煤粉/生物質恒溫混燃NO 排放的協同特性

王金星，李 偉，王春波

0 引言

隨著大氣污染的日益加劇，燃料燃燒帶來的污染物排放逐漸成為人們關注的焦點。近年來許多學者對燃料燃燒產生的污染物排放特性展開了研究。Shaozeng Sun 等［1］通過進行O2/N2和O2/CO2兩種氣氛下煙煤燃燒的比對實驗，得到了燃料N 在O2/CO2氣氛下轉化為NO 的量小于O2/N2氣氛下的結論。李慶釗等［2］在沉降爐上利用在線煙氣分析儀研究了燃燒氣氛、CO2濃度、溫度及燃料/氧氣化學當量比對O2/CO2氣氛下燃煤NO排放的影響規律。楊冬等［3］在一維煤粉燃燒實驗臺上對單煤及其混煤進行了NOx析出特性的燃燒試驗研究，分析了煤質特性、燃燒工況對NOx排放特性的影響規律。周志軍等［4］采用固定床反應器，研究了低揮發分煤的NOx釋放規律。

煤粉/生物質恒溫混燃污染物排放特性研究，是優化煤粉/生物質混燃低污染物排放技術的基礎。目前該方面相關研究，普遍采用是實驗結果間的比對。如，Cuiping Wang 等［5］在逐漸升溫條件下利用TG-FTIR 技術對麥秸與無煙煤摻混后的污染物排放進行了研究，得出了麥秸摻混60%的樣品污染物排放最少的結論。孫俊威等［6］利用攜帶管式爐進行了3 種生物質與陽泉煤的混燃實驗，探討了摻混比及過量空氣系數對燃料NOx排放的影響規律。S．Munir 等［7］在燃煤鍋爐上進行了煤粉與生物質混燃實驗，得出了摻混生物質可降低NO 排放的結論。利用比對實驗結果的方法，研究混合燃料燃燒時污染物排放特性有著無可比擬的優勢，但對于探討煤粉/生物質混燃污染物排放的協同效應，存在著一定的不足。如果能將混燃的實驗結果與不同單一燃料加權得到的預測結果進行比對，無疑能在協同效應的層面上更深入地研究煤粉/生物質混然污染物排放特性。

本工作對生物質與幾種煤及混合試樣在恒溫條件下進行了混燃實驗，針對NO 排放的協同特性進行了探討，希望能對今后深入研究煤粉/生物質混燃污染物排放特性提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗系統與實驗樣品

為能更好地研究煤粉/生物質恒溫混燃NO 排放的協同特性，自制管式爐實驗系統，如圖1 所示。溫控范圍為0 ～1 300 ℃。空氣采用氣泵供應，流量量程為2 L/min。瓷舟尺寸7 cm ×1 cm。采用德國MRU 公司的Delta 2 000CD -IV 煙氣分析儀對NO 進行實時監測，并通過數據線傳入計算機。熱電偶與溫控儀相連，爐內穩定后可視為恒溫。

圖1 管式爐實驗系統Fig．1 Tube furnace experimental system

實驗選取3 種典型電廠用煤:無煙煤、煙煤、褐煤，粒度80 目到120 目;選取的生物質混合物(以下簡稱生物質)由華北地區常見的玉米芯、秸稈、樹皮、木屑等9 種農業或林業廢棄物組成，粒度80 目到120 目。不同煤粉與生物質的工業分析及元素分析見表1。其灰成分分析見表2。

表1 試樣的工業分析與元素分析Tab．1 Ultimate and proximate analysis of test samples

表2 試樣的灰成分分析Tab．2 Ash composition analysis of test samples

1.2 實驗方法

實驗時首先向管式爐內通入流量為1 L/min的空氣，在該氣氛下將固定床反應器升溫至目標溫度。待反應區域溫度恒定后，啟動煙氣分析儀。取0.1 ±0.005 g 樣品均勻平鋪于長7 cm 寬1 cm的瓷舟底部，然后將瓷舟支架沿導軌迅速送入管式爐內。利用MRU Online View 軟件對煙氣中NO進行實時監測，利用編制程序將監測信號數據記錄到計算機內。此外，校正實驗表明，該流量已經能很好地消除反應過程中氣體擴散的影響。

2 結果與討論

對NO 采用氮析出率，即在累積時間段內NO中氮析出的量占煤中氮含量的百分數。

式中:VN為NO 析出率， (%);t0為實驗開始時間，s;t 為實驗進行中某時刻，s;C(t)為t 時刻氣流中NO 對應的實際氮濃度，mg/Nm3;V(t)為t 時刻煙氣流量，Nm3/s;MN為試樣質量，mg;Nt為試樣含氮量，(%)。

煤粉/生物質恒溫混燃NO 排放的協同特性是衡量混燃NO 排放效果的重要指標，對煤粉/生物質混燃減低NO 排放技術的研發具有不可比擬的參考價值。本文采用純煤與純生物質的線性加權平均曲線(以下簡稱加權曲線)對混燃NO 排放協同特性進行研究。加權曲線是根據兩種純燃料的NO 排放曲線分別乘上各燃料占試樣中百分比得到的NO 排放曲線。即:

式中:x 為生物質在試樣中的百分含量;TGc為混合樣的加權曲線。TGa為純煤粉的實驗NO 排放曲線;TGb為純生物質的實驗NO 排放曲線。

2.1 摻混比的影響

摻混比是影響煤粉/生物質混燃NO 排放特性的主要因素。在900 ℃恒溫條件下，測量了無煙煤與生物質摻混比為9∶1，8∶2，7∶3這3 種情況下NO 析出率隨時間的變化曲線及通過對無煙煤與生物質NO 析出率曲線線性加權得到的3 條曲線，如圖2 所示。

圖2 在恒溫900 ℃條件下無煙煤與生物質不同摻混比的NO 排放特性Fig．2 NO emission characteristics of anthracite and biomass co-combustion at different blending ratios at 900 ℃

如圖2 所示，在燃燒初期隨著生物質摻混比的增大，實驗得到的NO 析出率升高，且NO 排放的實驗曲線中趨于平緩的拐點均比加權曲線得到的拐點靠前。由于生物質摻混量的增加能夠加快試樣的燃燒［8］，進而可以推測，燃燒初期試樣燃燒的進行程度是影響NO 析出快慢的主要因素。生物質摻混比的增大加快了試樣的燃燼程度，在燃燒初期表現出NO 析出率的升高。實驗中摻混生物質加快了試樣中煤粉的燃燼速度，從而也使NO 析出加速。然而加權曲線未能體現兩種燃料燃燒的相互作用，因此，加權曲線中的拐點比實驗曲線的拐點滯后。此外，燃燒進行600 s 后，實驗所得的NO 析出率與加權所得的NO 析出率均表現出，隨著生物質的摻混比增加NO 析出率下降。其可能原因包括:首先，生物質入爐后迅速釋放出揮發分，揮發分燃燒又消耗了大量氧氣，進而抑制了燃料氮轉變成NO。其次，燃料入爐燃燒存在一定的熱解作用。生物質的熱解產生多種還原性氣體［9～10］，使NO 還原成了N2。此外，化學表面和發生反應的表面決定了吸附氮氧化物的能力［11］，生物質的快速燃燒形成高表面積的多孔性焦炭，這種焦炭的比表面積比煤燃燒形成的焦炭比表面積大［12］，能夠促進了NO 的分解。圖2 呈現的另一個特征為:隨著生物質摻混比的增加，實驗曲線與加權曲線的差別加大，進而說明了增加生物質摻混比有助于增加煤粉與生物質NO 排放的協同作用。

2.2 溫度的影響

為了探討溫度對煤粉/生物質混燃NO 排放協同特性的影響，選取800 ℃，900 ℃，1 000 ℃，對20%生物質與80%無煙煤的混合樣進行了恒溫下的比對實驗。試樣的NO 排放實驗曲線與加權曲線如圖3 所示。

圖3 80%無煙煤與20%生物質的混合樣在不同恒溫條件下的NO 排放特性Fig．3 NO emission characteristics of 80% anthracite and 20% biomass co-combustion at different temperatures

如圖3 所示3 條NO 析出實驗曲線與3 條加權曲線，溫度的升高總是有助于NO 的生成。由于溫度升高，燃燒反應加快［8］，進而加速了NO 析出。溫度的升高使得揮發分析出后形成的焦炭孔內部壓力增大，更好地吹開堵塞的灰分，進而擴大了反應比表面積，加速了燃燒，增加了燃料NO的析出。此外，溫度升高有利于燃料析出的NH3和HCN 反應生成NO［13］，也是造成NO 析出率增大的原因。圖3 呈現的另一個特征為:隨著溫度的升高，實驗曲線與加權曲線的差別不斷減小。比較圖中各曲線的拐點可以發現，隨著溫度的升高拐點不斷前移，從而說明煤粉/生物質混燃相互作用的時間不斷縮短，推測這可能是導致實驗曲線與加權曲線差別減小的主要原因。

2.3 煤種的影響

上面的研究結果部分表明，試樣中的揮發分對混燃協同特性存在一定的影響。選用3 種煤(無煙煤、煙煤、褐煤)揮發分差異較大的煤種，探討煤種對煤粉/生物質混燃NO 排放協同特性的影響。在恒溫900 ℃條件下測試了80%不同煤粉分別摻混20%生物質時NO 排放的實驗曲線及加權曲線，如圖4 所示。

圖4 在恒溫900 ℃條件下80%不同煤種與20%生物質摻混的NO 排放特性Fig．4 NO emission characteristics of 80% different coal and 20% biomass co-combustion at 900 ℃

如圖4 所示，3 種煤粉摻混生物質，實驗得到與加權得到的NO 析出率差異顯著。例如，褐煤摻混生物質得到的NO 排放實驗曲線始終滯后于加權曲線，而無煙煤摻混生物質呈現的現象卻剛好相反，煙煤位于二者之間。結合3 種煤粉的工業分析(表1)，褐煤的揮發分含量最高，無煙煤的揮發分含量最少，進而可以推測，褐煤摻混生物質后，由于生物質揮發分的迅速析出，造成局部壓力增大，對褐煤揮發分的析出存在一定的阻礙作用，從而抑制了NO 析出。而無煙煤揮發分含量最低，受到抑制作用很弱且摻混生物質后能使試樣的燃燒加速明顯，從而表現出對NO 的析出的促進作用。由于加權曲線未能體現煤粉與生物質間的相互抑制與促進作用，進而產生了上述差異。

3 結論

通過管式爐實驗系統對煤粉/生物質恒溫混燃進行實驗，探討了摻混比、溫度及煤種等因素對煤粉/生物質恒溫混燃NO 排放協同特性的影響規律。研究表明，隨著生物質摻混比的增加，燃燒初期的NO 析出加快，NO 排放曲線呈現的拐點前移，最終NO 析出率降低;溫度的升高總是有助于NO 的生成。隨著溫度的升高，煤粉與生物質NO 排放的相互作用逐漸減弱;摻混生物質，能夠抑制揮發分含量高的煤種NO 排放，對揮發分含量低的煤種表現出促進NO 排放。

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