尿素溶液喷射对生物质锅炉氮氧化物(NOx)排放的调控机制与优化策略研究

【编辑推荐】本研究针对小型生物质锅炉NOx排放控制难题，创新性采用选择性非催化还原(SNCR)技术，通过精确喷射尿素溶液（0.10-0.50 kg/h），实现木质/非木质生物质燃烧时NOx最高减排43%和39%，同时揭示CO排放上升117%的副反应机制，为分布式能源系统污染控制提供关键技术参数。

　　

随着欧洲尤其是中东欧地区生物质锅炉使用量激增（2022-2024年市场增长显著），这些"绿色能源"设备却暗藏环境隐患——其排放的氮氧化物(NO_x)和颗粒物(PM)正悄然破坏大气环境。更棘手的是，传统认为主要产生于高温工业锅炉的NO_x，在燃烧温度仅1200 K的生物质锅炉中竟也大量存在，这主要源自生物质燃料中的"燃料氮"转化。波兰波兹南理工大学（Poznan University of Technology）的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表的研究，犹如一场"锅炉减排革命"，他们巧妙移植工业级SNCR技术到家用锅炉，用看似普通的尿素溶液破解了这一环保困局。

研究团队采用Heiztechnik Q EKO 15型15 kW锅炉，通过精密设计的双阶段实验：第一阶段建立松木/山毛榉（木质）与苜蓿/麦秸（非木质）颗粒燃烧的基线排放数据；第二阶段创新性引入32.5%尿素溶液喷射系统，在800-1100℃关键温度窗口实施SNCR干预，同步监测NO_x、CO、O₂等参数。

【材料与方法】

研究采用模块化设计：锅炉配备自动给料系统和定制尿素喷射装置，通过烟气分析仪实时监测排放。实验严格控制燃烧功率波动±0.5 kW，确保数据可比性。尿素喷射量梯度设置为0.10/0.20/0.50 kg/h，覆盖典型工况。

【结果与讨论】

• NO_x减排呈现明显剂量效应：松木颗粒在0.50 kg/h尿素喷射时实现43%减排，但超过0.20 kg/h后出现效益递减，揭示存在"最佳经济剂量"

• 非木质生物质响应差异：麦秸颗粒NO_x减排效率（39%）略低于木质，但CO排放激增117%，反映其复杂燃烧特性

• 温度窗口效应：尿素在800-950℃区间分解效率最高，验证了生物质锅炉SNCR的可行性

• 副产物博弈：每降低1% NO_x伴随CO升高2.8%，提示需优化喷射策略平衡污染物控制

这项研究的意义不仅在于首次证实SNCR技术在低温生物质锅炉的适用性，更开创性地提出"三阶段控制模型"：燃料氮控制→喷射参数优化→排放协同管理。特别是发现0.20 kg/h尿素剂量可实现NO_x/PM/CO的平衡控制，这对修订小型锅炉排放标准具有重要参考价值。正如研究者指出，该技术无需改造锅炉主体结构，通过"外科手术式"的精准喷射即可实现环保升级，为全球2000万家庭生物质锅炉的绿色转型提供了关键技术路径。