多层二次风配风对玉米秸秆颗粒燃烧降低NOx产率及结渣的影响

柳善建，王帅超，易维明，李永军，冯祥东

多层二次风配风对玉米秸秆颗粒燃烧降低NOx产率及结渣的影响

柳善建，王帅超，易维明※，李永军，冯祥东

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255000）

秸秆类生物质具有碱金属及灰分含量高的特性，燃烧时灰分容易团聚结块而影响燃烧室内的配风及燃料的燃烧。该研究设计了一种具有多层二次风配风的生物质燃烧试验装置，以玉米秸秆颗粒为燃料，研究了不同一二次风分级配比、多层二次风配比对烟气中CO、NOx等污染物浓度、燃烧效率及灰分结渣率的影响规律。结果表明：当采用一二次风分级配风时，能够显著降低烟气中NOx的浓度，烟气中CO和NOx的浓度变化趋势相反，呈现一种竞争关系。二次风位置较高或下层二次风量的减少，都易导致玉米秸秆颗粒燃烧不完全，CO浓度显著提升。与对照组相比，二次风多层配风下，燃烧室内各测点的温度和烟气中NOx浓度均有所降低，最低NOx浓度排放放生在W1工况（空气系数为1.2，一、二次风配比为60%∶40%时，下、中、上二次风按（1/2，0，1/2）），约150 mg/m3。当采用二次风多层配风时，结渣率大幅度下降，最低为4.5%。W1工况的NOx浓度和结渣率均较低，综合评价为最优工况。常用的硅比指数、碱酸比、Na含量指数、碱性指数Alc等4种结渣指数，均不能正确预测因燃料燃烧区温度1变化而造成的结渣倾向变化，为此在硅比指数中引入燃料燃烧区温度1作为变量，修正后的硅比指数G可以很好地对玉米秸秆颗粒因燃料燃烧区温度1引起的结渣倾向变化进行预测。

燃烧；理化性质；玉米秸秆；二次配风；结渣指数；NOx浓度

0 引 言

农作物秸秆等生物质的资源量巨大，可以替代传统化石能源进行使用，当结合先进的热解气化、CO2捕集等技术[1-2]，有助于实现地区的碳中和甚至碳负排放，在“碳达峰”背景下具有重要的社会意义。作为农业收获的主要副产物，相比于木质类生物质，农作物秸秆具有价格较低、来源广泛、容易获取等优势。然而，秸秆类生物质通常存在碱金属及灰分含量高等特性[3-5]，燃烧时容易出现灰分结渣结块、污染物排放高的现象[6-9]，造成严重的设备腐蚀和环境污染问题。因此，积极研发秸秆类生物质的高效低氮燃烧、抗结渣等技术具有重要的现实意义。

秸秆类生物质燃烧灰分易结渣结块，不仅与燃料的性质密切有关，而且受燃烧的运行工况条件影响较大，如过量空气系数、一二次风配比、二次风位置、料层厚度等[10-11]。研究表明，通过对原料进行酸洗或碱洗预处理，添加不易结渣的添加剂[12-13]，或与煤、木质生物质等混燃[14]，均能够有效降低结渣结块的程度，尤其K等碱金属含量是影响灰熔点变化的重要因素。刘璐[15]使用马弗炉对生物质是否添加煤粉灰进行燃烧的条件下K和Cl的迁移规律进行研究，发现：随着温度的升高，生物质灰中K的含量越低，850～900 ℃时K的含量急剧减少，1 000 ℃玉米秸秆燃烧后的灰样几乎全部发生熔融烧结。Clery等[16]将铝硅酸盐基添加剂分别以5%、10%、15%质量分数与软木、麦秸、橄榄渣灰混合，在马弗炉内进行试验，研究表明：高的氯元素含量或低（Si+Al）含量有助于KCl或KOH释放到气相中，而高（Si+Al）含量有助于固定K元素。

另外，降低燃料燃烧区的温度，能够有效减轻秸秆类生物质的结渣状况以及降低烟气中NOx的排放浓度。Liu等[17]使用具有不同高度的二次风管的50 kW小型户用生物质颗粒燃烧炉进行燃烧试验，结果表明：对于含氮量较高的燃料来说，通过空气分级燃烧能够有效降低烟气中NOx的浓度，二次风设置位置较高时，烟气中NOx的排放浓度降低明显，但CO的浓度会增加。Sher等[18]使用一种20 kW的燃烧器进行生物质燃烧试验，同样发现：二次风喷射位置较高可以降低NOx排放，同时一二次风分级的使用，会导致飞灰中未燃尽碳含量显著增加，燃料的燃烧效率损失提高。

目前关于多层二次风对秸秆燃烧结渣及污染物排放的影响研究相对较少。本论文设计了一种具有多层二次风配风的生物质颗粒燃烧试验台，以玉米秸秆颗粒为原料，研究不同二次风多层配风方式对玉米秸秆颗粒燃烧灰分结渣率、烟气中污染物（CO、NOx等）浓度、燃烧效率等参数的影响规律。旨在通过控制多层二次风的配风，实现玉米秸秆颗粒在较低结渣量的条件下，具有较低的NOx、CO浓度和较高的燃烧效率，为玉米秸秆颗粒工业锅炉的合理燃烧配风提供参考。最后，根据玉米秸秆颗粒的实际燃烧结渣状况，提出引入燃料燃烧区温度T1作为变量对硅比结渣指数进行改进方法，实现了对玉米秸秆结渣倾向受燃料燃烧区温度T1变化影响的较好预测。

1 燃烧试验台设计与结构原理

1.1 燃烧试验台整体结构

设计的生物质颗粒燃烧试验装置如图1所示，采用水平进料方式，炉排为固定炉排。生物质颗粒燃烧试验装置的额定进料量为1.5 kg/h，燃烧室高度60 cm，燃烧室直径25 cm。沿整个燃烧室高度均匀对称分布9个二次风风管，风管的上下间距为5 cm。沿燃烧室高度方向将风管分为三组，每组三个风管，分别命名为上、中、下二次风（US，MS，LS），使二次风按不同高度和比例进入燃烧室。上、中、下二次风量由LZB-15型质量流量计进行精准控制，一次风量使用1 000 WOG型阀门进行控制。

生物质颗粒燃烧试验台排烟道上方30 cm处的烟气，采用青岛崂应3012H-D便携式烟气分析仪进行成分分析。燃烧烟气后续经旋风分离器进行净化除尘，而后排入大气。为了研究玉米秸秆颗粒在燃烧室内的燃烧状况，沿燃烧室高度中心处分别设置四个测温点得到温度1、2、3、4，分别位于炉排上方10、20、30、40 cm处。采用4个S型热电偶进行温度测量，采用北京阿尔泰科技发展有限公司生产的DAM-3038输入模块及DAM-3210数据转换模块对信号进行采集，采集数据输入电脑进行保存和处理。

1.2 工作原理及试验设计

生物质颗粒燃烧试验装置的运行步骤：生物质颗粒进入进料器，在电机转动下通过进料绞龙进入燃烧室。关闭炉门，启动配风系统，并启动点火装置点燃生物质颗粒燃料。待生物质颗粒充分点燃后，关闭点火装置，生物质颗粒进料1.5s后间隔5 s再次进料。生物质颗粒进入稳定燃烧阶段时，启动烟气采集系统和温度采集系统进行烟气成分和燃烧室温度采集。停机时，先停止进料，继续通风，待生物质燃料燃尽后关闭配风系统，燃烧试验结束。

在生物质颗粒燃烧试验装置上进行烟气污染物排放特性试验，并对灰分的结渣结块状况进行分析。试验设计为：1）仅存在一次风，过量空气系数（Excess Air Coefficient，EAC）分别为1.1、1.2、1.3、1.4，分别标记为EAC1.1、EAC1.2、EAC1.3、EAC1.4；2）过量空气系数为1.2，一二次风配比分别为（70%，30%），二次风分别从上、中、下三层入口单独（US，MS，LS）进入，标记为：US（30%），MS（30%）、LS（30%），配比为（60%，40%）时类推。3）过量空气系数为1.2，一、二次风配比为60%，40%时，下、中、上三层二次风按下述比例进行配风（1/2，0，1/2）、（1/3，1/3，1/3）、（0，1/2，1/2）和（1/2，1/2，0），分别标记为W1、W2、W3、W4。为了方便比较，将EAC1.2工况的燃烧试验数据作为对照组（Control Group，CG）。

2 原料特性分析

试验所用玉米秸秆颗粒，采用SDTGA8000型工业分析仪、Vario EL Cube型元素分析仪、C2000型热值分析仪进行工业分析、元素分析、热值分析，结果如表1所示。

由表1可知，玉米秸秆的挥发份较高、固定碳含量低，燃尽时间会比较快。同时，值得注意的是玉米秸秆中N含量高，会导致燃烧烟气中NOx浓度较高，需要对烟气中NOx浓度进行重点关注。利用ZSX100e型X射线荧光分析仪（XRF）进行无机元素含量检测，玉米秸秆的Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca、Fe的元素质量分数分别为0.186%、0.313%、1.21%、5.03%、0.133%、0.284%、1.66%、0.637%和0.663%，可以看出Si是无机元素中含量最高的，其次是K元素，是灰分容易产生结渣结块的主要原因。

表1 玉米秸秆工业分析、元素分析和热值分析

注：氧由计算得出。

Note: Oxygen is calculated by difference subtraction.

3 燃烧试验结果分析

3.1 分级配风对秸秆颗粒燃烧污染排放影响

燃料燃烧烟气中NOx、CO的产生主要发生在燃料层的燃烧区域[18-19]，因此燃料层区域的温度与出火口烟气污染物排放具有较高的关联度，对不同燃烧设计工况下燃料燃烧区1处温度及燃烧烟气中NOx、CO的浓度变化进行分析，如图2所示。

由图2a可知，CO浓度随过量空气系数的增加呈先降低后升高的趋势，这与Liu等[17]的结论有所差异。这是因为过量空气系数为1.1时，进入燃烧室的空气相对较少，氧气量不足造成燃烧不充分，继而产生相对较多的CO[20]。同时由于氧气量不足，造成燃料燃烧区温度1也相对较低。随着过量空气系数增加，在1.2、1.3时，燃料在燃烧室中能充分燃烧，产生的CO和充足的氧气发生氧化反应生成CO2，因此这两种燃烧工况下的CO浓度较低，燃料燃烧区温度1相对较高，但注意到相应的出火口NOx浓度也较高。随着过量空气系数继续增大，低温空气从下部进入燃烧室的入口速度增加，使燃烧室内部换热速率增快，烟气滞留时间缩短，造成内部燃烧温度有所降低、NOx降低。而因为挥发分在燃烧室内停留时间短，造成燃烧不完全，相应的CO浓度有所升高。

由图2b可知，当过量空气系数为1.2，一二次风配比为（70%，30%）时，与对照组相比，在US (30%)， LS(30%)时CO浓度有所升高。在MS(30%)工况时却有较低的CO浓度，这说明合适的二次风高度会显著减少烟气中CO浓度，产生较优的燃烧效果。另外还可以看出，当一二次风分级配风时，能够在一定程度上降低出火口NOx的浓度，且随着二次风高度的增加有降低的趋势。当一二次风配比为(60%，40%)时，出火口CO、NOx的浓度也呈现出与一二次风配比为（70%，30%）时相似的变化趋势，即随着二次风高度的增加，CO浓度先降低后升高，NOx浓度逐渐降低，但是一二次风配比为（60%，40%）具有更低的CO、NOx排放。

由图2c可知，当二次风进行多层配风时，与对照组及不进行二次风多层配风时相比，设计的4种二次风多层配风条件下烟气中CO浓度都很高，最高达到900 mg/m3；相反地，NOx浓度较低，最低约140 mg/m3。这说明烟气中CO和NOx浓度变化相反，呈现出一种竞争关系，这和以往的研究结论一致[9]。

玉米秸秆颗粒在燃烧室内燃烧可分为燃料燃烧区C1、气化燃烧区C2和燃尽区C3，发生的基础反应如图3中所示。

通过对W1工况分析可知，还原区主要在燃烧室的中二次风部位。玉米秸秆颗粒在燃料燃烧区C1燃烧产生CO2、CO和NO等气体（NO是NOx的主要气体成分），随着烟气上升进入气化燃烧区C2。对于W1工况而言，C2区域不通入二次风，这使得C2形成了一个还原区，在C2区域发生还原反应见公式（1）。

NOCON+CO2（1）

可知，在W1工况下烟气燃烧的反应路径为：一部分由下部C1区域燃烧产生的NO、CO在C2区域发生还原反应，同时C2区域未反应的剩余烟气又可分为两部分：Ⅰ. 一部分CO、NO在C3区域随着上二次风的进入发生了氧化反应；Ⅱ. 另一部分还未来得及反应的CO、NO便被排出燃烧室。根据不同二次风多层配风燃烧试验结果来说，Ⅰ. 的发生只是很小一部分，大部分的CO则遵循Ⅱ.的路径被排放出来，因此造成了不同二次风多层配风时玉米秸秆颗粒燃烧会产生高的CO浓度问题。

W2工况实际上是在基于W1工况上将下、上二次风减弱一部分，补给到中二次风上。这对C2区域产生了一些影响，但是W2工况的下二次风减弱会造成C1区域燃烧时O2不足，增加CO的产生。由于中二次风的加入，使得C2区域同时发生了两个反应①、②，因此W2工况的出火口CO浓度相对于W1要低一些。

W3工况中没有了下二次风的进入，意味着在C1区域产生较多的CO，根据C2中的反应式①，CO将会与NO反应降低NOx的排放浓度，但是由图2c可知，W3相较于W2具有更高的出火口CO、NOx排放浓度，这说明在W3工况①、②没有发生或者发生反应占比很小，在此时的工况中，CO和NO都被二次风吹出燃烧室了。对于W4来说，出火口NOx浓度与W3时相近，而CO浓度最高，这说明在C2区域③反应仍然占比很大。同时在C3区域，因为W4没有上二次风的进入，所以在C3反应区没有发生②反应，造成了出火口CO浓度很高。综上所知，所有不同二次风多层配风时，与对照组试验结果相比，出火口NOx的浓度都降低，CO浓度均增加。

使用NOx降低率（η）来判断与对照组相比各配风条件下玉米秸秆燃烧NOx浓度的降低程度。η值越大说明NOx降低程度越大，即此工况下NOx浓度越低效果越好。η计算公式如下：

式中NOx(CG)指对照组所得NOx浓度，%；NOx()指不同一二次风分级配风、二次风多层配风时所得NOx浓度，%；指的是US（30%），MS（30%）、LS（30%）、US（40%），MS（40%）、LS（40%）、W1、W2、W3、W4。

根据图4可知，当过量空气系数为1.2时，与只通过一次风供风相比，采用一二次风分级配风均能有效降低烟气中NOx浓度，NOx降低率在14%以上。

值得注意的是，无论二次风的高度选择在上、中、下层，当一二次风配比为（60%，40%）时的NOx降低率均高于一二次风配比为（70%，30%），说明二次风占总风量比重在一定范围内提高，有助于降低烟气中NOx浓度。另外，二次风进行多层配风时能够进一步降低NOx浓度，NOx降低率在38%～53%之间，减排效果十分明显。多层二次风配风工况下W1、W2、W3、W4的NOx浓度分别为145、148、188、195 mg/m3，因此W1和W2工况时NOx降低率显著高于W3和W4工况。同时，对燃烧试验台出口的污染物SO2、颗粒物进行检测，发现玉米秸秆颗粒燃烧所有工况中SO2的浓度和颗粒物浓度十分低，均低于山东省地方标准《DB 37/2374-2018》（核心控制区的SO2浓度和颗粒物浓度分别小于35 mg/m3，5 mg/m3）。

3.2 分级配风对秸秆颗粒燃烧温度场分布影响

在上述不同配风方式下，玉米秸秆颗粒在燃烧试验台沿高度方向各温度测点情况，如图5所示。

图5a表示仅存在一次风，过量空气系数分别为1.2、1.3、1.4时炉膛温度的变化规律，可知：此时燃烧室不同高度的温度变化趋势一致，即随着测点高度升高而温度减小。并且随着过量空气系数增大，各测点温度会相应减小。由图5b可知，当过量空气系数为1.2，与仅存在一次风的对照组相比，通过一二次风分级配风的方式，随着二次风进入燃烧室位置的提高，1的温度有逐渐下降的趋势，而2、3、4的温度则显著上升。二次风进入位置的升高，会在燃烧室底部形成一个相对缺氧的区域，导致燃料燃烧温度降低。另外，值得注意的是，无论一二次风配比为（60%，40%）或者（70%，30%），当二次风进入燃烧室中部位置时，都出现了3温度高于2的现象。这是由于主燃区部分挥发份在燃烧室底部未完全燃烧，由于中二次风的加入，未燃烧的挥发分在此得到充分燃烧，从而出现3温度升高。

从图5c可知，与对照组相比，W1、W2、W3、W4的4种二次风多层配风方式下，燃烧室内各测点的温度均有降低，最高在50 ℃以上，尤其1、4处的温度变化更明显，这也是烟气中NOx浓度降低的重要原因。这正是采用多层配风方式带来的重要优势，但是燃烧室内温度过低可能会对玉米秸秆颗粒的燃烧效率产生一定的影响。

3.3 燃烧效率分析

燃烧效率（η）在一定程度上可以反映燃料在设计燃烧试验台不同工况下的燃烧效果[21]。玉米秸秆颗粒燃烧排出燃烧室的飞灰量较少，因此我们只考虑可燃气体和底灰中的未燃尽碳造成的热损失，计算公式如（3）、（4）、（5）所示。

η=100−3−4（3）

3=3.2(CO) （4）

式中ƞ为燃烧效率，%；3为可燃气体不完全燃烧热损失，%；4为固体不完全燃烧热损失，%；为过量空气系数；(CO)是指烟气中的CO体积分数，%。

没有燃尽的碳主要残留在灰渣内中，4的计算公式[19]可简化为

式中ar为原料收到基灰分含量，%；C为灰分中未燃尽的炭量，%；Q为原料收到基热值，kJ/kg。

根据式（3）～（5），计算不同配风条件下玉米秸秆颗粒燃烧的热损失和燃烧效率，结果如表2。

表2 不同配风条件下玉米秸秆燃烧的热损失和燃烧效率

注：表2中CO的数值，是由图3中mg·m-3单位转化为%计算得到。c为燃烧效率，%；3为可燃气体不完全燃烧热损失，%；4为固体不完全燃烧热损失，%。

Note: The content of CO in Table 2 was calculated by converting the unit of mg·m-3in Fig.3 into %.cis combustion efficiency, %;3is heat loss from incomplete combustion of combustible gas, %;4is the heat loss of incomplete combustion of solid, %.

从表2可知，当过量空气系数为1.1时，玉米秸秆颗粒的燃烧效率较低，仅为99.05%。而过量空气系数为1.2、1.3、1.4时，燃烧效率相差不大，在99.20%～99.22%范围内。与仅存在一次风的对照组相比，当过量空气系数为1.2，随着二次风进入燃烧室位置的提高，玉米秸秆颗粒的燃烧效率逐渐下降，当二次风从最上层进入时，燃烧效率降低至99.12%。而当二次风在W1、W2、W3、W4的4种二次风多层配风方式时，燃烧效率会进一步降低，其中W3的燃烧效率降低程度最大，降低至98.89%。这说明，二次风位置的较高或者下层二次风量的减少，都会导致玉米秸秆颗粒燃烧不完全，灰分中含碳率较高，CO浓度显著提升，并且燃烧室底部位置温度降低，从而使燃烧效率下降。

3.4 分级配风对秸秆颗粒燃烧灰渣中元素成分变化影响

玉米秸秆作为典型的秸秆类生物质，燃烧时不仅会产生较高的NOx排放，同时燃料层燃烧后灰分由于局部高温而熔融粘结形成结块，严重影响配风及除渣操作，并进一步恶化燃烧室内温度分布，加剧熔融结块趋势。因此，论文重点考察不同配风方式下玉米秸秆燃烧结渣结块的影响。将生物质颗粒燃烧试验装置上燃烧所得玉米秸秆灰、玉米秸秆渣粉碎、研磨处理后进行SEM和XRD检测和分析，如图6。

从图6可以看出，玉米秸秆燃烧所得灰分处于松软的状态，比较碎且硬度很低。然而，燃烧所得结渣外观为玻璃状物质，硬度很大，内部为燃烧很不充分的玉米秸秆颗粒。由于玉米秸秆原料中的Si质量占到了5%左右，燃烧后将形成大量的SiO2，K含量仅次于Si含量，因此玉米秸秆燃烧所得灰分及结渣中存在大量SiO2与KCl，两者易形成低熔点的共结晶化合物[22]。当燃烧室内存在局部高温区域时，会形成大量结渣结块现象。

为了对不同配风条件下玉米秸秆颗粒燃烧结渣结块程度进行评估，参考国家标准《GBT 1572-2018 煤的结渣性测定方法》，将燃烧后的灰渣进行收集、称质量，放置在安装有6 mm筛网的SC-600型振动筛上进行筛分30 s，筛分结束后收集留在筛网上面的渣块进行称质量，结渣率计算公式如式（6）：

式中为结渣率，%；1为粒度大于6 mm的渣块，g；2为渣块总质量，g。

表3为不同配风工况条件下，玉米秸秆颗粒燃烧室内燃料燃烧区温度1及结渣率变化情况。

表3 各工况燃烧对应的T1温度和结渣率

由表3可以看出，玉米秸秆颗粒燃烧结渣率随燃料燃烧区温度1的升高而显著增大，这说明燃料燃烧区温度1是影响玉米秸秆颗粒燃烧结渣的重要因素。随着过量空气系数的增大，结渣率呈现先增加后降低的趋势。与对照组相比，当进行一二次风分级配风时，玉米秸秆的结渣率呈降低趋势，尤其当二次风进入燃烧室的中层位置时（MS），结渣率可降低至11.2%左右。当采用二次风多层配风时，4种工况下的结渣率得到大幅度下降，最低发生在W4工况中，结渣率为4.5%。造成这种结果的根本原因，在于此时燃烧室底部温度较低，且二次风多层配风的加入对底灰中K、Na等元素的气相释放产生了影响。因此通过合理的多层配风，能够有效降低易结渣生物质原料的结渣率。

图7为不同配风条件下，玉米秸秆燃烧产生NOx浓度与结渣率试验结果。

从图7可以看出，在大多数情况下，燃烧结渣率与烟气中NOx浓度变化具有较好一致性，即结渣率较低时相应的烟气中NOx浓度也较低。当然也有一些例外情况，如当过量空气系数较大时（EAC1.3和EAC1.4），结渣率较高而NOx浓度较低，主要原因是此时空气量较多对生成的NOx进行稀释，而燃料燃烧区温度T1较高造成的。另外，与对照组相比，当采用多层二次风配风方式时，均能够显著降低玉米秸秆燃烧结渣率和NOx排放浓度，其中W1工况最优，结渣率约为5%，NOx排放浓度在150 mg/m3以内，此时仍需要配合烟气脱硝设备，以满足各地区对锅炉大气污染物排放要求。

3.5 分级配风下的秸秆颗粒燃烧结渣指数预测

灰渣的性质主要取决于其成分。目前对于不同类型的生物质燃烧还没有适用性较好的结渣判断标准，选择4种常用的结渣指数，对不同配风工况下玉米秸秆颗粒的燃烧结渣倾向进行分析。包括：硅比指数、碱酸比（/）、Na含量指数（Na (index)）、碱性指数Alc，计算公式如式（7）～（10）所示[21-23]。

硅比指数G：

式中当量Fe2O3=Fe2O3+1.11FeO+1.43Fe。

碱酸比/：

Na含量指数：

碱性指数Alc：

式中ad为燃料空气干燥基中灰分的百分含量，%；HHV为燃料在干燥基和定容条件下的高位发热量，GJ/kg。

根据不同配风工况下所得结渣灰分的无机元素含量，通过公式（9）～（12）可计算出玉米秸秆颗粒燃烧4种结渣预测指数，如图8所示。

根据各结渣指数的判定范围[24-25]，对于硅比来说，结渣指数为轻度结渣，并且随着燃料燃烧区温度1的升高呈现上升趋势，意味着温度1越高，越不容易结渣，这一点与实际试验数据相违背。对于碱酸比来说，结渣指数为中度结渣，但是温度1越高，碱酸比预测结渣程度越低，也与实际不相符。同样，Na含量指数、碱性指数得出结渣指数为严重结渣，但是随着温度1越高，预测结渣程度也越低，这与实际试验结果同样不相符。

对于生物质灰而言，与煤相比其碱金属含量较高，硅、铝等元素含量较低，因此其碱酸比、硅铝比等结渣指数的取值范围与煤灰相比有很大差异，偏离煤结渣指数判别界限很远[26-27]。因此，上述4种结渣指数均不能根据玉米秸秆燃烧结渣中无机元素含量，正确预测不同燃料燃烧区温度1变化时的结渣倾向。为此，需要对结渣预测指数进行修正。考虑到玉米秸秆颗粒燃烧结渣率与温度1有很强的关联性，由图8可以看出不同燃烧工况下与温度1具有较好的拟合度，为此在硅比指数G中引入燃料燃烧区温度1作为变量（仅利用1的值，而不考虑其单位）。修正后的公式如下：

G=G×1.1−1×0.03% （11）

计算出不同燃料燃烧区温度1时相应的修正后硅比指数G结果如图9。

可以看出，随着燃料燃烧区温度1不断升高，G呈现下降趋势，意味着结渣倾向越来越严重。温度1接近800 ℃时，G值约在0.66～0.67之间，进入严重结渣判定区域。而温度1在680 ℃左右时，G值相对较大，在中度结渣判定范围，因此修正后的G可以很好地对玉米秸秆颗粒因燃料燃烧区温度1引起的结渣倾向变化进行预测，对二次风多层配风燃烧结渣预测可提供一定的依据。

4 结 论

1）设计了一种具有多层二次风的生物质燃烧试验装置。当采用一、二次风分级配风时，能够显著降低烟气中NOx的浓度。二次风位置较高或下层二次风量的减少，都会导致玉米秸秆颗粒燃烧不完全，CO浓度显著提升。

2）与对照组相比，采用多层二次风配风，燃烧室内各测点温度均有所降低，降低幅度最高在50 ℃以上，烟气中NOx浓度显著降低，NOx降低率在38%～53%之间。此时，玉米秸秆颗粒燃烧结渣率大幅度下降，W4工况时最低，结渣率为4.5%。所有工况中，W1工况的燃烧结渣率和NOx浓度均较低，综合评价为最优工况。

3）碱酸比、碱性指数Alc、Na含量指数、硅比指数G等4种结渣指数，均不能正确预测因燃料燃烧区温度1变化而造成的结渣倾向变化，因此，在硅比指数G中引入温度1作为变量，修正后的硅比指数G可以很好地对玉米秸秆颗粒随燃烧区温度1的结渣倾向进行预测。

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Influences of multi-layer secondary air distribution on NOxreduction rate and slagging tendency of maize stover particle combustion

Liu Shanjian, Wang Shuaichao, Yi Weiming※, Li Yongjun, Feng Xiangdong

(,,255000,)

Biomass refers to the material derived directly from plants, thereby serving as a renewable, low-carbon emission, and environment-friendly energy source. Straw biomass is characterized by high alkali metal and ash content, where the ash caking easily occurs during combustion. This feature has become one of the most important factors limiting the use of industrial boiler fuel, particularly affecting the air distribution and complete combustion in the reaction chamber. In this study, a biomass combustion test device was designed with multi-layer secondary air, thereby explorg the influence on the NOxreduction rate and slagging in corn straw particle combustion. Two types of parameters were set firstly, including different primary and secondary air grading ratios, and the multi-layer ratios of secondary air. An evaluation was also made on the concentration of pollutants, such as CO and NOxin flue gas, combustion efficiency, and ash slagging rate. The results show that the concentration of NOxin flue gas significantly reduced, when the primary and secondary air were distributed in stages, whereas, the concentration of CO and NOxin flue gas changed in opposite directions, showing a competitive relationship. Specifically, a higher secondary air position or lower secondary air volume led to incomplete combustion of corn straw particles, and a significant increase in CO concentration. The temperature at each measuring point and the NOxconcentration in the flue gas in the combustion chamber was reduced significantly, compared with the control group, under different secondary air distribution modes. Moreover, the emission of the lowest NOxconcentration was released in W1working condition, about 150 mg/m3. The NOxconcentration was also significantly reduced, whereas, the slagging rate decreased greatly, with the lowest of 4.5%, when the secondary air was equipped with multi-layer air. The slagging rate of corn stalk increased significantly, with the increase of temperature1, indicating that the temperature T1was an important factor affecting the slagging of corn stalk particles during combustion. Correspondingly, the best working condition was achieved, where there was a relatively low NOxconcentration and slagging rate under W1working conditions. Furthermore, the incomplete combustion of corn stalk particles was attributed to the higher secondary air position or the lower secondary air volume, whereas, the CO concentration was attributed to the higher carbon content in ash. Additionally, the combustion efficiency decreased at the low temperature on the bottom of the combustion chamber. Consequently, four slagging indexes cannot correctly predict the change of slagging tendency under various fuel zone at temperature1, such as acid-base ratio, alkalinity index Alc, Na content index, and silicon ratio index. More importantly, when the temperature1was introduced into the silicon ratio index g, the modifiedGcan be expected to well predict the slagging tendency of corn straw particles in the combustion zone.

combustion; physicochemical property; maize stover; secondary air distribution; slagging index; NOxconcentration

柳善建，王帅超，易维明，等. 多层二次风配风对玉米秸秆颗粒燃烧降低NOx产率及结渣的影响[J]. 农业工程学报，2021，37(15)：222-231.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.027 http://www.tcsae.org

Liu Shanjian, Wang Shuaichao, Yi Weiming, et al. Influences of multi-layer secondary air distribution on NOxreduction rate and slagging tendency of maize stover particle combustion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 222-231. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.027 http://www.tcsae.org

2021-03-27

2021-06-15

国家重点研发计划（2019YFD1100600）；国家自然科学基金（51606113）

柳善建，博士，研究方向为生物质洁净高效燃烧与优化技术。Email：liushanjian08@163.com

易维明，博士，教授，博士生导师，研究方向为生物质能源与材料技术。Email：yiweiming@sdut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.027

TK6; S216.2

A

1002-6819(2021)-15-0222-10