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    生物質顆粒燃料鍋爐燃燒煙氣排放特性

    2020年04月18日 10:25

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    生物質是一種清潔可再生能源,具有總量大、來源廣、污染小等優點,越來越受到人們的青睞。生物質鍋爐及燃燒器是生物質燃料燃燒利用的主要設備,其煙氣污染物排放涉及的影響因素較多。若結構設計和工況參數不合理,則生物質燃燒的煙氣污染物排放會超出排放標準,造成環境污染和危害人體健康。

    生物質由可燃質、無機物和水分組成,其元素以C、H、O為主,含有少量的N、S。諸多研究結果表明,生物質燃燒排放的煙氣污染物以CO、NOx和顆粒物為主,SO2等物質僅占很少部分。因此,在生物質燃燒領域,CO、NOx以及顆粒物的污染排放與控制被廣泛關注。眾多研究成果表明,燃料種類及性質、進風系統以及進料系統的配置及參數是影響煙氣污染物排放的主要因素。其中,進風系統主要包括風量配比、過量空氣系數、氧氣濃度和進氣流速等,進料系統主要包括進料方式和進料量等因素。如不能合理控制這些影響因素,生物質燃燒排放的煙氣污染物增多,從而制約鍋爐及燃燒器的推廣應用。

    1、生物質燃料性質對煙氣污染物排放的影響

    1.1不同種類生物質燃料的影響

    不同種類的生物質燃料直接影響煙氣污染物的排放量。左朋萊等在生物質成型燃料鍋爐中分別燃燒木屑、花生殼、棉花稈以及玉米稈,結果表明玉米稈成型燃料燃燒后的煙塵排放量最高,達到369.8mg/Nm3,花生殼成型燃料燃燒后的煙塵排放量最低,僅為99mg/Nm3。關于CO排放量,在空氣流速3L/min、爐溫800℃燃燒情況下,竹基成型燃料燃燒排放的CO濃度遠大于木基成型燃料。玉米稈揮發分少,灰分含量多,結渣嚴重,導致局部混合氣體濃度較大,形成缺氧燃燒環境,而木質顆粒松散不易結渣,故在相同的流速與進料速率下,玉米稈顆粒CO的排放量>棉稈顆粒CO的排放量>木質顆粒CO的排放量。草制成型顆粒熱值低、水分高,故燃燒時的爐溫相對較低,排放出的CO濃度少。綜上所述,不同種類生物質燃燒在煙塵排放量以及CO的生成量上有很大的差異。

    不同種類生物質混合燃燒也可改變煙氣污染物排放狀況。與純木屑成型燃料燃燒相比,麥稈加到木屑中混合燃燒排放的顆粒物質量濃度大幅增加(13倍),但是草蘆加入到木屑中混合燃燒卻只是輕微增加了煙氣中顆粒物的排放,此外麥稈與木屑混合燃燒生成的CO、SO2等氣體也大幅增加。不同種類的生物質與煤混合燃燒有不同的煙氣排放特性,在富氧燃燒條件下的SO2生成量:玉米稈混煤>麥稈混煤>稻稈混煤,NO生成量:稻稈混煤>玉米稈混煤>麥稈混煤,隨著生物質配比的提高,各試樣SO2與NO排放量以及轉化率均降低。因此,為改善煙氣污染物的排放,可適當考慮混合燃料燃燒的方法。

    1.2生物質燃料特性參數的影響

    生物質燃料的性能參數如密度、含水率、顆粒大小和熱值等都會對煙氣排放產生較大影響。成型燃料致密性高,表面揮發分首先析出,然后內部揮發分緩慢釋放,形成穩定的燃燒環境,所以一般使用壓縮成型的顆粒燃料燃燒比生物質原料燃燒更加穩定。當生物質成型燃料尺寸增加時,燃料不充分燃燒現象更加明顯,CO排放量上升。高熱值的燃料生成更多的NOx氣體,因為其燃燒生成更多的熱量從而升高燃燒溫度,同時增加了燃氣與空氣的混合時間。研究發現顆粒物的排放主要受燃料性質和燃燒工況的影響,高含水率燃料、低過量空氣系數、燃燒器設計缺陷等都會造成顆粒物質量濃度的增加。

    有學者研究表明,生物質中的灰分以及含水率對煙氣排放影響不大。盡管草制成型燃料比木質成型燃料有著更高K和灰分含量,但在燃燒時并沒有表現出更高的顆粒物排放。經過烘干處理的生物質不一定能改變煙氣排放性能,Ndibe C等在下降管反應器中分別燃燒有烘焙過和沒有烘焙過的生物質,結果卻發現兩者有著相似的NOx排放以及近似的粒度分布。關于不同生物質灰分以及水分含量對煙氣污染物排放的影響,這方面的文獻報道相對較少,因此,可進一步探索。

    生物質的N含量對NOx的排放有著復雜的作用效果。一般來說燃料中的N含量越大,生成的NO含量越多。與其他大部分生物質相比,干草成型燃料(N含量最豐富)生成的NOx最多。在爐溫900℃,30%O2/70%CO,環境下煙氣中NO的生成總量:甘蔗渣<木屑<稻殼<秸稈,其中燃料的N含量:甘蔗渣(0.21%)<木屑(0.46%)<稻殼(0.53%)<秸稈(0.64%),這說明燃料的N含量越高,NO的排放量也越高。也做了相似的研究,在相同進料速率和空氣流速情況下得出NO的排放量:木質顆粒<玉米秸稈顆粒<棉稈顆粒,原因是木質顆粒燃料的含N量比其他種低得多,而棉稈的N含量最高且燃燒時的溫度要高于另外兩種。但是也有研究表明NO的生成量與生物質中的含氮量不是正相關關系,有研究發現含N量高的竹基成型燃料燃燒排放的NO含量并沒有明顯高于木基成型燃料。因此,有關燃料N含量與煙氣污染物排放的關系還有待闡明。

    2、進風系統對煙氣污染物排放的影響

    2.1風量配比的影響

    送風配置主要包括一二次進風口的位置排布以及二次風比例的設置。在送風位置排布上,一次風大部分是從燃燒室(爐膛)底部進入,提供生物質熱解氣化和固定碳燃燒所需要的氧氣。二次風通常從距離爐排上方一定高度的二次進風口進入燃燒室,主要提供揮發分燃燒所需的氧氣。在生物質顆粒燃燒器爐膛中部送二次風的情況最好,比爐膛尾端和燃燒器出口送風更能增加氧氣流與火焰的混合擾動,CO的燃燒更加充分。富氧燃燒環境下生物質混煤煙氣排放特性,發現NOx的排放主要受燃料中揮發分含量、空氣分布以及鍋爐或燃燒器配置的影響。在富氧燃燒環境OEA30(30%O2/70%CO2)下研究生物質燃燒煙氣排放特性時發現當氧氣加入到富氧燃燒室的一次進風口時,產生更低的SO2和NOx的排放量。當氧氣加入到富氧燃燒室的二次進風口時,有更多的揮發分析出氧化,產生更多的SO2和NOx排放量。因此針對不同燃燒器合理設計送風口的位置,對有效減少煙氣污染物的排放十分重要。

    二次風比例是指二次進風量與總風量的比值。二次風比例過大容易造成一次風不足,揮發分析出受到影響。如果比值過小,就會導致揮發分與二次風混合效果差,發生缺氧燃燒,同樣會有污染。生物質顆粒燃燒時一、二次風量配比率對煙氣中CO濃度的影響,結果表明:隨著一、二次風量配比率在30%~60%增加時,CO生成量先減少后增大,NOx的生成量先增加后減少,在配比率達到50%時,CO的生成量達到最小值505mg/Nm3,此時的工況最佳,氧量既能保證與燃料的充分燃燒又不降低爐內溫度。楊國鋒研究生物質顆粒燃燒煙氣排放特性時發現隨著二次風比例在0.3~0.7增加,CO濃度呈現先降低后增加的變化趨勢,NOx含量呈現先降低后增加又降低再增加的“W”形變化趨勢。在二次風比例為0.3時,CO含量出現最大值193mg/Nm3,此時揮發分較多,而通入風量較少,含量嚴重不匹配。在二次風比例為0.7時,NOx的含量達到最大值71.8mg/Nm3。在二次風比例達到0.4時,煙氣中CO含量波動最小并達到最小值65mg/Nm3,NOx的含量也達到最小值9.2mg/Nm3。分批輸送燃燒的鍋爐時發現當二次風量減少,不完全燃燒會加劇,CO排放量增加。在充分燃燒情況下,增加二次風量同時減少一次風量會顯著降低CO以及顆粒物的排放。總之,二次風比例在適當范圍內增加時有利于減少煙氣中污染物的排放。

    新型送風配置能有效減少煙氣污染物的產生。空氣分級燃燒技術,將下降管反應器分級送風,將燃燒室分為富燃料區(缺氧)和貧燃料區(富氧)。在缺氧區,析出的揮發分(NH3、HCN)得不到充分的氧氣而轉變為N2,之后的富氧區充分燃燒未燃盡的碳氫化合物。從生物質燃燒廢氣中回收熱量,熱量回收率有75%~90%,而且微粒沉積效率達到95%,有效地減少了煙氣中顆粒物的排放。

    2.2過量空氣系數的影響

    過量空氣系數是指燃燒過程中單位質量燃料實際消耗的空氣量與理論需要消耗的空氣量之比,也是衡量總體燃燒效率的一個重要指標。過量空氣會將燃燒堆中的熱量帶到燃燒室外,如果過量空氣系數過大,不僅減低爐膛溫度而且將大部分揮發分直接帶人煙道導致煙氣中污染物排放過高,如果過量空氣系數過小,又會出現可燃氣體不完全燃燒同樣會增加污染物的排放。顆粒燃燒爐CO與NO的生成都明顯受到過量空氣的影響,對于每一種燃燒器總能找到最優的過量空氣區間范圍以保證CO與NO的排放量最低。

    CO的排放主要受燃燒器內混合氣濃度、燃燒溫度以及燃氣在燃燒區滯留時間等影響,過量空氣系數越大,缺氧燃燒現象越容易被改善,生物質成型燃料燃燒排放的CO量越低。生物質顆粒燃料燃燒時發現,隨著過量空氣系數在2.3~2.7增加,煙氣中CO的含量呈現先降低后增加的趨勢,當過量空氣系數為2.6時,CO含量達到最小值107mg/Nm3,NOx含量也達到最小值53mg/Nm3。但有學者研究發現煙氣中NOx含量隨著過量空氣系數的變化不大。過量空氣對于草制成型燃料燃燒排放的NOx量影響不大。在顆粒物的排放上,隨著過量空氣系數的改變,玉米稈、棉稈、木質燃料的顆粒物數量濃度都呈現單峰分布,質量濃度都呈現雙峰分布。Johansson LS等在生物質成型燃料燃燒實驗中,得出顆粒物排放的質量濃度隨著過量空氣的增加而增加的結論。綜上所述,過量空氣系數對CO的排放影響較為明確,不宜過大或過小,但是對NOx以及顆粒物的排放影響還有待深人研究。

    2.3進氣流速的影響

    進氣流速是指單位時間內通過燃燒室的空氣體積大小。空氣流速過大或過小都會引起煙氣污染物含量的增加。空氣流速增加,揮發分和空氣的混合時間減少且爐溫降低,NOx的排放量減小,煙度也下降。但是過高的空氣流速會夾帶出底部的灰粒,增加木質成型燃料燃燒排放的顆粒物質量濃度。有研究發現在較高溫度(>900℃)環境下,減少空氣流速,可明顯降低NO的排放量。

    空氣流速和進料速率共同影響煙氣中污染物的排放。趙欣等研究木質顆粒燃燒煙氣排放特性時發現在小負荷(進料量3kg/h)下,空氣流速(7~8m/s)增加時,揮發分和空氣的混合時間減少且爐溫降低,NO生成量減少,但在高負荷(5kg/h)下,NO的生成量均隨空氣流速的增加而增加。可見,綜合考慮空氣流速與進料速率才能找到較優的工況。

    2.4氧氣濃度的影響

    氧氣濃度對NO以及顆粒物的排放有很大影響。氧氣濃度增加時,燃燒氣氛的氧化性更強,使得揮發分N更容易向NO轉變。劉海澤在富氧條件下燃燒稻殼和秸稈,發現隨著氧氣體積分數的增多,兩種生物質顆粒的NO釋放量也增加,所以相對低的氧氣體積分數有利于抑制NO的生成。陳國華等用工業鍋爐使用較多的木質成型燃料作為研究對象,結果表明在溫度較高(>900℃)時,減少空氣量的供給,可明顯降低NO排放量和燃料N轉化率。富氧燃燒環境下的氧氣濃度越大,SO2的排放量越大。在煙氣顆粒物的排放上,高氧氣濃度反而有利于減少煙氣中的顆粒物含量。給流化床反應器提供高濃度的氧氣能形成較低的PM2.5排放。因此,一般情況下,增大氧氣濃度,NO排放量會增加,而顆粒物的排放量會減少。

    當使用混合燃料燃燒時發現,氧氣濃度過多或過小,煙氣中NOx的排放量都會較低。爐溫900℃的富氧燃燒環境下研究各生物質(稻稈、麥稈、玉米稈)與煤30%配比混合燃燒時發現,隨著氧氣濃度在21%~50%范圍提高,SO2與NO生成量以及轉化率均增大。孫俊威等使用稻殼與松木屑混合燃燒時發現,生成的NOx排放量隨著氧氣濃度(2%一7%)的增加而增加。因此,應在中間范圍內尋找最少污染物排放量的氧氣濃度。

    氧化氛圍對生物質燃燒煙氣污染物(CO)排放也會產生影響。爐溫900℃環境下的木屑顆粒和稻殼顆粒燃燒煙氣排放特性時發現O2/N2的氣氛下幾乎不生成CO,而在O2/CO2的氣氛下,生成大量的CO,但是O2/N2的氣氛下NO釋放總量遠高于O2/CO2的氣氛。所以采用O2/N2燃燒有助于減少煙氣中CO的排放量,采用O2/CO2氣氛燃燒能有效減少NO的排放量。因此,氧化氣氛如何合理選擇也需深入研究探討。

    2.5爐溫的影響

    爐溫受送風方式、過量空氣系數以及空氣流速等的綜合影響。一般來說溫度越高,氧氣消耗燃燒速率越快,CO、NOx以及SO2排放量越多。研究發現NO的生成與揮發分中NH3和HCN隨溫度變化規律直接相關。在800~900℃,NH3生成率達到穩定值,而HCN的生成率隨著溫度的升高而增加,故NO的排放量在該溫度區間內上升。在富氧環境下燃燒生物質混煤30%配比時發現當爐溫在750~900℃范圍升高時,SO2與NO生成量以及轉化率均提高。Alattab KA等在多孔介質燃燒器中研究生物質成型燃料的煙氣排放特性,結果表明當空氣一燃料混合燃燒的溫度下降時,生成的CO略有減少。在富氧燃燒環境下,稻殼和秸稈顆粒燃燒釋放的NO總量隨著溫度(800~1000℃)的升高而增加,對于秸稈顆粒來說,溫度越高,NO釋放總量的增長程度越大,但對稻殼顆粒來說溫度越高,增長程度越小。但是高溫對顆粒物的排放不一定是增加效應,在缺氧燃燒器中研究生物質燃料時發現較低溫顆粒物的排放量上升。總之,要避免生物質在最高污染物排放量的爐溫下燃燒。

    3、進料系統對煙氣污染物排放的影響

    3.1進料方式的影響

    進料方式主要包括上進料、下進料、水平進料方式以及特殊進料方式等。張學敏等研究表明在顆粒物排放總量上:上進料燃燒器<水平進料燃燒器<下進料燃燒器。不同燃燒器匹配不同的生物質燃料會有不同的排放效果,就PM2.5所占顆粒物比例來說,將玉米秸稈顆粒在下進料燃燒器中燃燒,棉桿顆粒在水平進料燃燒器中燃燒,木質顆粒在上進料燃燒器中燃燒,產生的PM2.5最少。

    進料方式影響顆粒物排放特性的原因在于其結構設計的差異。上進料燃燒器的筒形進料結構與水平進料燃燒器的V字型進料結構,使得灰渣與原料有序橫置排開,而下進料燃燒器的結構設計使得灰渣覆蓋在燃料上,燃燒不充分,顆粒物排放增多。還有一個原因在于,上進料燃燒器的燃料直接進到高溫的燃燒火焰上部,燃燒充分,而下進料燃燒器底部溫度低,燃燒緩慢。在其他進料方式上,一種間歇進料的方式,最后通過實驗得出當選用進2s停19S的進料方式(平均進料速率為5.0kg/h)時,能夠有效降低污染物的排放。

    3.2進料量的影響

    進料量過大或過小都不利于燃燒。進料量過大導致供氧不足,煙氣中CO等污染物的排放量高,污染環境。進料量過小又會因為供入空氣量過多,導致可燃氣體在爐膛內的停留時間太短而且降低爐膛溫度,不利燃燒。在氧氣濃度不變的情況下,進料速率(從進2S停13s到進2s停21S)的減少使得揮發分與氧氣混合更加充分,CO與NO的排放量均減少。諸多研究表明在合理的進料范圍內,進料速率的增加對NOx以及顆粒物的排放起到促進作用。Roy MM等副比較不同負荷下木質顆粒燃料燃燒情況,結果表明高負荷燃燒生成的NO排放量比低負荷增加20%左右。發現隨著鍋爐負荷的增加,顆粒物質量濃度略有增加。進料量對不同生物質燃燒煙氣排放特性的影響差異很大。木質顆粒燃料燃燒排放的NO濃度隨著進料量的增多而增大,而玉米秸稈、棉稈顆粒燃燒排放的NO濃度隨著進料量的增加而先增大后減少,但是3種顆粒燃料的CO排放量均隨著進料速率的增大而增大,當進料量增加到5kg/h時,CO2的排放量最高,因為此過程灰渣量增多,空氣量減少,顆粒燃燒不充分。

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