張小桃，賈耀磊，盧 毅，賈 偉

(華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南 鄭州 450045)

生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的合成氣代替固體生物質(zhì)和煤混合燃燒，有利于改善煤的燃燒過程，降低NOx和SOx等污染物的排放． 有關(guān)固體生物質(zhì)與煤混合燃燒以及生物質(zhì)氣化，國內(nèi)外很多學(xué)者做了不少工作［1－15］．文獻(xiàn)［1 －4］認(rèn)為混合燃燒能有效降低NOx的排放濃度;文獻(xiàn)［5］認(rèn)為，隨著生物質(zhì)摻混比例的增加，生物質(zhì)和煤共氣化的氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率都有所提高;文獻(xiàn)［9］利用Fluent 模擬生物質(zhì)氣和煤在流化床鍋爐內(nèi)燃燒，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)燃燒溫度和排煙溫度隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加呈升高趨勢;文獻(xiàn)［10］認(rèn)為生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生的焦油在再燃過程中分解成的高熱值的烴類氣體能夠有效降低燃煤鍋爐NOx的排放;文獻(xiàn)［11］利用Fluent 對生物質(zhì)氣和煤再燃進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果認(rèn)為，NOx的質(zhì)量濃度隨生物質(zhì)氣再燃量的增加而降低;文獻(xiàn)［14］對生物質(zhì)燃燒生成的NOx進(jìn)行了過程模擬，模擬結(jié)果認(rèn)為，NOx的生成量隨過量空氣系數(shù)和溫度的增加快速增加;文獻(xiàn)［15］認(rèn)為隨著空氣當(dāng)量比的增大，氣化溫度增加，熱值減小，產(chǎn)氣總量增加．目前，多數(shù)學(xué)者是對生物質(zhì)氣化以及固體生物質(zhì)和煤混合燃燒進(jìn)行研究，而對生物質(zhì)氣和煤混合燃燒進(jìn)行研究的不多．筆者利用Aspen Plus 建立生物質(zhì)氣和煤混合燃燒模型，對生物質(zhì)氣與煤的混合燃燒過程進(jìn)行模擬，研究隨著燃燒溫度和生物質(zhì)摻燒比例變化的混合燃燒的煙氣排放特性，尋找NOx和SOx的排放規(guī)律．

1 生物質(zhì)氣與煤混燃過程研究

1．1 生物質(zhì)與煤混燃流程及模型

生物質(zhì)在氣化爐里氣化，以空氣為氣化劑，生成合成氣，其主要可燃成分為CO，H2，CH4等．合成氣以及攜帶的熱量一起進(jìn)入鍋爐，與煤粉在鍋爐里混合燃燒．利用Aspen Plus 軟件搭建生物質(zhì)氣與煤混燃過程模型，主要用到3 個操作模塊:收率反應(yīng)器RYIELD、平衡反應(yīng)器RGIBBS 和子物流分流器SSPLIT．生物質(zhì)氣與煤混和燃燒模擬流程如圖1 所示．

輸入氣化爐的生物質(zhì)經(jīng)預(yù)反應(yīng)器RYIELD(壓力為1．01 ×105Pa，溫度為25 ℃)裂解為H2O，C，H2，O2，N2，S 和灰分，進(jìn)入氣化反應(yīng)器RGIBBS(絕熱，壓力為1．01 ×105Pa)與空氣2(壓力為1．01 ×105Pa，溫度為25 ℃)反應(yīng)，生成物經(jīng)氣固分離器SSPLIT 分離．氣化后的生物質(zhì)氣(GASES2)進(jìn)入模塊RGIBBS 和煤混合燃燒． 生物質(zhì)氣和煤混合燃燒過程的收率反應(yīng)器RYIELD 設(shè)置條件為:壓力為1．01 ×105Pa，空氣入口溫度為25 ℃，混合燃燒過程有熱損失．

圖1 生物質(zhì)氣與煤混和燃燒模擬流程

在用Aspen Plus 模擬生物質(zhì)氣化和煤混合燃燒過程中，作以下假設(shè):①氣化過程為絕熱過程，混合燃燒過程有熱損失;②生物質(zhì)顆粒和氣化劑、生物質(zhì)氣化氣和煤在爐內(nèi)瞬間完全混合;③燃燒過程中燃料和氧分布均勻;④生物質(zhì)中的灰分為惰性物質(zhì)，在氣化和燃燒中不參與反應(yīng)．

物性方法:Aspen Plus 建模中，對于煤燃燒系統(tǒng)，Aspen 推薦了PR－BM 和RKS －BM 2 種物性方法．由于這2 種物性方法的計算結(jié)果沒有明顯差別，這里選擇PR－BM 模型．

1．2 燃料成分

選取松木為氣化原料，煤種為某地?zé)熋?，燃料的成分組成及低位熱值見表1．

表1 松木、煤的工業(yè)分析和元素分析(干燥基)

1．3 生物質(zhì)氣與煤混合燃燒污染物生成理論

從表1 可以看出，生物質(zhì)中氮硫的含量很低，并且生物質(zhì)揮發(fā)成分高，能夠使生物質(zhì)和煤混合燃燒后NOx排放量降低，SOx排放量也按摻混的比例而減少相應(yīng)的比例． 生物質(zhì)氣里含有大量的還原劑CHi和碳?xì)浠衔铮疑镔|(zhì)氣中含有大量的焦油，焦油在高溫下分解成小分子氣體，這些小分子氣體也對NOx的還原起到促進(jìn)作用．

NOx的生成主要有3 種類型:燃料型NOx、快速反應(yīng)型NOx和熱反應(yīng)型NOx．

燃料型NOx主要是燃料中氮在燃燒過程中氧化而形成的，在一般的燃燒條件下，揮發(fā)分N 中最主要的氮化合物是HCN 和NH3［7］，燃料中的氮在熱分解溫度800 ～1 100 ℃時，氮化物HCN 和NH3通過均相反應(yīng)生成NOx，主要發(fā)生以下反應(yīng):

快速型NOx是由燃料揮發(fā)物中的碳?xì)浠衔镌诟邷叵路纸馍傻腃H 自由基和空氣中氮反應(yīng)生成的HCN 和N，再進(jìn)一步與氧作用以極快的反應(yīng)速率生成NO，它的生成與溫度關(guān)系不大，并且生成的量也極少．

熱反應(yīng)型的NOx是由于燃燒助燃劑空氣中的N2在高溫下氧化而產(chǎn)生的氮氧化物，該生成機理是由前蘇聯(lián)科學(xué)家捷里道維奇提出來的，其NO 生成速度表達(dá)式如下［16］:

式中:［O2］、［N2］、［NO］分別為O2，N2，NO 的濃度，mol/cm3;T 為絕對溫度，K;t 為時間，s;R 為通用氣體常數(shù)，J/(mol·K)．

由于生物質(zhì)中含硫極少，所以煙氣中的SO2和SO3主要來自煤的燃燒．隨著燃燒溫度的升高，氧的離解速度提高，氧的濃度升高，且發(fā)生氧和SO2反應(yīng)生成SO3．但SO2的氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，盡管溫度升高能增加其反應(yīng)速率，卻會使SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率下降，抑制SO3的生成，所以最終SO3濃度下降，SO2濃度上升［16］．

2 結(jié)果與分析

2．1 生物質(zhì)氣成分及低位熱值

在生物質(zhì)氣化模擬過程中，定義空燃比為空氣和生物質(zhì)燃料質(zhì)量流量的比值． 對生物質(zhì)氣化影響的主要因素之一是空燃比．隨著空燃比的增大，氣化溫度上升，生物質(zhì)氣的成分及熱值也會隨著變化．生物質(zhì)氣特性見表2．

表2 生物質(zhì)氣特性

2．2 生物質(zhì)氣和煤混合燃燒結(jié)果分析

2．2．1 燃燒溫度對混合燃燒污染物排放的影響

燃燒溫度對煙氣的成分及排放量有著重要的影響，下面以松木的摻燒比例為30%、含水率為10%的工況下的生物質(zhì)氣和煤在不同溫度下混合燃燒，燃燒溫度設(shè)定為700 ～1 700 ℃，分析NOx和SOx的排放量隨燃燒溫度的變化，結(jié)果分別如圖2 和圖3所示．

圖2 NOx 排放量隨燃燒溫度的變化

圖3 SOx 排放量隨燃燒溫度的變化

由圖2 可以看出，溫度對燃料NOx的排放影響很大，且以NO 的排放為主．當(dāng)溫度為1 100 ℃以下時，NOx隨溫度的升高變化不大，但當(dāng)溫度在1 300 ℃以上時，NOx的排放量隨著溫度的升高迅速升高，1 100 ℃時NO 的摩爾體積分?jǐn)?shù)為5．63 ×10－3%，1 700 ℃時其體積分?jǐn)?shù)為0．124%，增加了近21 倍;1 100 ℃時NO2的體積分?jǐn)?shù)為1． 32 × 10－5%，1 700 ℃時其體積分?jǐn)?shù)為3．55 ×10－5%，增加了近2 倍．

因為當(dāng)溫度小于1 100 ℃時，主要是燃料中的氮被氧化成NOx，所以NOx的生成量很小;當(dāng)溫度超過1 100 ℃時，NOx的生成量快速上升，這是因為熱反應(yīng)型的NOx生成的緣故．

由圖3 可以看出:隨著燃燒溫度的上升，SO2和SO3生成的趨勢正好相反，SO2增多，SO3減少，并且SO2的排放量在1 300 ℃之后就趨于平緩．700 ℃時SO2的體積分?jǐn)?shù)為0．105 4%，1 700 ℃時其體積分?jǐn)?shù)為0．111 4%，增加了5．7%;700 ℃時SO3的體積分?jǐn)?shù)為6． 25 × 10－3%，1 700 ℃時其體積分?jǐn)?shù)為5．24 ×10－5%，降低了99．2%． 其結(jié)果和文獻(xiàn)［16］描述的一致．

2．2．2 生物質(zhì)摻混比例對燃燒產(chǎn)物的影響

生物質(zhì)摻混比例定義為生物質(zhì)的質(zhì)量占生物質(zhì)和煤總質(zhì)量的百分比． 選取含水率為10%的松木，摻混比例為0%，10%，20%，30%的生物質(zhì)氣和煤混合燃燒，燃燒溫度設(shè)置為1 300 ℃．混燃過程污染物的排放結(jié)果如圖4 所示．

圖4 NO，NO2，SO2，SO3 排放量隨生物質(zhì)摻混比例的變化

由圖4 可以看出，主要污染物NO，NO2，SO2，SO3排放量隨生物質(zhì)摻混比例的增加而逐漸減少，且以NO，SO2的排放量占主要部分． 生物質(zhì)摻混比例由0%增加到30%，SO2體積分?jǐn)?shù)由0．12%降低到0．11%，下降了5．4%;NO 的體積分?jǐn)?shù)由0．17%降低到0．07%，下降了58．2%;NO2的體積分?jǐn)?shù)由1．82 ×10－4%下降到3．22 ×10－5%，下降了82．2%;SO3的體積分?jǐn)?shù)由2． 73 ×10－4% 下降到1． 09 ×10－4%，下降了59．8%．

3 結(jié) 語

基于Aspen Plus 模擬軟件對生物質(zhì)氣化以及生物質(zhì)氣與煤混合燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬． 生物質(zhì)氣化過程中，隨著空燃比的增大，合成氣的低位熱值降低，合成氣成分主要以CO2，CO，H2O，H2，CH4，N2等為主;當(dāng)生物質(zhì)氣和煤按一定的摻燒比例在不同溫度下混合燃燒，隨著溫度的升高，NOx排放量逐漸升高，SO2排放量升高到一定濃度后，逐漸趨于平衡，SO3排放量減少到一定濃度后趨于平衡;在鍋爐溫度一定時，隨著生物質(zhì)摻燒比例的增加，NOx和SOx的體積分?jǐn)?shù)是降低的．因此，生物質(zhì)氣與煤混合燃燒有利于減少污染物的排放．

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