電站鍋爐摻燒生物質(zhì)的污染物釋放特性試驗(yàn)研究

張 新

（山西中節(jié)能潞安電力節(jié)能服務(wù)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046200）

0 引言

生物質(zhì)能源具有儲(chǔ)量豐富、氮硫含量低、燃燒特性良好等特點(diǎn)，在能源生產(chǎn)領(lǐng)域的比重日益增加[1]。同時(shí)，近年來(lái)電力生產(chǎn)領(lǐng)域向清潔低碳發(fā)展的趨勢(shì)日益顯現(xiàn)，非化石能源發(fā)電的比重快速增長(zhǎng)。在電站燃煤鍋爐中摻燒一定比例的生物質(zhì)以代替部分煤的使用，可在不改變鍋爐原有燃燒器形式的基礎(chǔ)上，降低發(fā)電經(jīng)濟(jì)成本，并減少氮氧化物及硫氧化物的排放，有助于逐步建立清潔低碳的電力成產(chǎn)模式。

為模擬爐內(nèi)高溫燃燒工況，研究生物質(zhì)混煤燃燒過(guò)程中NOx及SO2等污染物的釋放特性，文中在小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了恒溫下生物質(zhì)混煤燃燒試驗(yàn)，考察了不同摻混比例、燃燒溫度、生物質(zhì)種類對(duì)燃料燃燒過(guò)程中NOx、SO2釋放特性的影響，為電站鍋爐摻燒生物質(zhì)時(shí)燃料利用及污染物控制提供了一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及燃料特性

本文所使用的恒溫污染物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖1，試驗(yàn)時(shí)采用德國(guó)RBP公司的ecom-CN型煙氣分析儀對(duì)生物質(zhì)混煤燃燒過(guò)程中NOx、SO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄。整套裝置氣密性良好，多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)誤差在2%以內(nèi)（圖 1）。

圖1 NOx、SO2測(cè)量裝置

鑒于生物質(zhì)的熱值及可磨性程度，試驗(yàn)選用秸稈、木屑與稻殼進(jìn)行研究。由于生物質(zhì)中揮發(fā)分含量較高，無(wú)煙煤中揮發(fā)分含量較低，二者混燃時(shí)能明顯改善燃料的燃燒特性[2]，故選用清水溝無(wú)煙煤作為混燃煤種。實(shí)驗(yàn)前先將樣品在破碎機(jī)中充分破碎，而后經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，保證其粒徑均在0.125～0.180 mm 目之間。將篩分好的樣品置于鼓風(fēng)干燥箱中干燥10 h，溫度保持在105℃左右，然后放入干燥器中備用。試驗(yàn)樣品的工業(yè)分析及元素分析見(jiàn)表1。

表1 樣品的元素分析和工業(yè)分析

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將管式爐升溫至實(shí)驗(yàn)溫度后，通入流量為2.67 L/min的空氣并穩(wěn)定30 min；隨后稱取質(zhì)量為0.1 g的樣品平鋪于剛玉舟內(nèi)（避免因燃料堆積造成氣體擴(kuò)散影響），迅速推入管式爐內(nèi)。管式爐出口通過(guò)煙氣分析儀準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)測(cè)量出口煙氣的NOx及SO2濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 摻混比的影響

生物質(zhì)摻混比是研究煤摻燒生物質(zhì)時(shí)污染物釋放特性的關(guān)鍵影響因素之一。因此，在900℃下，分別測(cè)量了煤粉以及3種比例摻混樣品（煤，秸稈=9∶1、 8∶2、 7∶3） 的 NOx和 SO2瞬時(shí)釋放曲線，如圖2所示。

圖2 不同摻混比下NOx和SO2釋放曲線

由圖2a可知，摻混秸稈后，NOx瞬時(shí)釋放曲線呈雙峰分布，并隨摻混比增加，前一個(gè)NOx瞬時(shí)釋放峰值明顯提前且峰值增大。結(jié)合表1，這是因?yàn)榕c純煤燃燒相比，隨摻燒秸稈的比例增大，樣品中揮發(fā)分含量增加，這一方面引起揮發(fā)分氮含量增大；另一方面，揮發(fā)分在反應(yīng)初期易迅速析出燃燒，試樣燃燒特性得到進(jìn)一步改善[3]。因此，在燃燒初期形成的揮發(fā)分氮和焦油氮能迅速得以釋放并以含氮前驅(qū)體NH3、HCNO及HCN等形式析出[4]，此時(shí)O2含量較為充足，易與形成的含氮前驅(qū)體結(jié)合生成NOx（以NO和NO2為主），造成隨摻混比增大，NOx瞬時(shí)釋放峰值明顯提前且增大。

圖2b中SO2瞬時(shí)釋放曲線表明，在低摻混比（10%） 下，SO2瞬時(shí)釋放量較純煤燃燒有所增加，但在高摻混比（20%以上） 下，SO2釋放量減少，且隨摻混比的進(jìn)一步增大，這種降低的趨勢(shì)更加明顯。這主要是由于摻混生物質(zhì)后，燃燒過(guò)程中會(huì)形成生物質(zhì)焦炭，并隨摻混比增加而含量增大。與煤焦相比，生物質(zhì)焦炭具有較大的比表面積以及較豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)有助于促進(jìn)SO2吸附，抑制SO2釋放[5]。此外，表1顯示與煤相比，秸稈中硫含量較低，隨秸稈摻混比增加，樣品含硫量降低，這也在一定程度上減少了SO2的形成。因此，摻燒秸稈能明顯降低SO2的釋放，并隨秸稈摻混比增加，SO2瞬時(shí)釋放量進(jìn)一步降低。

此外，圖2曲線表明，在燃燒后期，隨秸稈摻混比增加，NOx和SO2瞬時(shí)釋放量均降低。如之前所述，由于樣品中摻燒秸稈的比例增加，燃燒時(shí)形成的多孔性焦炭含量增加，這些焦炭中豐富的孔隙結(jié)構(gòu)能促進(jìn)SO2和NOx的吸附，同時(shí)高活性的生物質(zhì)焦炭也能促進(jìn)NOx（主要是NO） 的還原[6]，造成燃燒后期SO2和NOx瞬時(shí)釋放量隨摻混比的增加呈下降趨勢(shì)。

2.2 溫度的影響

溫度影響燃燒反應(yīng)的進(jìn)行程度，不同溫度下發(fā)生的反應(yīng)類型也不盡相同。因此，為研究不同溫度對(duì)生物質(zhì)混煤摻燒過(guò)程中污染物釋放特性的影響，以秸稈摻混比20%的樣品為研究對(duì)象，在700、800、900、1000℃下，測(cè)量其燃燒過(guò)程中NOx及SO2瞬時(shí)釋放曲線，如圖3所示。

圖3 不同溫度下NOx和SO2釋放曲線

由圖3a可知，隨溫度升高，NOx瞬時(shí)釋放峰值的出現(xiàn)時(shí)間提前，整個(gè)NOx釋放過(guò)程所用時(shí)間縮短。這是由于溫度升高導(dǎo)致試樣燃燒加劇，揮發(fā)分氮和焦炭氮析出提前，造成NOx生成釋放過(guò)程加快。另外，圖中顯示，由焦炭氮轉(zhuǎn)化生成的NOx釋放峰值會(huì)隨溫度升高而逐漸增大。這是因?yàn)榈蜏叵?，樣品燃燒不充分造成燃燒后期環(huán)境氣氛中的CO濃度較高，而CO對(duì)已生成的NOx（主要是NO） 具有顯著的還原作用[6]，這會(huì)抑制NOx的生成。隨溫度升高，燃燒反應(yīng)加劇，CO濃度降低，對(duì)NOx的還原作用減弱。因此，隨溫度升高，由焦炭氮轉(zhuǎn)化生成的NOx釋放量逐漸增大。

圖3b中SO2瞬時(shí)釋放曲線表明，隨溫度升高，SO2瞬時(shí)釋放曲線峰值減小。溫度升高使得焦炭活性增強(qiáng)并形成較為豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，造成SO2吸附量增加，SO2釋放量減少。此外，圖3b中還表明，在后期焦炭燃燒階段，當(dāng)溫度區(qū)間在700～900℃之間時(shí)，SO2瞬時(shí)釋放峰值逐漸降低；而當(dāng)溫度超過(guò)900℃時(shí)，SO2釋放峰值又增大。由于摻混樣品在不同燃燒階段中SO2的生成原因不同，揮發(fā)分階段釋放的SO2主要來(lái)源于有機(jī)硫的分解，而焦炭燃燒階段SO2的生成主要來(lái)源于無(wú)機(jī)硫酸鹽的分解[7]。當(dāng)溫度低于900 ℃時(shí)，由于煤中摻混了一定比例的生物質(zhì)，樣品中K、Ca等堿金屬含量增加[8]，在燃燒后期，S與這些堿性物質(zhì)結(jié)合形成硫酸鹽，進(jìn)一步造成SO2釋放量降低；但當(dāng)溫度超過(guò)900℃時(shí)，之前形成的硫酸鹽易分解，雖焦炭活性增強(qiáng)，但仍不足以吸附其釋放的SO2量，故引起SO2瞬時(shí)釋放峰值的增加。

2.3 生物質(zhì)種類的影響

為研究摻燒不同種類生物質(zhì)對(duì)燃燒過(guò)程中NOx和SO2釋放特性的影響，選用秸稈、木屑、稻殼3種生物質(zhì)，在800℃、生物質(zhì)20%摻混時(shí)，測(cè)量其燃燒過(guò)程中NOx及SO2瞬時(shí)釋放曲線，如圖4所示。

圖4 摻燒不同生物質(zhì)的NOx和SO2釋放曲線

由圖4a可知，NOx瞬時(shí)釋放峰值由高到低依次是摻燒秸稈、木屑、稻殼。產(chǎn)生上述現(xiàn)象是因?yàn)閾綗煌镔|(zhì)時(shí)，各生物質(zhì)的水分和揮發(fā)分含量不同。由表1可知，上述3種生物質(zhì)中水分及揮發(fā)分含量由高到低依次是秸稈、木屑、稻殼。水分及揮發(fā)分含量高的試樣燃燒時(shí)，氣氛中會(huì)生成部分O、OH等自由基[9]，燃燒特性改善，造成NOx釋放程度加劇。另一方面，稻殼中K、Ca等堿金屬含量較高[10]，在實(shí)驗(yàn)溫度下，對(duì)NOx（主要是NO） 還原反應(yīng)的催化作用最強(qiáng)[8]，造成NOx瞬時(shí)釋放量減小。

由圖4b可知，摻燒稻殼的SO2瞬時(shí)釋放量最低。一方面如之前所述，稻殼中堿金屬含量較高，會(huì)與S結(jié)合形成硫酸鹽，造成SO2釋放量降低；另一方面，由表1可知，稻殼灰分含量較高，可能在燃燒過(guò)程中阻塞煤粉燃燒形成的焦炭孔[11]，從而進(jìn)一步抑制SO2的析出。

3 結(jié)論

燃煤鍋爐摻燒一定比例生物質(zhì)時(shí)，針對(duì)其不同摻燒比例、不同燃燒溫度及摻燒不同種類生物質(zhì)的污染物釋放特性進(jìn)行研究，結(jié)果如下。

a） 在燃燒前期，隨生物質(zhì)摻混比增加，試樣揮發(fā)分氮含量增加，前期NOx及SO2的釋放增加；但在燃燒后期，即焦炭燃燒階段，隨生物質(zhì)摻混比例增加，NOx和SO2瞬時(shí)釋放量明顯降低。

b） 低溫下，由于未充分燃燒造成燃燒后期的CO濃度偏高，這對(duì)NOx的還原有一定的促進(jìn)作用；隨實(shí)驗(yàn)溫度升高，試樣燃燒加劇，對(duì)NOx的還原抑制作用減弱，釋放量逐漸增加。另一方面，隨溫度升高，由于焦炭活性增強(qiáng)及硫酸鹽的生成、分解的影響，SO2的瞬時(shí)釋放量呈先減少后增加的趨勢(shì)。

c） 生物質(zhì)中的堿金屬物質(zhì)對(duì)NOx及SO2釋放有一定的控制作用，且隨生物質(zhì)中堿金屬含量增加，NOx和SO2瞬時(shí)釋放量降低。