張 新

（山西中節(jié)能潞安電力節(jié)能服務有限公司，山西 長治 046200）

0 引言

生物質能源具有儲量豐富、氮硫含量低、燃燒特性良好等特點，在能源生產領域的比重日益增加[1]。同時，近年來電力生產領域向清潔低碳發(fā)展的趨勢日益顯現(xiàn)，非化石能源發(fā)電的比重快速增長。在電站燃煤鍋爐中摻燒一定比例的生物質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上，降低發(fā)電經(jīng)濟成本，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模式。

為模擬爐內高溫燃燒工況，研究生物質混煤燃燒過程中NOx及SO2等污染物的釋放特性，文中在小型實驗臺上進行了恒溫下生物質混煤燃燒試驗，考察了不同摻混比例、燃燒溫度、生物質種類對燃料燃燒過程中NOx、SO2釋放特性的影響，為電站鍋爐摻燒生物質時燃料利用及污染物控制提供了一定的理論依據(jù)。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗系統(tǒng)及燃料特性

本文所使用的恒溫污染物在線監(jiān)測系統(tǒng)見圖1，試驗時采用德國RBP公司的ecom-CN型煙氣分析儀對生物質混煤燃燒過程中NOx、SO2濃度進行實時監(jiān)測并記錄。整套裝置氣密性良好，多次重復性實驗證明，實驗所得數(shù)據(jù)誤差在2%以內（圖 1）。

圖1 NOx、SO2測量裝置

鑒于生物質的熱值及可磨性程度，試驗選用秸稈、木屑與稻殼進行研究。由于生物質中揮發(fā)分含量較高，無煙煤中揮發(fā)分含量較低，二者混燃時能明顯改善燃料的燃燒特性[2]，故選用清水溝無煙煤作為混燃煤種。實驗前先將樣品在破碎機中充分破碎，而后經(jīng)標準篩篩分，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。試驗樣品的工業(yè)分析及元素分析見表1。

表1 樣品的元素分析和工業(yè)分析

1.2 實驗方法

實驗時，將管式爐升溫至實驗溫度后，通入流量為2.67 L/min的空氣并穩(wěn)定30 min；隨后稱取質量為0.1 g的樣品平鋪于剛玉舟內（避免因燃料堆積造成氣體擴散影響），迅速推入管式爐內。管式爐出口通過煙氣分析儀準確、實時測量出口煙氣的NOx及SO2濃度。

2 結果與分析

2.1 摻混比的影響

生物質摻混比是研究煤摻燒生物質時污染物釋放特性的關鍵影響因素之一。因此，在900℃下，分別測量了煤粉以及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瞬時釋放曲線呈雙峰分布，并隨摻混比增加，前一個NOx瞬時釋放峰值明顯提前且峰值增大。結合表1，這是因為與純煤燃燒相比，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)分在反應初期易迅速析出燃燒，試樣燃燒特性得到進一步改善[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體NH3、HCNO及HCN等形式析出[4]，此時O2含量較為充足，易與形成的含氮前驅體結合生成NOx（以NO和NO2為主），造成隨摻混比增大，NOx瞬時釋放峰值明顯提前且增大。

圖2b中SO2瞬時釋放曲線表明，在低摻混比（10%） 下，SO2瞬時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，且隨摻混比的進一步增大，這種降低的趨勢更加明顯。這主要是由于摻混生物質后，燃燒過程中會形成生物質焦炭，并隨摻混比增加而含量增大。與煤焦相比，生物質焦炭具有較大的比表面積以及較豐富的孔隙結構，這一特點有助于促進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瞬時釋放量進一步降低。

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，燃燒時形成的多孔性焦炭含量增加，這些焦炭中豐富的孔隙結構能促進SO2和NOx的吸附，同時高活性的生物質焦炭也能促進NOx（主要是NO） 的還原[6]，造成燃燒后期SO2和NOx瞬時釋放量隨摻混比的增加呈下降趨勢。

2.2 溫度的影響

溫度影響燃燒反應的進行程度，不同溫度下發(fā)生的反應類型也不盡相同。因此，為研究不同溫度對生物質混煤摻燒過程中污染物釋放特性的影響，以秸稈摻混比20%的樣品為研究對象，在700、800、900、1000℃下，測量其燃燒過程中NOx及SO2瞬時釋放曲線，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瞬時釋放峰值的出現(xiàn)時間提前，整個NOx釋放過程所用時間縮短。這是由于溫度升高導致試樣燃燒加劇，揮發(fā)分氮和焦炭氮析出提前，造成NOx生成釋放過程加快。另外，圖中顯示，由焦炭氮轉化生成的NOx釋放峰值會隨溫度升高而逐漸增大。這是因為低溫下，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對已生成的NOx（主要是NO） 具有顯著的還原作用[6]，這會抑制NOx的生成。隨溫度升高，燃燒反應加劇，CO濃度降低，對NOx的還原作用減弱。因此，隨溫度升高，由焦炭氮轉化生成的NOx釋放量逐漸增大。

圖3b中SO2瞬時釋放曲線表明，隨溫度升高，SO2瞬時釋放曲線峰值減小。溫度升高使得焦炭活性增強并形成較為豐富的孔隙結構，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，當溫度區(qū)間在700～900℃之間時，SO2瞬時釋放峰值逐漸降低；而當溫度超過900℃時，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主要來源于有機硫的分解，而焦炭燃燒階段SO2的生成主要來源于無機硫酸鹽的分解[7]。當溫度低于900 ℃時，由于煤中摻混了一定比例的生物質，樣品中K、Ca等堿金屬含量增加[8]，在燃燒后期，S與這些堿性物質結合形成硫酸鹽，進一步造成SO2釋放量降低；但當溫度超過900℃時，之前形成的硫酸鹽易分解，雖焦炭活性增強，但仍不足以吸附其釋放的SO2量，故引起SO2瞬時釋放峰值的增加。

2.3 生物質種類的影響

為研究摻燒不同種類生物質對燃燒過程中NOx和SO2釋放特性的影響，選用秸稈、木屑、稻殼3種生物質，在800℃、生物質20%摻混時，測量其燃燒過程中NOx及SO2瞬時釋放曲線，如圖4所示。

圖4 摻燒不同生物質的NOx和SO2釋放曲線

由圖4a可知，NOx瞬時釋放峰值由高到低依次是摻燒秸稈、木屑、稻殼。產生上述現(xiàn)象是因為摻燒不同生物質時，各生物質的水分和揮發(fā)分含量不同。由表1可知，上述3種生物質中水分及揮發(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，氣氛中會生成部分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]，在實驗溫度下，對NOx（主要是NO） 還原反應的催化作用最強[8]，造成NOx瞬時釋放量減小。

由圖4b可知，摻燒稻殼的SO2瞬時釋放量最低。一方面如之前所述，稻殼中堿金屬含量較高，會與S結合形成硫酸鹽，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，可能在燃燒過程中阻塞煤粉燃燒形成的焦炭孔[11]，從而進一步抑制SO2的析出。

3 結論

燃煤鍋爐摻燒一定比例生物質時，針對其不同摻燒比例、不同燃燒溫度及摻燒不同種類生物質的污染物釋放特性進行研究，結果如下。

a） 在燃燒前期，隨生物質摻混比增加，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，隨生物質摻混比例增加，NOx和SO2瞬時釋放量明顯降低。

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NOx的還原有一定的促進作用；隨實驗溫度升高，試樣燃燒加劇，對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，由于焦炭活性增強及硫酸鹽的生成、分解的影響，SO2的瞬時釋放量呈先減少后增加的趨勢。

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