煤粉/生物質(zhì)恒溫混燃NO 排放的協(xié)同特性

王金星，李 偉，王春波

0 引言

隨著大氣污染的日益加劇，燃料燃燒帶來(lái)的污染物排放逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)燃料燃燒產(chǎn)生的污染物排放特性展開了研究。Shaozeng Sun 等［1］通過(guò)進(jìn)行O2/N2和O2/CO2兩種氣氛下煙煤燃燒的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，得到了燃料N 在O2/CO2氣氛下轉(zhuǎn)化為NO 的量小于O2/N2氣氛下的結(jié)論。李慶釗等［2］在沉降爐上利用在線煙氣分析儀研究了燃燒氣氛、CO2濃度、溫度及燃料/氧氣化學(xué)當(dāng)量比對(duì)O2/CO2氣氛下燃煤NO排放的影響規(guī)律。楊冬等［3］在一維煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)單煤及其混煤進(jìn)行了NOx析出特性的燃燒試驗(yàn)研究，分析了煤質(zhì)特性、燃燒工況對(duì)NOx排放特性的影響規(guī)律。周志軍等［4］采用固定床反應(yīng)器，研究了低揮發(fā)分煤的NOx釋放規(guī)律。

煤粉/生物質(zhì)恒溫混燃污染物排放特性研究，是優(yōu)化煤粉/生物質(zhì)混燃低污染物排放技術(shù)的基礎(chǔ)。目前該方面相關(guān)研究，普遍采用是實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的比對(duì)。如，Cuiping Wang 等［5］在逐漸升溫條件下利用TG-FTIR 技術(shù)對(duì)麥秸與無(wú)煙煤摻混后的污染物排放進(jìn)行了研究，得出了麥秸摻混60%的樣品污染物排放最少的結(jié)論。孫俊威等［6］利用攜帶管式爐進(jìn)行了3 種生物質(zhì)與陽(yáng)泉煤的混燃實(shí)驗(yàn)，探討了摻混比及過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃料NOx排放的影響規(guī)律。S．Munir 等［7］在燃煤鍋爐上進(jìn)行了煤粉與生物質(zhì)混燃實(shí)驗(yàn)，得出了摻混生物質(zhì)可降低NO 排放的結(jié)論。利用比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法，研究混合燃料燃燒時(shí)污染物排放特性有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于探討煤粉/生物質(zhì)混燃污染物排放的協(xié)同效應(yīng)，存在著一定的不足。如果能將混燃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與不同單一燃料加權(quán)得到的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，無(wú)疑能在協(xié)同效應(yīng)的層面上更深入地研究煤粉/生物質(zhì)混然污染物排放特性。

本工作對(duì)生物質(zhì)與幾種煤及混合試樣在恒溫條件下進(jìn)行了混燃實(shí)驗(yàn)，針對(duì)NO 排放的協(xié)同特性進(jìn)行了探討，希望能對(duì)今后深入研究煤粉/生物質(zhì)混燃污染物排放特性提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)樣品

為能更好地研究煤粉/生物質(zhì)恒溫混燃NO 排放的協(xié)同特性，自制管式爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1 所示。溫控范圍為0 ～1 300 ℃?？諝獠捎脷獗霉?yīng)，流量量程為2 L/min。瓷舟尺寸7 cm ×1 cm。采用德國(guó)MRU 公司的Delta 2 000CD -IV 煙氣分析儀對(duì)NO 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線傳入計(jì)算機(jī)。熱電偶與溫控儀相連，爐內(nèi)穩(wěn)定后可視為恒溫。

圖1 管式爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig．1 Tube furnace experimental system

實(shí)驗(yàn)選取3 種典型電廠用煤:無(wú)煙煤、煙煤、褐煤，粒度80 目到120 目;選取的生物質(zhì)混合物(以下簡(jiǎn)稱生物質(zhì))由華北地區(qū)常見(jiàn)的玉米芯、秸稈、樹皮、木屑等9 種農(nóng)業(yè)或林業(yè)廢棄物組成，粒度80 目到120 目。不同煤粉與生物質(zhì)的工業(yè)分析及元素分析見(jiàn)表1。其灰成分分析見(jiàn)表2。

表1 試樣的工業(yè)分析與元素分析Tab．1 Ultimate and proximate analysis of test samples

表2 試樣的灰成分分析Tab．2 Ash composition analysis of test samples

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先向管式爐內(nèi)通入流量為1 L/min的空氣，在該氣氛下將固定床反應(yīng)器升溫至目標(biāo)溫度。待反應(yīng)區(qū)域溫度恒定后，啟動(dòng)煙氣分析儀。取0.1 ±0.005 g 樣品均勻平鋪于長(zhǎng)7 cm 寬1 cm的瓷舟底部，然后將瓷舟支架沿導(dǎo)軌迅速送入管式爐內(nèi)。利用MRU Online View 軟件對(duì)煙氣中NO進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用編制程序?qū)⒈O(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)記錄到計(jì)算機(jī)內(nèi)。此外，校正實(shí)驗(yàn)表明，該流量已經(jīng)能很好地消除反應(yīng)過(guò)程中氣體擴(kuò)散的影響。

2 結(jié)果與討論

對(duì)NO 采用氮析出率，即在累積時(shí)間段內(nèi)NO中氮析出的量占煤中氮含量的百分?jǐn)?shù)。

式中:VN為NO 析出率， (%);t0為實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間，s;t 為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中某時(shí)刻，s;C(t)為t 時(shí)刻氣流中NO 對(duì)應(yīng)的實(shí)際氮濃度，mg/Nm3;V(t)為t 時(shí)刻煙氣流量，Nm3/s;MN為試樣質(zhì)量，mg;Nt為試樣含氮量，(%)。

煤粉/生物質(zhì)恒溫混燃NO 排放的協(xié)同特性是衡量混燃NO 排放效果的重要指標(biāo)，對(duì)煤粉/生物質(zhì)混燃減低NO 排放技術(shù)的研發(fā)具有不可比擬的參考價(jià)值。本文采用純煤與純生物質(zhì)的線性加權(quán)平均曲線(以下簡(jiǎn)稱加權(quán)曲線)對(duì)混燃NO 排放協(xié)同特性進(jìn)行研究。加權(quán)曲線是根據(jù)兩種純?nèi)剂系腘O 排放曲線分別乘上各燃料占試樣中百分比得到的NO 排放曲線。即:

式中:x 為生物質(zhì)在試樣中的百分含量;TGc為混合樣的加權(quán)曲線。TGa為純煤粉的實(shí)驗(yàn)NO 排放曲線;TGb為純生物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)NO 排放曲線。

2.1 摻混比的影響

摻混比是影響煤粉/生物質(zhì)混燃NO 排放特性的主要因素。在900 ℃恒溫條件下，測(cè)量了無(wú)煙煤與生物質(zhì)摻混比為9∶1，8∶2，7∶3這3 種情況下NO 析出率隨時(shí)間的變化曲線及通過(guò)對(duì)無(wú)煙煤與生物質(zhì)NO 析出率曲線線性加權(quán)得到的3 條曲線，如圖2 所示。

圖2 在恒溫900 ℃條件下無(wú)煙煤與生物質(zhì)不同摻混比的NO 排放特性Fig．2 NO emission characteristics of anthracite and biomass co-combustion at different blending ratios at 900 ℃

如圖2 所示，在燃燒初期隨著生物質(zhì)摻混比的增大，實(shí)驗(yàn)得到的NO 析出率升高，且NO 排放的實(shí)驗(yàn)曲線中趨于平緩的拐點(diǎn)均比加權(quán)曲線得到的拐點(diǎn)靠前。由于生物質(zhì)摻混量的增加能夠加快試樣的燃燒［8］，進(jìn)而可以推測(cè)，燃燒初期試樣燃燒的進(jìn)行程度是影響NO 析出快慢的主要因素。生物質(zhì)摻混比的增大加快了試樣的燃燼程度，在燃燒初期表現(xiàn)出NO 析出率的升高。實(shí)驗(yàn)中摻混生物質(zhì)加快了試樣中煤粉的燃燼速度，從而也使NO 析出加速。然而加權(quán)曲線未能體現(xiàn)兩種燃料燃燒的相互作用，因此，加權(quán)曲線中的拐點(diǎn)比實(shí)驗(yàn)曲線的拐點(diǎn)滯后。此外，燃燒進(jìn)行600 s 后，實(shí)驗(yàn)所得的NO 析出率與加權(quán)所得的NO 析出率均表現(xiàn)出，隨著生物質(zhì)的摻混比增加NO 析出率下降。其可能原因包括:首先，生物質(zhì)入爐后迅速釋放出揮發(fā)分，揮發(fā)分燃燒又消耗了大量氧氣，進(jìn)而抑制了燃料氮轉(zhuǎn)變成NO。其次，燃料入爐燃燒存在一定的熱解作用。生物質(zhì)的熱解產(chǎn)生多種還原性氣體［9～10］，使NO 還原成了N2。此外，化學(xué)表面和發(fā)生反應(yīng)的表面決定了吸附氮氧化物的能力［11］，生物質(zhì)的快速燃燒形成高表面積的多孔性焦炭，這種焦炭的比表面積比煤燃燒形成的焦炭比表面積大［12］，能夠促進(jìn)了NO 的分解。圖2 呈現(xiàn)的另一個(gè)特征為:隨著生物質(zhì)摻混比的增加，實(shí)驗(yàn)曲線與加權(quán)曲線的差別加大，進(jìn)而說(shuō)明了增加生物質(zhì)摻混比有助于增加煤粉與生物質(zhì)NO 排放的協(xié)同作用。

2.2 溫度的影響

為了探討溫度對(duì)煤粉/生物質(zhì)混燃NO 排放協(xié)同特性的影響，選取800 ℃，900 ℃，1 000 ℃，對(duì)20%生物質(zhì)與80%無(wú)煙煤的混合樣進(jìn)行了恒溫下的比對(duì)實(shí)驗(yàn)。試樣的NO 排放實(shí)驗(yàn)曲線與加權(quán)曲線如圖3 所示。

圖3 80%無(wú)煙煤與20%生物質(zhì)的混合樣在不同恒溫條件下的NO 排放特性Fig．3 NO emission characteristics of 80% anthracite and 20% biomass co-combustion at different temperatures

如圖3 所示3 條NO 析出實(shí)驗(yàn)曲線與3 條加權(quán)曲線，溫度的升高總是有助于NO 的生成。由于溫度升高，燃燒反應(yīng)加快［8］，進(jìn)而加速了NO 析出。溫度的升高使得揮發(fā)分析出后形成的焦炭孔內(nèi)部壓力增大，更好地吹開堵塞的灰分，進(jìn)而擴(kuò)大了反應(yīng)比表面積，加速了燃燒，增加了燃料NO的析出。此外，溫度升高有利于燃料析出的NH3和HCN 反應(yīng)生成NO［13］，也是造成NO 析出率增大的原因。圖3 呈現(xiàn)的另一個(gè)特征為:隨著溫度的升高，實(shí)驗(yàn)曲線與加權(quán)曲線的差別不斷減小。比較圖中各曲線的拐點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高拐點(diǎn)不斷前移，從而說(shuō)明煤粉/生物質(zhì)混燃相互作用的時(shí)間不斷縮短，推測(cè)這可能是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)曲線與加權(quán)曲線差別減小的主要原因。

2.3 煤種的影響

上面的研究結(jié)果部分表明，試樣中的揮發(fā)分對(duì)混燃協(xié)同特性存在一定的影響。選用3 種煤(無(wú)煙煤、煙煤、褐煤)揮發(fā)分差異較大的煤種，探討煤種對(duì)煤粉/生物質(zhì)混燃NO 排放協(xié)同特性的影響。在恒溫900 ℃條件下測(cè)試了80%不同煤粉分別摻混20%生物質(zhì)時(shí)NO 排放的實(shí)驗(yàn)曲線及加權(quán)曲線，如圖4 所示。

圖4 在恒溫900 ℃條件下80%不同煤種與20%生物質(zhì)摻混的NO 排放特性Fig．4 NO emission characteristics of 80% different coal and 20% biomass co-combustion at 900 ℃

如圖4 所示，3 種煤粉摻混生物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)得到與加權(quán)得到的NO 析出率差異顯著。例如，褐煤摻混生物質(zhì)得到的NO 排放實(shí)驗(yàn)曲線始終滯后于加權(quán)曲線，而無(wú)煙煤摻混生物質(zhì)呈現(xiàn)的現(xiàn)象卻剛好相反，煙煤位于二者之間。結(jié)合3 種煤粉的工業(yè)分析(表1)，褐煤的揮發(fā)分含量最高，無(wú)煙煤的揮發(fā)分含量最少，進(jìn)而可以推測(cè)，褐煤摻混生物質(zhì)后，由于生物質(zhì)揮發(fā)分的迅速析出，造成局部壓力增大，對(duì)褐煤揮發(fā)分的析出存在一定的阻礙作用，從而抑制了NO 析出。而無(wú)煙煤揮發(fā)分含量最低，受到抑制作用很弱且摻混生物質(zhì)后能使試樣的燃燒加速明顯，從而表現(xiàn)出對(duì)NO 的析出的促進(jìn)作用。由于加權(quán)曲線未能體現(xiàn)煤粉與生物質(zhì)間的相互抑制與促進(jìn)作用，進(jìn)而產(chǎn)生了上述差異。

3 結(jié)論

通過(guò)管式爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)煤粉/生物質(zhì)恒溫混燃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探討了摻混比、溫度及煤種等因素對(duì)煤粉/生物質(zhì)恒溫混燃NO 排放協(xié)同特性的影響規(guī)律。研究表明，隨著生物質(zhì)摻混比的增加，燃燒初期的NO 析出加快，NO 排放曲線呈現(xiàn)的拐點(diǎn)前移，最終NO 析出率降低;溫度的升高總是有助于NO 的生成。隨著溫度的升高，煤粉與生物質(zhì)NO 排放的相互作用逐漸減弱;摻混生物質(zhì)，能夠抑制揮發(fā)分含量高的煤種NO 排放，對(duì)揮發(fā)分含量低的煤種表現(xiàn)出促進(jìn)NO 排放。

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