新型家用生物質鍋爐尿素脫氮設計研究

翟雨軒，張興惠，張 聰，李 曌，張 宏

(太原理工大學 土木工程學院，太原 030024)

21世紀以來，我國實行改革開放政策，經濟增長迅速，而能源短缺成為限制我國經濟發展的一大問題[1]。傳統的煤炭、石油等化石能源燃燒所帶來的環境污染問題得到了廣泛關注。在美國以及歐洲等國家生物質燃燒技術已經非常成熟，德國和瑞典等國家的生物質與太陽能綜合設備已經廣泛應用于民用熱、工業發電等各個行業[2-3]。為了響應習近平總書記“既要金山銀山，又要綠水青山”的號召，我國大力發展生物質清潔能源。我國農村人口約占全國總人口的41%，在廣大農村田間，存在豐富的生物質能源。2017年，我國秸稈可收集量達到82.7億t[4]，其中大部分為玉米、小麥等秸稈，這些生物質能源并沒有得到充分有效的利用，大多數被丟棄或焚燒，不僅造成資源的極大浪費，還污染環境。因此，將這些農作物秸稈制成生物質燃料顆粒，用于農村家庭鍋爐燃燒，既可充分利用原先被廢棄的生物質資源，實現能源轉型，還能滿足廣大農村生活供暖和日常需要，解決民生問題[5]。

目前在生物質鍋爐脫氮方面的研究主要集中在大型工業鍋爐脫氮和人工燃氣的實驗研究。LI et al[6]研究了不同燃料碳氮與揮發分氮在中型流化床燃燒室中燃燒對氮氧化物排放的影響，實驗證明揮發分氮對氮氧化物排放的影響更大。周建強等[7]通過對電廠的生物質鍋爐進行SNCR脫硝實驗研究了不同鍋爐工況與不同鍋爐種類下的SNCR脫硝效率。涂漢超等[8]通過人工配比氣體成分組成可燃氣體的燃燒實驗，研究了在不同氨氣質量分數與燃燒溫度等因素的影響下氮氧化物排放的變化。本文將研究的重點放在小型家用生物質鍋爐，實驗設計出一種具有新型爐膛結構的農村家用生物質鍋爐，配合尿素噴淋系統進行燃燒脫氮。本實驗通過測量三種常見的生物質成型顆粒在不同尿素噴淋策略下燃燒時氮氧化物的排放情況，結合生物質燃料燃燒時氮氧化物的生成機理，分析其氮氧化物的排放特性并確定出最佳的尿素噴淋策略，為新型家用生物質鍋爐在農村地區的推廣與使用提供理論數據支撐。

1 實驗裝置及設計

1.1 鍋爐實驗臺結構設計

本文中所搭建的新型家用生物質鍋爐實驗臺以及尿素噴淋系統如圖1與圖2所示。本文所設計生物質鍋爐爐膛結構為沙漏型，下部較大的空間可以容納更多的生物質燃料顆粒，便于一次燃燒與揮發分析出的充分進行。中部收縮區橫截面積縮小，增大可燃氣體的流速，不僅可以加強爐膛內高溫氣體與水套之間的換熱，還可以形成氣體湍流，有助于氣態氮與噴淋的尿素溶液充分接觸。

1-生物質鍋爐；2-尿素噴淋設備；3-KM9106煙氣分析儀；4-K式熱電偶圖1 生物質鍋爐實驗臺布置Fig.1 Layout of biomass boiler test bed

圖2 鍋爐尿素噴淋系統Fig.2 Urea spray system of boiler

在爐膛中部有三個尿素噴口，通過高壓噴嘴可分別向爐膛的二次燃燒區、爐膛中部與一次燃燒區噴淋霧狀尿素溶液，使其在噴淋范圍內能夠均勻分布，并與爐中揮發分和氮氧化物等成分充分接觸。每一個噴口后的管道均裝有球閥，方便在實驗中分別控制尿素溶液的噴淋位置。整個尿素噴淋系統由供液水泵驅動，水泵的揚程為2 m，噴淋時觀察能夠充分滿足噴嘴的水壓需求。

目前生產中用于鍋爐脫硝的還原劑主要為尿素、氨水與液氨[9]，本課題研制的農村清潔生物質鍋爐需滿足農村日常生活需求，液氨與氨水會散發氨氣，不易儲存，一旦泄露對人體健康產生危害，因此不適用于本鍋爐設計。尿素作為一種脫硝還原劑，便于儲存和運輸，相比以上兩種方法更加安全可靠。

尿素熱解技術需要有專門的加熱裝置，通常采用電加熱的方式，也有利用高溫煙氣再熱的方式，然而這兩種方法并不適用于農村家用生物質鍋爐[10]。首先作為農村日常使用的鍋爐，需要結構簡單小巧，易于操作和清理，生物質顆粒排放煙氣溫度基本在200～300 ℃，使用高溫煙氣再熱的方法既無法將尿素加熱至快速分解的溫度，又增大了鍋爐本身所占空間，體積變大，不便于清理維護。而使用電加熱的方式需要額外的電加熱設備，使得整個鍋爐能耗大大增加，運行成本變大，這與本課題設計一種高效清潔的生物質鍋爐的初衷不符。而尿素煙道直噴技術由于煙道環境溫度不高，尿素無法快速分解，尿素的利用率很低，導致大量尿素溶液隨著煙氣排到環境中，既達不到所需效果，又造成環境污染。本課題采用將尿素溶液霧化后直接噴入爐膛的方法，噴頭位置如圖3所示。選取三種生物質燃料顆粒分別進行燃燒實驗，三種生物質顆粒的工業成分與元素成分如表1所示，充分利用了鍋爐內燃燒的高溫使尿素快速分解為脫硝所需要的氨氣，在爐內煙氣與二次進風的擾動下，使得尿素熱解物與氮氧化物充分接觸，提高了尿素的利用率，有利于氮氧化物的去除。

圖3 尿素溶液噴頭位置Fig.3 Position of the urea solution nozzle

表1 三種生物質顆粒的工業分析、元素分析及熱值Table 1 Proximate analysis, ultimate analysis, and calorific value of three kinds of biomass pellet

1.2 實驗內容及儀器選用

實驗研究了不同尿素噴淋策略下，尿素噴淋位置、尿素噴淋濃度以及煙氣氧含量對氮氧化物排放濃度的影響。實驗首先測試噴淋位置對于生物質顆粒燃燒生成氮氧化物的影響。設置一組無尿素噴淋為空白組，之后分別采用上、中、下三種噴淋位置，從生物質燃料點火成功開始，以相同的流速，分別向爐膛二次燃燒區、中部收縮區與一次燃燒區噴淋相同濃度的尿素溶液，每5 min測量一組氮氧化物濃度數據。在爐膛的一次燃燒區和二次燃燒區布置K式熱電偶，每5 s記錄一次爐膛溫度，分析后選出最佳噴淋位置。之后以相同的尿素噴淋方法和數據采集方式實驗所噴淋尿素溶液的質量分數對于氮氧化物生成的影響，分別采用質量分數為5%、10%、15%、20%的尿素溶液在最佳噴淋位置進行測試，最后綜合分析定出最佳噴淋策略。根據《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271-2014)[11]，需要通過基準含氧量進行排放質量濃度折算，方法如下式：

(1)

式中：ρ為大氣污染物基準氧含量排放質量濃度，mg/m3；ρ′為實測污染物排放質量濃度，mg/m3；φ(O2)為基準氧體積含量，%；φ′(O2)為實測氧體積含量，%.

根據規范中所述，在這里計算生物質鍋爐的NOx基準氧含量折算質量濃度時(以下簡稱為NOx折算質量濃度)，基準氧含量取值與燃煤鍋爐相同，取為9%.

本文中主要用到的儀器為常州金科JK804多路溫度測試儀和英國凱恩KM9106煙氣分析儀。JK804多路溫度測試儀搭配K式熱電偶，測溫范圍是-200～1 300 ℃，測試誤差為±0.2%；KM9106煙氣分析儀，其對于氮氧化物的測量精度為±5×10-6，氮氧化物的測量分辨率為1×10-6，對于煙氣氧濃度的測量精度為-0.1%～0.2%，測量分辨率可達0.1%.二者可以精確測量爐膛內燃燒溫度，煙道內NO和NOx質量濃度以及煙氣氧含量等參數，可充分滿足實驗要求。

2 結果分析

2.1 尿素噴淋位置對氮氧化物排放濃度的影響

由表2可以看出，空白組的NOx平均排放質量濃度在四組數據中為最高，其值為103.67 mg/m3，另外三組實驗組數據分別為90.58 mg/m3，92.42 mg/m3和79.58 mg/m3，相比較可知，在此新型爐膛中的不同位置噴淋尿素溶液均可以有效降低生物質燃料燃燒時NOx的排放質量濃度。

生物質燃料中的氮元素主要分布在蛋白質、纖維素等有機物中。在燃燒過程中，氮元素先從燃料氮轉化為揮發分氮，揮發分氮燃燒產生NH3、HCN等氣相氮，這些氣相氮在高溫作用下，與O2、OH等成分發生反應，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態的形式存留在焦炭氮當中，因此氮氧化物主要由揮發分燃燒產生[12-13]。

由上述機理可知，生物質燃料在鍋爐中燃燒時可分成兩部分，第一部分為固定碳在一次燃燒區進行燃燒，因固定碳成分在生物質燃料中占比不到20%，所以其燃燒溫度較低，生成NOx的量較少；第二部分為揮發分在二次燃燒區進行燃燒，由表1可知生物質燃料中揮發分含量占到總成分的70%以上，燃燒溫度高，氮元素多以NH3、HCN等小分子氣相氮存在。在鍋爐的一次燃燒區和中部收縮區噴淋尿素溶液時，因為燃料燃燒時NO等污染物主要在二次燃燒區生成，尿素溶液在高溫下分解生成的NH3和HNCO無法和全部氣相氮接觸，導致脫氮效果不佳。在鍋爐的二次燃燒區噴淋尿素溶液時，由表2可以看出NOx的平均排放質量濃度相對于前兩種噴淋位置結果最低，為79.58 mg/m3.鍋爐中生物質燃料燃燒時的氮氧化物主要在二次燃燒區產生，在中部收縮處和二次風氣流共同形成的繞流下，此處噴淋的尿素溶液可以均勻分布在這一區域內，和燃燒生成的大量NO在高溫充分反應生成N2，大大提高尿素溶液的脫氮效率。

另外觀察表2中不同實驗組的爐膛溫度和煙氣氧含量以及圖4中NOx折算質量濃度的變化曲線。在爐膛一次燃燒區和中部收縮區噴淋尿素溶液時，燃料的一次燃燒溫度分別為686.1 ℃和666.1 ℃，二次燃燒溫度分別為726.7 ℃和745.1 ℃，相較于空白組均明顯降低，兩實驗組的煙氣氧含量分別為14.90%和14.26%，而空白組的煙氣氧含量為12.56%，這說明在爐膛的一次燃燒區和中部收縮區噴淋尿素溶液都不利于生物質燃料的燃燒，一次燃燒溫度降低導致揮發分析出不充分，氣相氮轉化為NOx的比例減小。煙氣氧含量升高則說明燃料燃燒不充分，大量空氣進入煙道中。所以在此處噴淋尿素溶液雖然會降低NOx的排放質量濃度，但是由于煙氣氧含量較高導致計算得出的NOx折算質量濃度遠遠大于空白組。而二次燃燒區噴淋尿素溶液的一、二次燃燒溫度分別為774.7 ℃和838.4 ℃，與空白組比較接近，煙氣氧含量為12.43%，可以認為在此處噴淋尿素溶液對生物質顆粒燃燒影響最小，燃料燃燒比較充分。計算后NOx折算質量濃度僅為118.27 mg/m3，此時的脫氮效果最好。

圖4 不同位置噴淋尿素溶液對NOx折算質量濃度的影響對比Fig.4 Comparison of effects of spraying benurea solution at different locations on NOx conversion concentration

2.2 尿素噴淋濃度對氮氧化物排放濃度的影響

根據上一節得出的結論，在鍋爐的二次燃燒區噴淋尿素溶液的脫氮效果最好，本節在上一節的基礎上，討論噴淋尿素溶液濃度的變化對氮氧化物折算排放濃度的影響。由圖5可以看出噴淋不同質量分數的尿素溶液其NOx排放折算質量濃度曲線趨勢變化大致相同，均為先降低后升高。由表3可知，由于在二次燃燒區噴淋尿素溶液，四組實驗的一次燃燒溫度非常接近，噴淋質量分數為20%時爐膛的二次燃燒溫度略低于另外三組，為798.7 ℃.結合四組實驗的煙氣氧含量，表明只改變噴淋尿素溶液濃度對于NOx排放量產生顯著影響，噴淋尿素溶液濃度升高會略微降低二次燃燒溫度，但是對于燃料整體燃燒效果影響不大。

表3 不同尿素噴淋濃度下鍋爐燃燒溫度及氮氧化物排放狀況Table 3 Boiler combustion temperature and NOx emission under different urea spray concentration

圖5 不同尿素噴淋濃度對NOx折算質量濃度的影響對比Fig.5 Comparison of effects of different urea spray concentration on NOx conversion concentration

研究表明，尿素溶液熱解后脫除氮氧化物的主要反應為[14]：

(2)

(3)

(4)

(5)

尿素溶液在高溫下可分解生成NH3和HNCO等中間產物。生物質顆粒的揮發分和水分在燃料的燃燒當中會產生大量的H·和·OH.這兩種自由基會和中間產物發生反應并促進NO、N2O等污染物的消除[15]。其中尿素溶液分解生成的HNCO和·OH反應生成NCO和水。NCO可將污染物NO轉化為無害的N2和N2O，并且N2O可以進一步和H·反應生成N2.但是過量的NH3和NCO也會對脫氮產生不利影響，發生如下反應[16]：

(6)

(7)

實驗中當噴淋的尿素溶液質量分數為5%時，尿素熱解后產生的HNCO較少，在爐膛的二次燃燒區中的NCO成份濃度較低，無法與燃燒生成的大量NO等氮氧化物充分反應，導致噴淋尿素溶液的脫氮效果不佳。升高噴淋尿素溶液的質量分數至10%時，其NOx的平均排放質量濃度由90.64 mg/m3降低至79.58 mg/m3，這是因為在等量的燃料和相同的燃燒條件下，二次燃燒區產生的NO等氮氧化物濃度相同，增加噴淋尿素溶液的質量分數可使NO與NCO反應更加充分，促進了NO向N2的轉化。當實驗進一步升高噴淋尿素溶液的質量分數至15%和20%時，可以看到NOx平均排放分數隨之升高，這是由于噴淋的尿素成分過多時，生成了大量NH3和NCO，而噴淋區域燃燒產生的NO濃度并沒有相應增高。由反應(6)和反應(7)可知，過量的一部分NH3和NCO反而被氧氣氧化生成大量額外的NO，導致NO的排放質量濃度反而有所增加，因此NOx的折算質量濃度與NOx排放質量濃度變化相同，均為隨著噴淋尿素溶液濃度的升高先降低后升高，噴淋質量分數為10%的尿素溶液時NOx的折算質量濃度最低。

考慮到實驗中尿素溶液質量濃度配比的可行性和代表性，分別設置了質量分數為5%、10%、15%和20%四組工況。為研究不同尿素噴淋濃度下NOx的排放濃度，找出理論最佳尿素噴淋質量濃度，使得結果更具有普適意義，對實驗數據進行了回歸分析。擬合出二次非線性方程如下式：

y=0.224 8x2-4.478 4x+106.03 .

(8)

式中：y為NOx排放質量濃度，mg/m3；x為噴淋尿素溶液的質量分數，%.該模型R2值為0.883 3，擬合優度較好，可以反應出NOx排放質量濃度隨噴淋尿素溶液質量分數的變化規律。計算后得出當x值為9.96時，該模型達到最低點，所以理論上噴淋尿素溶液質量分數為9.96%時，鍋爐燃燒排放的NOx質量濃度最小，脫氮效果最好。

2.3 不同生物質燃料對氮氧化物排放濃度的影響

分別燃燒同樣質量的紅木顆粒、楊木顆粒和玉米秸稈顆粒三種生物質成型燃料，在其燃燒過程中均在爐膛上部的二次燃燒區噴淋質量分數為10%的尿素溶液，燃燒工況保持相同，通過煙氣分析儀測量三組實驗NOx的排放質量濃度與煙氣氧含量。由表1可以看出三種燃料中楊木顆粒的低位發熱量最高，為17 650 kJ/kg，紅木顆粒次之，玉米秸稈顆粒的低位發熱量最低，為17 170 kJ/kg.結合表4中三組實驗的爐膛溫度可以看出，楊木顆粒的燃燒溫度略高于紅木顆粒，更有利于揮發分的析出和NOx的生成，而玉米秸稈顆粒的低位發熱量較低，并且其煙氣氧含量在三組數據中為最高，說明玉米秸稈顆粒燃燒狀況較差，燃燒溫度較低，不利于氣相氮向NOx轉化。因為生物質燃料燃燒時的溫度基本在900 ℃以內，在此溫度下空氣中的N2基本不會被氧化生成熱力型NOx，絕大部分的氮氧化物為燃料本身燃燒生成的燃料型NOx，所以燃料內氮元素的含量會明顯影響到其NOx的排放質量濃度。在三種生物質成型燃料中玉米秸稈顆粒的含氮量為0.72%，在三種燃料中為最低，楊木顆粒的含氮量最高，為1.6%.表4中三種燃料的NOx排放質量濃度趨勢與分析相一致，楊木顆粒燃燒排放的NOx質量濃度最高，為81.58 mg/m3，玉米秸稈顆粒排放的NOx質量濃度最低，僅為64.33 mg/m3.但是結合測量得出的煙氣氧含量，可以看到玉米秸稈顆粒的煙氣氧含量最高，為15.17%，說明其燃燒效率最低，而紅木顆粒燃燒時測出的煙氣氧含量為12.43%，所以計算后玉米秸稈顆粒的NOx折算質量濃度最高，反而紅木顆粒的NOx折算質量濃度最低。

表4 不同生物質顆粒氮氧化物排放狀況Table 4 NOx emission of different biomass pellets

3 結論

通過向自行研制的小型生物質鍋爐的爐膛中噴淋尿素溶液的實驗研究，將得到的測試數據與生物質燃料燃燒生成氮氧化物的機理相結合，可得到如下結論：

1) 生物質燃料的氮元素主要存在于揮發分氮中，在燃燒過程中生成氣相氮，最終在二次燃燒時生成氮氧化物，因此向鍋爐的二次燃燒區噴淋尿素溶液的脫氮效果最好。

2) 噴淋尿素溶液的質量分數由5%逐步上升為20%，檢測到氮氧化物折算濃度先降低后升高。噴淋尿素溶液濃度較低時鍋爐燃燒生成的氮氧化物無法充分反應，濃度較高時過多的尿素熱解產物被氧化成NO，降低了噴淋尿素溶液的脫氮效率。通過對實驗數據進行回歸分析建立出氮氧化物排放濃度模型，計算后認為當噴淋尿素溶液質量分數為9.96%時，NOx排放濃度最低。

3) 不同的生物質顆粒在相同條件下燃燒時，燃料的低位發熱量與內部的氮元素為影響燃料型NOx排放濃度的主要因素，低位發熱量越高，氮元素含量越高，NOx的排放濃度越高。但計算NOx折算濃度時還要測量其煙氣氧含量，煙氣氧含量的值越高，計算得出的NOx折算值也就越高。