寸、状态等方面均一 浓度较低的情况下才发生，而且生成过程不受温度 化.再有，在采用稻壳、木屑等密度较小、结构松散、蓄 因素的制约，快速型NO,占NO,总生成量的5% 热能力比较差的生物质作为燃烧材料时，为了维持正 (质量分数)以下[] 常燃烧所需的蓄热床料，在燃烧过程中还需要向燃料 燃料燃烧释放的NO,一部分来自于燃料本身 中不断地添加石英砂等物质，而这会引起燃烧产生质 含有的燃料氨，但相比于煤燃料，生物质燃料的燃料 地较硬的生物质飞灰，从而在燃烧过程中极易会对锅 氨含量较低.尽管生物质燃料中含有的燃料氨含量 炉的受热面造成磨损，石英砂等添加剂的混入，使得对 较少，但是有研究报道，大约质量分数70%~100% 灰渣的进一步加工与利用变得更为困难31-] 的燃料氨最终会在燃烧过程中转化为NO.我国是 目前，在直接燃烧生物质原料的基础上，发展出 一个农业大国，每年产生大量的生物质材料，而生物 了生物质固化成型燃料，即在一定温度和压力作用 质燃料以农作物秸秆为主，与国外常用的木质类生 下，通过专门设备将生物质压制成颗粒状，块状、棒 物质原料不同的是，秸秆类生物质燃料氨的质量分 状等形状的成型燃料.通过制备成型燃料，可以提 数一般较高，如玉米秸秆可以达到0.7%左右.因 高生物质燃料的储存和运输能力，改善燃烧性能，提 而，生物质燃料燃烧排放的污染物中，控制NO,的 高利用效率，大大扩展应用范围，使之成为一种清洁 排放是生物质清洁燃烧的重点.与其他大气污染物 环保的新型生物质燃料，进而能部分替代煤炭等化 相比，NO.在燃料燃烧过程中所产生的量最多，质量 石燃料，减少对传统化石能源的依赖.在我国，使用 分数在30%以上，然而，燃料燃烧过程产生的N0 固化成型技术将秸轩制备成的成型燃料既可作为发 中有70%来自于煤炭的直接燃烧[].挥发分的析 电供热等工业化燃料，又可作为农村居民的炊事和 出、焦炭燃烧和挥发分燃烧是NO,形成的主要过 取暖的燃料[33-34) 程，改变炉膛内的燃烧形式可以有效地减少污染物 的产生 2我国氮氧化物排放现状 2.2氨氧化物的危害 2.1燃料燃烧NO,的生成机理 随着我国经济的持续快速发展，能源消耗逐年 NO,是常见的大气污染物，对居民身体健康和 增加，大气中NO,的排放量也迅速增长.NO,成为工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 率低,且对燃料的水分含量要求较高,造价较昂贵, 而循环流化床混烧生物质锅炉与水冷振动炉排锅炉 相比,建设成本低,燃料适应性强,更适用于掺烧燃 料的燃烧,且运行安全,环保性能优异,负荷范围广, 因此,考虑我国生物质能源现状,采用循环流化床掺 烧生物质更适合我国国情. 此外,链条炉排炉和往复炉排炉也可适用于生 物质燃料的层燃燃烧,但是二者也各有优缺点,链条 炉排炉的炉排片可以循环冷却,而往复炉排炉对燃 料尺寸的要求和燃料漏料量这两点上比链条炉排具 有更显著的优势. 因此,逐步发展出了联合炉排炉, 即在燃烧设备中采用两套不同的炉排联合使用,例 如前炉排为倾斜往复炉排,增大炉膛的容积,有利于 挥发分的燃尽,后炉排连接重型鳞片式炉排,联合炉 排比单一炉排具有更好的调节性能,使得燃烧更加 充分. 但是生物质燃料在这几类锅炉上的燃烧尚属 探索阶段,技术有待进一步完善和成熟[30] . 1郾 3郾 3 生物质锅炉目前存在的问题 生物质锅炉燃烧技术目前存在着一些问题,比 如,为保证在特定的燃烧过程中燃料在流化床中处 于流化状态,需要较为严格地控制锅炉进料的颗粒 大小,为解决这一问题,就需要通过干燥、粉碎等前 处理步骤,使得生物质燃料在其尺寸、状态等方面均一 化. 再有,在采用稻壳、木屑等密度较小、结构松散、蓄 热能力比较差的生物质作为燃烧材料时,为了维持正 常燃烧所需的蓄热床料,在燃烧过程中还需要向燃料 中不断地添加石英砂等物质,而这会引起燃烧产生质 地较硬的生物质飞灰,从而在燃烧过程中极易会对锅 炉的受热面造成磨损,石英砂等添加剂的混入,使得对 灰渣的进一步加工与利用变得更为困难[31鄄鄄32] . 目前,在直接燃烧生物质原料的基础上,发展出 了生物质固化成型燃料,即在一定温度和压力作用 下,通过专门设备将生物质压制成颗粒状、块状、棒 状等形状的成型燃料. 通过制备成型燃料,可以提 高生物质燃料的储存和运输能力,改善燃烧性能,提 高利用效率,大大扩展应用范围,使之成为一种清洁 环保的新型生物质燃料,进而能部分替代煤炭等化 石燃料,减少对传统化石能源的依赖. 在我国,使用 固化成型技术将秸秆制备成的成型燃料既可作为发 电供热等工业化燃料,又可作为农村居民的炊事和 取暖的燃料[33鄄鄄34] . 2 我国氮氧化物排放现状 2郾 1 燃料燃烧 NOx 的生成机理 NOx 是常见的大气污染物,对居民身体健康和 生产、生活有很大影响. 由于我国主要的燃料为煤 炭,因此我国大气中有67% (质量分数)的 NOx 来自 燃煤排放[35] . 燃料过程中 NOx 主要来自三条途径: 热力型 NOx(thermal NOx)、燃料型 NOx(fuel NOx)和 快速型 NOx(prompt NOx). 热力型 NOx 约占燃料燃 烧产生 NOx 的 20% ,是空气中的氮气在高温下氧化 生成的[36] ,热力型 NOx 的生成受温度因素的影响显 著,有研究表明,当燃烧温度低于 1300 益 时,几乎观 察不到热力型 NOx 的生成;而燃烧温度高于 1300 益 时,热力型 NOx 的生成量有着显著增加[37] . 燃料型 NOx 是指燃料中的含氮化合物在燃烧过程中发生热 解,然后发生氧化反应生成的氮氧化物,燃料型 NOx 的生成量约占燃料燃烧产生 NOx 质量分数的 75% ~ 90% ,其生成机理非常复杂,主要由挥发分氮和焦 炭氮氧化而成(图 1( a)). NOx 的生成不仅受燃料 的种类和结构的影响,也受到浓度、温度、燃料成分 等燃烧条件的影响[36,38] . 快速型 NOx 是燃料中的 碳氢化合物在高温条件下生成的 CH 原子团,与空 气中的 N2分子发生撞击,进而导致 HCN 类化合物 的生成,生成的 HCN 进一步被氧化而生成快速型 NOx(图 1(b)),快速型 NOx 的生成量很小,只在氧 浓度较低的情况下才发生,而且生成过程不受温度 因素的制约,快速型 NOx 占 NOx 总生成量的 5% (质量分数)以下[38] . 燃料燃烧释放的 NOx 一部分来自于燃料本身 含有的燃料氮,但相比于煤燃料,生物质燃料的燃料 氮含量较低. 尽管生物质燃料中含有的燃料氮含量 较少,但是有研究报道,大约质量分数 70% ~ 100% 的燃料氮最终会在燃烧过程中转化为 NO. 我国是 一个农业大国,每年产生大量的生物质材料,而生物 质燃料以农作物秸秆为主,与国外常用的木质类生 物质原料不同的是,秸秆类生物质燃料氮的质量分 数一般较高,如玉米秸秆可以达到 0郾 7% 左右. 因 而,生物质燃料燃烧排放的污染物中,控制 NOx 的 排放是生物质清洁燃烧的重点. 与其他大气污染物 相比,NOx 在燃料燃烧过程中所产生的量最多,质量 分数在 30% 以上,然而,燃料燃烧过程产生的 NOx 中有 70% 来自于煤炭的直接燃烧[39] . 挥发分的析 出、焦炭燃烧和挥发分燃烧是 NOx 形成的主要过 程,改变炉膛内的燃烧形式可以有效地减少污染物 的产生. 2郾 2 氮氧化物的危害 随着我国经济的持续快速发展,能源消耗逐年 增加,大气中 NOx 的排放量也迅速增长. NOx 成为 ·4·