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摘要：燃料燃烧产生的一些酸性气体会对环境造成污染，研究此类气体的排放对于探索对其进行有效控制的方法有重要的意义。本次实验研究了玉米秸秆及烘焙玉米秸秆在固定床中燃烧释放的含氮气体与空气流量的关系，尾气中重点监测的物质包括氰化氢（HCN），一氧化氮（NO）和氨（NH3）。实验表明：随着空气流量的增加，氧化反应会增强，从而促进HCN、NO以及NH3的释放；烘焙玉米秸秆燃烧产生的HCN排放低于原玉米秸秆的排放量。
关键词：烘焙玉米；燃烧；实验结果；释放
引言
植物在燃烧时会释放其在生长过程中从大气中固定的碳，所以生物质被认为是一种CO2近零排放的清洁能源[1，2]。但是，在生物质燃料的使用过程中还有许多问题，比如水分含量高、能量密度低、易降解以及研磨和储存困难等。为了改善这些缺点，可以对生物质原料进行厌氧热处理，即烘焙[4-6]。烘焙后的生物质燃料更像“煤样”，可以方便地与煤共同研磨和焚烧。
烘焙可以使一部分氯和硫会以气体形式释放，所以烘焙后的生物质比原生物质含有更少的硫和氯。然而，烘焙对生物质氮含量的影响尚不确定。生物质中的氮主要以与蛋白质耦合的形式存在，在高温下主要以NH3以及HCN的形式释放，其次是HNCO（异氰酸）等物质[8，9]。在剩余的焦炭的燃烧过程中，氮主要以NO和N2的形式释放，还有极少数的N2O, HCN, NH3 和 HNCO存在[10]。有研究者发现大部分燃料氮（66-75％）在脱挥发分过程中释放，大部分转化为NO， HCN，NH3和N2O。此后，N2O马上就会被下述反应打断：N2O + H → N2 + OH。
本次实验的目的是研究固定床燃烧器中玉米秸秆燃烧过程中含氮气体释放并比较原玉米秸秆及烘焙玉米秸秆燃烧时含氮气体排放的异同。
一、实验设置和程序
玉米在中国北方的种植率相对较高，故本次实验选用玉米秸秆。为防止样品中微生物的生长，本次实验将玉米秸秆在室温下进行风干。风干后，玉米秸秆水分含量为6.18％。表1列出了本次实验所用玉米秸秆的元素和成分。在实验中，玉米秸秆被粉碎成平均直径为1.7厘米、长度为5厘米的颗粒。
烘焙玉米秸秆是将原玉米秸秆在预热至300℃的马弗炉中烘焙20分钟后获得的，烘焙时马弗炉用流速为3L/分钟的氮气气氛进行保护。烘焙后的玉米秸秆的元素和成分分析如表2所示。
本次实验所用的固定床燃烧器由炉体、测量系统以及空气补给系统三部分组成，如图1所示。在实验期间，通过燃烧丙烷为固定床供能，一次风从底部风箱通过多孔炉篦为生物质燃烧提供氧气。实验开始后，点燃丙烷气体并控制流速，使温度保持在900℃，通过火焰的辐射对玉米秸秆进行加热，通过放置在不同高度（位置2-8）的铠装K型热电偶对床温进行监测，如表3中所示。位于炉排上方的气体采样探头连续监测燃烧尾气的排放。
为避免水蒸汽凝结将燃烧废气加热至180℃，引导其通过纤维过滤器从而获得其中的颗粒状物体。然后，使用傅立叶变换红外（FTIR）光谱（附带GASMET DX4000仪器）监测湿热样气中的气体含氮化合物。在计算机上运行的LabVIEW软件记录FTIR信号。实验重复3次，并计算平均值和标准差。
实验中，将0.5千克燃料放入固定床燃烧器中，燃料层初始高度约54厘米，直径约18厘米。为了研究一次风量对燃烧过程中产生的含氮气体的影响，通过闸门实现五种不同的空气流速控制。表4列出了空气流量和过量空气系数。过量空气系数的定义为燃烧1千克燃料所提供的实际空气质量与理论上完全燃烧1千克燃料所需的空气质量之比。
二、实验结果与讨论
随着时间的增加，实验测得的NO、HCN以及NH3的排放量如图2所示。可以看出，NO、HCN和NH3的排放量明显受到空气流速变化的影响。
不同一次风流量下原玉米秸秆燃烧产生的主要含氮气体的转化如图2所示。氮元素向NO、HCN和NH3的转化随着一次风流量的增加而增加。图2和图3中含氮气体释放量增加的另一个可能原因是随着一次风流量的增加，更多的氧气增强了质子供体位点的产生，其可以与含氮化合物反应释放含氮气体。因此，一次风流量过低不利于HCN、NH3和 NO的形成。
NO、HCN以及NH3的释放量与燃烧持续时间如图3所示。可以看出在燃烧过程中HCN的排放量始终高于NO的排放量，而NH3的排放量则要低得多。HCN和NH3主要在生物质脱挥发分阶段释放[11,18]，并且在富氧的情况下它们大部分转化为NO。
随着一次风流量的增加，HCN和NH3的释放量增加。增加一次风流量可以增加NH3、HCN和NO的生成速率，这与脱挥发分期间碳转化率的增加有关。增加一次风流量能提高燃烧强度，促使燃料氮转化为含氮化合物。在实验的气体取样位置，发现在玉米秸秆燃烧期间HCN的量略高于NO，表明氮化合物将首先转化为NO前体，例如HCN和NH3，然后转化为NO。其他的NO由焦炭中剩余的氮元素转化而来。随着一次风流量的增加，挥发性物质燃烧和残余焦炭燃烧的阶段越来越重叠。
烘焙玉米秸秆的水分和氮含量分别为2.31％和1.94％。如图4所示，烘焙玉米秸秆燃烧过程中NO，HCN和NH3的释放开始时间比原玉米秸秆要早。这可能是因为烘焙玉米秸秆的水分含量较低，缩短了点火延迟时间，脱挥发分开始时间早于原玉米秸秆。此外，烘焙玉米秸秆燃烧过程中NH3释放量大于原玉米秸秆。
图5a和5b将原玉米秸秆和烘焙玉米秸秆在200L / min的一次风流量下燃烧过程中NO、HCN和NH3质量排放率和氮转化成各种含氮化合物的转化率进行对比。来自原玉米秸秆燃烧的含氮物质主要是NO和HCN，HCN的释放量略高于NO。在该空气流速下，原玉米秸秆的燃料氮转化为HCN的转化率是其转化为NH3的2.2倍。在烘焙玉米秸秆燃烧过程中，氮转化为HCN的转化率占总氮的5.6％，而氮转化为NH3的转化率占12.5％。烘焙玉米秸秆燃烧期间产生NO的量约为原玉米秸秆的两倍。
三、结论
本文研究了原玉米秸秆和烘焙玉米秸秆燃烧产生含氮气体的释放情况，并分析了不同过量空气的影响，得出以下结论：
1.与原玉米秸秆相比，烘焙后的玉米秸秆在燃烧过程中释放含氮气体的速度更快。
2.烘焙玉米秸秆在燃烧过程中释放的含氮气体主要为NO，其次是NH3，然后是HCN。
3.烘焙后玉米秸秆燃烧释放的NH3量远大于HCN。
4.增加空气流量可增强燃烧强度，从而促使燃料氮转化为含氮物质。
参考文献：
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论文作者:钱晓东
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第02期
论文发表时间:2019/6/17
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