生物質(zhì)再燃脫除NO的實驗研究

余 萬 劉 驍 蘇華山 張揚(yáng)軍

(三峽大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

隨著工業(yè)的發(fā)展，氮氧化物的排放量在不斷上升，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染．隨著人民環(huán)保意識的提高和環(huán)保法規(guī)的完善，如何控制氮氧化物的排放已成了一個亟待解決的問題．我國是煤炭大國，氮氧化物的排放主要來自于煤炭的燃燒，火電燃煤電廠則是氮氧化物最主要的污染源．當(dāng)前氮氧化物排放控制技術(shù)有燃燒前控制技術(shù)、低NOx燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)．再燃脫硝技術(shù)屬于燃料分級燃燒低NOx排放技術(shù)，是目前較好的低NOx排放技術(shù)．生物質(zhì)燃料是綠色可再生能源，并具有揮發(fā)分含量高、燃燒污染物排放量少的特點，是一種很好的再燃燃料．近年來生物質(zhì)的再燃脫硝機(jī)理受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，揮發(fā)分是影響NO還原效果的主要因素，其作用類似于天然氣[1-3]．熊志波等[4]進(jìn)行了花生殼、楊木、稻稈和玉米秸稈4種生物質(zhì)的再燃脫除NO的實驗，研究了生物質(zhì)粒徑、再燃溫度及過量空氣系數(shù)等對再燃脫硝效率的影響．郝江濤等人[5-7]則研究了生物質(zhì)種類、再燃區(qū)化學(xué)計量比、再燃區(qū)溫度、停留時間、添加劑、燃料粒度、再燃比等參數(shù)對再燃脫硝效率的影響．蘇勝等[8，9]采用固定床反應(yīng)器研究了生物質(zhì)的再燃脫硝效果．污泥是在水處理過程中形成的以有機(jī)物為主要成分的泥狀生物質(zhì)資源，含有很多有害物質(zhì)，而焚燒認(rèn)為是能徹底實現(xiàn)污泥減量化、無害化和資源化的手段[10]．污泥具有高揮發(fā)份低熱值的特點，是一種較為合適的再燃燃料，再燃特性與常用的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)有較大分別，當(dāng)前對污泥再燃脫硝特性的研究還很少．

本文選擇了稻殼、玉米稈、污泥3種生物質(zhì)作為再燃燃料，在自制的固定床反應(yīng)器上開展生物質(zhì)燃料再燃脫除NO的實驗，研究了生物質(zhì)燃料種類、再燃區(qū)溫度和氧濃度對再燃脫硝效率的影響，以期深入了解生物質(zhì)再燃脫硝機(jī)理，為生物質(zhì)再燃技術(shù)的實際應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

1 實驗裝置與樣品

1.1 實驗樣品

實驗過程中一共選用了3種生物質(zhì)，分別為玉米稈、稻殼和城市水處理污泥．將3種生物質(zhì)樣品經(jīng)過干燥、破碎、研磨、篩分后，取18目篩與30目篩之間的顆粒(即粒徑為1mm至0.6mm)，根據(jù)GB/T 28731-2012《固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法》對樣品進(jìn)行了工業(yè)分析．3種生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析和元素分析見表1．

表1 實驗樣品的工業(yè)分析和元素分析

1.2 實驗裝置

本文的生物質(zhì)再燃實驗在固定床反應(yīng)器上進(jìn)行，實驗裝置如圖1所示，主要由氣瓶、混氣罐、管式爐和煙氣分析儀構(gòu)成．

1.NO瓶；2.CO2瓶；3.O2瓶；4.N2瓶；5、8、9.調(diào)節(jié)閥門；6.流量計；7.混氣罐；10.管式爐；11.瓷舟；12.過濾裝置；13.煙氣分析儀；14.計算機(jī).

實驗中使用的煙氣為模擬煙氣，采用CO2、NO、O2和N24種氣體按照一定比例在混氣罐中混合而形成．通過流量計和調(diào)節(jié)閥門來控制氣體的流量，實驗過程中模擬煙氣的總流量為1.5 L/min．模擬煙氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為：15%的CO2，0%～5%的O2，0.1%的NO，而N2為平衡氣．燃燒在管式爐中進(jìn)行，爐內(nèi)石英管直徑70 mm，長110 cm，恒溫段長90 cm．管式爐采用陶瓷加熱裝置，爐內(nèi)溫度由鉑銠-鉑熱電偶測量，爐溫調(diào)節(jié)范圍在室溫至1 300℃，可實現(xiàn)程序控溫．管式爐出口設(shè)置有煙氣過濾裝置，經(jīng)過濾后的氣體送入便攜式紅外煙氣分析儀對煙氣的成分進(jìn)行測量分析．

1.3 實驗方法

首先取0.5 g生物質(zhì)樣品裝入耐高溫瓷舟當(dāng)中，并將其放入管式爐石英管的冷端．在每組實驗開始時首先開啟4個氣瓶上的閥門5，通過調(diào)節(jié)閥門的開度來使4種氣體按設(shè)定比例在混氣罐中混合．然后開啟閥門8向管式爐內(nèi)通入一段時間的高純度N2，以便將管內(nèi)的殘余氣體排除干凈．然后開啟管式爐加熱程序，爐內(nèi)開始升溫，待溫度達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)閉閥門8，開啟閥門9將模擬煙氣按設(shè)定流量通入石英管中，并利用煙氣分析儀對出口氣體的各組分濃度進(jìn)行測量．待煙氣中的各組分濃度穩(wěn)定后，迅速將瓷舟送入管式爐的中部高溫加熱區(qū)，同時繼續(xù)測量管式爐出口各氣體組分的濃度．

由于模擬煙氣中的含氧量較低，在此條件下生物質(zhì)燃料所產(chǎn)生的NO量非常少，因此本文忽略了其對生物質(zhì)再燃脫除NO效果的影響．NO的脫除效果用再燃脫硝效率來表示，可以通過式(1)來計算：

(1)

式中，qvin為石英管入口的NO流量(L/min)；qvout為t時刻所測得的石英管出口NO流量(L/min)．本文研究3種生物質(zhì)燃料在不同的再燃溫度、再燃區(qū)氧濃度下的再燃脫硝效果，再燃區(qū)溫度分別取700℃、800℃、900℃、1 000℃和1 100℃，再燃區(qū)的氧濃度分別取0%、1%、2%、3%、4%和5%．在每種工況下均進(jìn)行了3組平行實驗，取3組實驗數(shù)據(jù)的平均值作為最終的結(jié)果．

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)燃料種類對再燃脫硝效率的影響

在本文的實驗工況下，3種生物質(zhì)燃料的再燃脫硝效率均在O2濃度為0%、再燃區(qū)溫度為1 100℃時達(dá)到最大值；在O2濃度為5%、再燃區(qū)溫度為700℃時再燃脫硝效率最?。畧D2給出了玉米稈、稻殼、污泥3種生物質(zhì)燃料在實驗條件下所獲得的最大再燃脫硝效率和最小再燃脫硝效率．

圖2 生物質(zhì)燃料獲得的最大/最小再燃脫硝效率

從圖2可以看出，生物質(zhì)燃料的種類不同時，所獲得的再燃脫硝效果不一樣．在3種生物質(zhì)燃料當(dāng)中，相同工況下玉米稈能夠獲得最好的脫硝效果，而稻殼的脫硝效率比玉米稈稍差一點，污泥的脫硝效果最差．如在0%氧濃度下，再燃區(qū)溫度為1 100℃時，玉米稈、稻殼及污泥3種生物質(zhì)燃料都能獲得最大的再燃脫硝效率，分別為87.62%、84.57%和60.34%．不同的生物質(zhì)燃料的再燃脫硝效果是與生物質(zhì)的基本燃料特性相關(guān)的．根據(jù)Kicherer等人[11]的研究，燃料中的揮發(fā)分含量是影響NOx排放量的最主要因素，其次燃料氮的含量也對NOx排放有影響．從表1可以看出，玉米稈、稻殼及污泥的揮發(fā)分含量分別為67.47%、60.72%和29.68%．這是由于揮發(fā)分含量越高，再燃燃料在再燃區(qū)內(nèi)揮發(fā)分析出所產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體就越多，有利于消耗燃燒區(qū)域內(nèi)的氧氣，形成一種較好的還原性的氣氛，有利于增強(qiáng)脫硝效果．這一現(xiàn)象與蘇勝等人[8]的研究結(jié)論較為一致．另外，跟稻殼和玉米稈相比，污泥中的含氮量大一些，會對NO的還原有一定的抑制作用．根據(jù)鐘北京等人[12]的研究，氣體中的CH4是還原NO的主要物質(zhì)，因此再燃脫硝效率很大程度上與再燃燃料揮發(fā)分析出過程中產(chǎn)生的CH4量相關(guān)．根據(jù)許開立等人[13,14]的研究，生物質(zhì)在熱解過程中的主要產(chǎn)物為CH4、H2、CO和CO2，其中CH4在較低的溫度下就能夠達(dá)到最大析出峰值，因此需要深入了解生物質(zhì)熱解氣成分才能有針對性地指導(dǎo)其再燃脫硝過程．

2.2 再燃區(qū)溫度對再燃脫硝效率的影響

在不同的再燃區(qū)溫度下，3種生物質(zhì)燃料的再燃脫硝效果也有所不同，圖3給出了再燃區(qū)O2濃度為0%時，當(dāng)再燃區(qū)溫度為700～1 100℃之間時，再燃脫硝效率的變化情況．

圖3 再燃區(qū)溫度對再燃脫硝效率的影響

從圖3可以看出，在相同的實驗工況下，3種燃料的再燃脫硝效率仍然是玉米稈最好，其次為稻殼，最后是污泥．但在再燃溫度為800℃左右時，稻殼的脫硝效率比玉米稈還略高一點，這可能與此時的揮發(fā)分析出速率相關(guān)．同時發(fā)現(xiàn)3種生物質(zhì)燃料所獲得再燃脫硝效率均隨著再燃區(qū)溫度的升高而增大，變化規(guī)律基本相同．以稻殼為例，再燃區(qū)溫度為700℃時所獲得的再燃脫硝效率為42.56%；900℃時則變成了71.54%；1 100℃時則為84.57%．這主要是由于生物質(zhì)受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體中，CH4的產(chǎn)量會隨著溫度的升高而增多，在再燃區(qū)內(nèi)的濃度越來越大．而CH4是再燃還原NO過程中最為重要的還原性組分，其濃度的增大會促進(jìn)NO的還原．根據(jù)蘇勝等人[8]的研究，當(dāng)熱解溫度在1 100℃以下時，生物質(zhì)燃料熱解產(chǎn)生的CH4的濃度會不斷增大．與此同時再燃區(qū)溫度的提高，也可以使NO還原反應(yīng)的反應(yīng)速率增大，從而使得整體的再燃脫硝效率升高．

2.3 再燃區(qū)氧濃度對再燃脫硝效率的影響

實驗過程中還發(fā)現(xiàn)再燃區(qū)的O2濃度會對生物質(zhì)燃料的再燃脫硝效率產(chǎn)生一定的影響，圖4和圖5分別給出了在再燃區(qū)溫度為900℃和1 100℃時，當(dāng)再燃區(qū)的O2濃度從0%變化到5%時的再燃脫硝效率．

圖4 不同氧濃度下的再燃脫硝效率(再燃區(qū)溫度900℃)

圖5 不同氧濃度下的再燃脫硝效率(再燃區(qū)溫度1 100℃)

從圖4中可以看出，再燃區(qū)O2濃度對脫硝效率有很大的影響，3種生物質(zhì)燃料的再燃脫硝效果均隨著再燃區(qū)O2濃度的增大而降低．在氧濃度從0%升高至1%時，3種生物質(zhì)燃料的再燃脫硝效果都略有下降，但變化不是很大；氧濃度從1%升高至5%時，再燃脫硝效率均有明顯的降低，以玉米稈脫硝效率為例，0%、1%和5%氧濃度下的脫硝效率分別為75.48%、74.05%和58.74%．這主要是因為隨著氧濃度的增大，再燃區(qū)內(nèi)的還原性氣氛減弱，使得NO的還原效果變差；另一方面，再燃區(qū)內(nèi)的含氮中間組分會與氧反應(yīng)生成NO．因此控制再燃區(qū)的氧濃度是提高再燃脫硝效率的重要手段．圖5給出的是再燃區(qū)溫度為1 100℃時，氧濃度對再燃脫硝效率的影響，可以看出其變化規(guī)律與900℃時基本相同，但由于再燃溫度高，脫硝效率也相應(yīng)大一些．

3 結(jié) 論

采用稻殼、玉米稈、污泥3種生物質(zhì)作為再燃燃料，在自制的固定床反應(yīng)器上開展生物質(zhì)燃料再燃脫除NO的實驗，研究了生物質(zhì)燃料種類、再燃區(qū)溫度和氧濃度對再燃脫硝效率的影響，得出了以下結(jié)論：

1)生物質(zhì)種類對再燃脫硝效果有很大影響，揮發(fā)分含量高的生物質(zhì)會取得更好的脫硝效果，實驗工況范圍內(nèi)，稻殼、玉米稈和污泥所取得的最大再燃脫硝效率分別為87.62%、84.57%和60.34%；

2)當(dāng)再燃區(qū)溫度從700℃上升至1 100℃時，3種生物質(zhì)燃料的再燃脫硝效率均會隨著再燃區(qū)溫度的升高而增大；

3)隨著再燃區(qū)氧濃度的增大，3種燃料的再燃脫硝效率都會變差．

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