生物質氣與煤混合燃燒污染物排放特性研究

張小桃，賈耀磊，盧 毅，賈 偉

(華北水利水電大學 電力學院，河南 鄭州 450045)

生物質氣化產生的合成氣代替固體生物質和煤混合燃燒，有利于改善煤的燃燒過程，降低NOx和SOx等污染物的排放． 有關固體生物質與煤混合燃燒以及生物質氣化，國內外很多學者做了不少工作［1－15］．文獻［1 －4］認為混合燃燒能有效降低NOx的排放濃度;文獻［5］認為，隨著生物質摻混比例的增加，生物質和煤共氣化的氣化效率和碳轉化率都有所提高;文獻［9］利用Fluent 模擬生物質氣和煤在流化床鍋爐內燃燒，發現爐內燃燒溫度和排煙溫度隨著生物質摻燒比例的增加呈升高趨勢;文獻［10］認為生物質氣化過程中產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［11］利用Fluent 對生物質氣和煤再燃進行數值模擬，模擬結果認為，NOx的質量濃度隨生物質氣再燃量的增加而降低;文獻［14］對生物質燃燒生成的NOx進行了過程模擬，模擬結果認為，NOx的生成量隨過量空氣系數和溫度的增加快速增加;文獻［15］認為隨著空氣當量比的增大，氣化溫度增加，熱值減小，產氣總量增加．目前，多數學者是對生物質氣化以及固體生物質和煤混合燃燒進行研究，而對生物質氣和煤混合燃燒進行研究的不多．筆者利用Aspen Plus 建立生物質氣和煤混合燃燒模型，對生物質氣與煤的混合燃燒過程進行模擬，研究隨著燃燒溫度和生物質摻燒比例變化的混合燃燒的煙氣排放特性，尋找NOx和SOx的排放規律．

1 生物質氣與煤混燃過程研究

1．1 生物質與煤混燃流程及模型

生物質在氣化爐里氣化，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 軟件搭建生物質氣與煤混燃過程模型，主要用到3 個操作模塊:收率反應器RYIELD、平衡反應器RGIBBS 和子物流分流器SSPLIT．生物質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經預反應器RYIELD(壓力為1．01 ×105Pa，溫度為25 ℃)裂解為H2O，C，H2，O2，N2，S 和灰分，進入氣化反應器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，生成物經氣固分離器SSPLIT 分離．氣化后的生物質氣(GASES2)進入模塊RGIBBS 和煤混合燃燒． 生物質氣和煤混合燃燒過程的收率反應器RYIELD 設置條件為: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 生物質氣與煤混和燃燒模擬流程

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

物性方法:Aspen Plus 建模中，對于煤燃燒系統，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，煤種為某地煙煤，燃料的成分組成及低位熱值見表1．

表1 松木、煤的工業分析和元素分析(干燥基)

1．3 生物質氣與煤混合燃燒污染物生成理論

從表1 可以看出，生物質中氮硫的含量很低，并且生物質揮發成分高，能夠使生物質和煤混合燃燒后NOx排放量降低，SOx排放量也按摻混的比例而減少相應的比例． 生物質氣里含有大量的還原劑CHi和碳氫化合物，且生物質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的還原起到促進作用．

NOx的生成主要有3 種類型:燃料型NOx、快速反應型NOx和熱反應型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通過均相反應生成NOx，主要發生以下反應:

快速型NOx是由燃料揮發物中的碳氫化合物在高溫下分解生成的CH 自由基和空氣中氮反應生成的HCN 和N，再進一步與氧作用以極快的反應速率生成NO，它的生成與溫度關系不大，并且生成的量也極少．

熱反應型的NOx是由于燃燒助燃劑空氣中的N2在高溫下氧化而產生的氮氧化物，該生成機理是由前蘇聯科學家捷里道維奇提出來的，其NO 生成速度表達式如下［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，J/(mol·K)．

由于生物質中含硫極少，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，且發生氧和SO2反應生成SO3．但SO2的氧化反應是放熱反應，盡管溫度升高能增加其反應速率，卻會使SO2向SO3的轉化率下降，抑制SO3的生成，所以最終SO3濃度下降，SO2濃度上升［16］．

2 結果與分析

2．1 生物質氣成分及低位熱值

在生物質氣化模擬過程中，定義空燃比為空氣和生物質燃料質量流量的比值． 對生物質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，生物質氣的成分及熱值也會隨著變化．生物質氣特性見表2．

表2 生物質氣特性

2．2 生物質氣和煤混合燃燒結果分析

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%的工況下的生物質氣和煤在不同溫度下混合燃燒，燃燒溫度設定為700 ～1 700 ℃，分析NOx和SOx的排放量隨燃燒溫度的變化，結果分別如圖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．當溫度為1 100 ℃以下時，NOx隨溫度的升高變化不大，但當溫度在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 的摩爾體積分數為5．63 ×10－3%，1 700 ℃時其體積分數為0．124%，增加了近21 倍;1 100 ℃時NO2的體積分數為1． 32 × 10－5%，1 700 ℃時其體積分數為3．55 ×10－5%，增加了近2 倍．

因為當溫度小于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;當溫度超過1 100 ℃時，NOx的生成量快速上升，這是因為熱反應型的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的體積分數為0．105 4%，1 700 ℃時其體積分數為0．111 4%，增加了5．7%;700 ℃時SO3的體積分數為6． 25 × 10－3%，1 700 ℃時其體積分數為5．24 ×10－5%，降低了99．2%． 其結果和文獻［16］描述的一致．

2．2．2 生物質摻混比例對燃燒產物的影響

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

圖4 NO，NO2，SO2，SO3 排放量隨生物質摻混比例的變化

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． 生物質摻混比例由0%增加到30%，SO2體積分數由0．12%降低到0．11%，下降了5．4%;NO 的體積分數由0．17%降低到0．07%，下降了58．2%;NO2的體積分數由1．82 ×10－4%下降到3．22 ×10－5%，下降了82．2%;SO3的體積分數由2． 73 ×10－4% 下降到1． 09 ×10－4%，下降了59．8%．

3 結 語

基于Aspen Plus 模擬軟件對生物質氣化以及生物質氣與煤混合燃燒過程進行數值模擬． 生物質氣化過程中，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;當生物質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，隨著生物質摻燒比例的增加，NOx和SOx的體積分數是降低的．因此，生物質氣與煤混合燃燒有利于減少污染物的排放．

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