稻殼混合貧煤燃燒對(duì)SO2排放的影響

王 智，趙瑞娥

(1.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040;2.中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

0 前言

燃煤電廠排放的SO2氣體是造成大氣污染的主要污染源之一［1］。降低燃煤電廠SO2的排放，是控制大氣污染的有效途徑［2］。近年來(lái)，西方國(guó)家研究在高硫煤中摻入生物質(zhì)混合燃燒，可獲得與傳統(tǒng)干法脫硫相同甚至更好的脫硫效果［3］。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，是僅次于煤的第二大能源［4］。因此，研究生物質(zhì)混煤燃燒技術(shù)，既可充分利用能源，又可控制污染排放，具有重要社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

本文選取南方最常見(jiàn)的稻殼作為生物質(zhì)燃料的實(shí)驗(yàn)樣本，按不同質(zhì)量比混合山西產(chǎn)貧煤制成實(shí)驗(yàn)燃料，利用循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)定煙氣中的SO2濃度，分析稻殼混煤燃燒對(duì)SO2排放的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)燃料的制備

1.1 循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖1為循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖，燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基本特性參數(shù)如下:

·爐膛內(nèi)徑:100 mm

·爐膛高度:4.0 m

·電加熱段額定輸出功率:4 kW

·電加熱段最高溫度1 000℃，常用溫度850℃

·電加熱段長(zhǎng)度:500 mm

·燃煤量:≥3 kg/h

圖1 循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖

該燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)爐膛和底座總高度大約5 m，設(shè)有5個(gè)煙氣濃度值測(cè)孔(測(cè)孔No3與No4之間的距離為1 000 mm，其余測(cè)孔間距為500 mm)、8個(gè)熱電偶插孔(插孔No7和No8間距為450 mm，No13和No14間距為400 mm，其余間距為500 mm)、兩個(gè)壓力測(cè)孔。煙氣中SO2濃度值由傳感器測(cè)得?？刂乒裨诰€顯示爐內(nèi)溫度壓力、螺旋給煤機(jī)調(diào)頻、調(diào)節(jié)電加熱段電壓、送風(fēng)機(jī)電流等數(shù)值，一二次風(fēng)量返料風(fēng)量由流量計(jì)控制。

燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用床下流態(tài)化電加熱點(diǎn)火方式，底料為細(xì)砂，將細(xì)砂加熱到700℃左右時(shí)向爐內(nèi)加入燃料并鼓風(fēng)即可實(shí)現(xiàn)燃燒。電加熱段在爐體的下部，上部為燃燒段，燃燒段采用高溫310不銹鋼，電加熱段采用優(yōu)質(zhì)耐高溫的高強(qiáng)度剛玉管制作。尾部煙氣管道連接水浴以降低排煙溫度，返料豎管外套用水冷套管以調(diào)節(jié)進(jìn)入爐內(nèi)的回料。

控制臺(tái)集中了所有的電壓、溫度儀表和大部分的控制開(kāi)關(guān)。其中有總電壓數(shù)顯、總電流儀表、風(fēng)機(jī)電流數(shù)顯、電加熱電流數(shù)顯、螺旋輸煤機(jī)電流數(shù)顯及速率數(shù)顯、爐膛各測(cè)點(diǎn)溫度巡檢儀以及總電源開(kāi)關(guān)。

試驗(yàn)中采用的煙氣分析儀是MSI Compact煙氣分析儀。該分析儀器可直接測(cè)量的參數(shù)有O2、CO、NO、SO2等氣體的濃度。煙氣經(jīng)取樣器泵入到MSI Compact煙氣分析儀，流經(jīng)傳感器由煙氣分析儀內(nèi)部的微處理機(jī)進(jìn)行處理，最終由測(cè)量計(jì)算機(jī)顯示。

1.2 實(shí)驗(yàn)燃料的制備

對(duì)比多種生物質(zhì)，最終確定以南方最常見(jiàn)的稻殼作為此次混煤燃燒的研究對(duì)象。首先，稻殼存量大，易于區(qū)域性地收集，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的意義。其次，稻殼的體積較小，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的粉碎和篩選就可與煤粉混合使用，不用在粉碎和篩選環(huán)節(jié)花費(fèi)過(guò)多的人力物力。再次，稻殼的含水量較小，經(jīng)過(guò)自然干燥就能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。煤種則選擇常見(jiàn)的山西產(chǎn)貧煤作為研究對(duì)象。將稻殼碎片與煙煤按不同的質(zhì)量比例混合，制成此次實(shí)驗(yàn)的燃料。一共配制了7種質(zhì)量比的混合燃料備用，其中稻殼所占混合燃料的質(zhì)量比分別為:5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%。稻殼和貧煤的工業(yè)分析見(jiàn)表1。

表1 燃料工業(yè)、元素分析表

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 SO2的排放量與混合燃料中稻殼所占比重的關(guān)系

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，煙氣中SO2的排放量與混合燃料中稻殼所占比重的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 850℃時(shí)SO2排放量與稻殼所占比重關(guān)系曲線圖

從圖中可看出，當(dāng)燃燒溫度恒定在850℃時(shí)，SO2的排放量隨著燃料中稻殼所占比重增加而降低。其中在谷殼的摻混比例在0%到10%之間SO2的體積濃度下降最為顯著，從630 μL/L下降到300 μL/L，在10%到20%之間次之，從300 μL/L下降到180 μL/L，在20%到100%之間SO2的體積濃度下降的相對(duì)緩慢，從180 μL/L下降到70 μL/L?？梢?jiàn)，稻殼的加入可明顯降低貧煤燃燒時(shí)的SO2排放量，但燃料中稻殼所占比重超過(guò)40%后，對(duì)于控制SO2的排放意義不大。

究其原因，首先，隨著稻殼的摻混比例增加，燃料中S的含量降低［5］。其次，稻殼灰分中含有堿土金屬的氧化物，它們能夠與SO2反應(yīng)生成硫酸鹽，起到固硫劑的作用［6］。

2.2 SO2的排放量與燃燒溫度的關(guān)系

由于稻殼的摻混比例在0%到20%之間SO2的體積濃度下降的最為明顯，因此選擇稻殼和煤粉的質(zhì)量比為10%和20%的兩種混合燃料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以純煤燃料作為實(shí)驗(yàn)參照。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的SO2的體積濃度與燃燒溫度的曲線圖見(jiàn)圖3。

圖3 SO2排放量與燃燒溫度關(guān)系曲線圖

從圖中可看出:首先，相同溫度下，SO2的體積濃度隨著稻殼摻混比例的升高而降低。這也驗(yàn)證了上面得出的結(jié)論。其次，SO2的體積濃度隨著燃燒溫度的升高而提高。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因有以下幾點(diǎn):

(1)生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較大［7］，在燃燒初期，揮發(fā)分大量析出并燃燒，消耗了大量氧氣，降低了氧氣濃度，從而抑制了SO2的生成。

(2)生物質(zhì)燃料含 CaO、MgO、K2O、Na2O 等堿金屬礦物質(zhì)［8］，能夠與SO2反應(yīng)生成硫酸鹽，從而減少了SO2的排放。研究表明，生物質(zhì)灰分中的堿土成分可部分捕獲SOx，其減排量能達(dá)到7%［9］。

(3)生物質(zhì)本身具有一定的木質(zhì)素和腐植酸［10］，它們具有巨大的比表面積，對(duì)SO2有較強(qiáng)的吸附能力，延緩了SO2的析出速度。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可得出以下結(jié)論:

(1)貧煤摻燒稻殼后，煙氣中的SO2排放量顯著降低。隨著稻殼所占比重的增加，燃燒生成的SO2體積濃度逐漸下降。特別是稻殼的摻混比例在0%到20%之間SO2的體積濃度下降的最為明顯。

(2)SO2的排放量隨著燃燒溫度的升高而增加，在650℃到850℃之間SO2的體積濃度增加的較為平緩，在850℃之后增加較快?？梢?jiàn)，控制SO2排放的關(guān)鍵在于控制燃燒溫度。

(3)雖然混合燃料中稻殼所占比重越高SO2的排放量越低，但是生物質(zhì)燃料熱值較低，摻燒過(guò)多不利于鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，建議實(shí)際運(yùn)行中，生物質(zhì)燃料所占比重應(yīng)控制在10%到20%之間。

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