生物質再燃脫除NO的實驗研究

余 萬 劉 驍 蘇華山 張揚軍

(三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌 443002)

隨著工業的發展，氮氧化物的排放量在不斷上升，對環境造成了嚴重的污染．隨著人民環保意識的提高和環保法規的完善，如何控制氮氧化物的排放已成了一個亟待解決的問題．我國是煤炭大國，氮氧化物的排放主要來自于煤炭的燃燒，火電燃煤電廠則是氮氧化物最主要的污染源．當前氮氧化物排放控制技術有燃燒前控制技術、低NOx燃燒技術和煙氣脫硝技術．再燃脫硝技術屬于燃料分級燃燒低NOx排放技術，是目前較好的低NOx排放技術．生物質燃料是綠色可再生能源，并具有揮發分含量高、燃燒污染物排放量少的特點，是一種很好的再燃燃料．近年來生物質的再燃脫硝機理受到了國內外學者的關注，揮發分是影響NO還原效果的主要因素，其作用類似于天然氣[1-3]．熊志波等[4]進行了花生殼、楊木、稻稈和玉米秸稈4種生物質的再燃脫除NO的實驗，研究了生物質粒徑、再燃溫度及過量空氣系數等對再燃脫硝效率的影響．郝江濤等人[5-7]則研究了生物質種類、再燃區化學計量比、再燃區溫度、停留時間、添加劑、燃料粒度、再燃比等參數對再燃脫硝效率的影響．蘇勝等[8，9]采用固定床反應器研究了生物質的再燃脫硝效果．污泥是在水處理過程中形成的以有機物為主要成分的泥狀生物質資源，含有很多有害物質，而焚燒認為是能徹底實現污泥減量化、無害化和資源化的手段[10]．污泥具有高揮發份低熱值的特點，是一種較為合適的再燃燃料，再燃特性與常用的農業生物質有較大分別，當前對污泥再燃脫硝特性的研究還很少．

本文選擇了稻殼、玉米稈、污泥3種生物質作為再燃燃料，在自制的固定床反應器上開展生物質燃料再燃脫除NO的實驗，研究了生物質燃料種類、再燃區溫度和氧濃度對再燃脫硝效率的影響，以期深入了解生物質再燃脫硝機理，為生物質再燃技術的實際應用提供基礎數據．

1 實驗裝置與樣品

1.1 實驗樣品

實驗過程中一共選用了3種生物質，分別為玉米稈、稻殼和城市水處理污泥．將3種生物質樣品經過干燥、破碎、研磨、篩分后，取18目篩與30目篩之間的顆粒(即粒徑為1mm至0.6mm)，根據GB/T 28731-2012《固體生物質燃料工業分析方法》對樣品進行了工業分析．3種生物質燃料的工業分析和元素分析見表1．

表1 實驗樣品的工業分析和元素分析

1.2 實驗裝置

本文的生物質再燃實驗在固定床反應器上進行，實驗裝置如圖1所示，主要由氣瓶、混氣罐、管式爐和煙氣分析儀構成．

1.NO瓶；2.CO2瓶；3.O2瓶；4.N2瓶；5、8、9.調節閥門；6.流量計；7.混氣罐；10.管式爐；11.瓷舟；12.過濾裝置；13.煙氣分析儀；14.計算機.

實驗中使用的煙氣為模擬煙氣，采用CO2、NO、O2和N24種氣體按照一定比例在混氣罐中混合而形成．通過流量計和調節閥門來控制氣體的流量，實驗過程中模擬煙氣的總流量為1.5 L/min．模擬煙氣中各組分的體積分數分別為：15%的CO2，0%～5%的O2，0.1%的NO，而N2為平衡氣．燃燒在管式爐中進行，爐內石英管直徑70 mm，長110 cm，恒溫段長90 cm．管式爐采用陶瓷加熱裝置，爐內溫度由鉑銠-鉑熱電偶測量，爐溫調節范圍在室溫至1 300℃，可實現程序控溫．管式爐出口設置有煙氣過濾裝置，經過濾后的氣體送入便攜式紅外煙氣分析儀對煙氣的成分進行測量分析．

1.3 實驗方法

首先取0.5 g生物質樣品裝入耐高溫瓷舟當中，并將其放入管式爐石英管的冷端．在每組實驗開始時首先開啟4個氣瓶上的閥門5，通過調節閥門的開度來使4種氣體按設定比例在混氣罐中混合．然后開啟閥門8向管式爐內通入一段時間的高純度N2，以便將管內的殘余氣體排除干凈．然后開啟管式爐加熱程序，爐內開始升溫，待溫度達到設定值后，關閉閥門8，開啟閥門9將模擬煙氣按設定流量通入石英管中，并利用煙氣分析儀對出口氣體的各組分濃度進行測量．待煙氣中的各組分濃度穩定后，迅速將瓷舟送入管式爐的中部高溫加熱區，同時繼續測量管式爐出口各氣體組分的濃度．

由于模擬煙氣中的含氧量較低，在此條件下生物質燃料所產生的NO量非常少，因此本文忽略了其對生物質再燃脫除NO效果的影響．NO的脫除效果用再燃脫硝效率來表示，可以通過式(1)來計算：

(1)

式中，qvin為石英管入口的NO流量(L/min)；qvout為t時刻所測得的石英管出口NO流量(L/min)．本文研究3種生物質燃料在不同的再燃溫度、再燃區氧濃度下的再燃脫硝效果，再燃區溫度分別取700℃、800℃、900℃、1 000℃和1 100℃，再燃區的氧濃度分別取0%、1%、2%、3%、4%和5%．在每種工況下均進行了3組平行實驗，取3組實驗數據的平均值作為最終的結果．

2 結果與討論

2.1 生物質燃料種類對再燃脫硝效率的影響

在本文的實驗工況下，3種生物質燃料的再燃脫硝效率均在O2濃度為0%、再燃區溫度為1 100℃時達到最大值；在O2濃度為5%、再燃區溫度為700℃時再燃脫硝效率最?。畧D2給出了玉米稈、稻殼、污泥3種生物質燃料在實驗條件下所獲得的最大再燃脫硝效率和最小再燃脫硝效率．

圖2 生物質燃料獲得的最大/最小再燃脫硝效率

從圖2可以看出，生物質燃料的種類不同時，所獲得的再燃脫硝效果不一樣．在3種生物質燃料當中，相同工況下玉米稈能夠獲得最好的脫硝效果，而稻殼的脫硝效率比玉米稈稍差一點，污泥的脫硝效果最差．如在0%氧濃度下，再燃區溫度為1 100℃時，玉米稈、稻殼及污泥3種生物質燃料都能獲得最大的再燃脫硝效率，分別為87.62%、84.57%和60.34%．不同的生物質燃料的再燃脫硝效果是與生物質的基本燃料特性相關的．根據Kicherer等人[11]的研究，燃料中的揮發分含量是影響NOx排放量的最主要因素，其次燃料氮的含量也對NOx排放有影響．從表1可以看出，玉米稈、稻殼及污泥的揮發分含量分別為67.47%、60.72%和29.68%．這是由于揮發分含量越高，再燃燃料在再燃區內揮發分析出所產生的揮發性氣體就越多，有利于消耗燃燒區域內的氧氣，形成一種較好的還原性的氣氛，有利于增強脫硝效果．這一現象與蘇勝等人[8]的研究結論較為一致．另外，跟稻殼和玉米稈相比，污泥中的含氮量大一些，會對NO的還原有一定的抑制作用．根據鐘北京等人[12]的研究，氣體中的CH4是還原NO的主要物質，因此再燃脫硝效率很大程度上與再燃燃料揮發分析出過程中產生的CH4量相關．根據許開立等人[13,14]的研究，生物質在熱解過程中的主要產物為CH4、H2、CO和CO2，其中CH4在較低的溫度下就能夠達到最大析出峰值，因此需要深入了解生物質熱解氣成分才能有針對性地指導其再燃脫硝過程．

2.2 再燃區溫度對再燃脫硝效率的影響

在不同的再燃區溫度下，3種生物質燃料的再燃脫硝效果也有所不同，圖3給出了再燃區O2濃度為0%時，當再燃區溫度為700～1 100℃之間時，再燃脫硝效率的變化情況．

圖3 再燃區溫度對再燃脫硝效率的影響

從圖3可以看出，在相同的實驗工況下，3種燃料的再燃脫硝效率仍然是玉米稈最好，其次為稻殼，最后是污泥．但在再燃溫度為800℃左右時，稻殼的脫硝效率比玉米稈還略高一點，這可能與此時的揮發分析出速率相關．同時發現3種生物質燃料所獲得再燃脫硝效率均隨著再燃區溫度的升高而增大，變化規律基本相同．以稻殼為例，再燃區溫度為700℃時所獲得的再燃脫硝效率為42.56%；900℃時則變成了71.54%；1 100℃時則為84.57%．這主要是由于生物質受熱產生的揮發性氣體中，CH4的產量會隨著溫度的升高而增多，在再燃區內的濃度越來越大．而CH4是再燃還原NO過程中最為重要的還原性組分，其濃度的增大會促進NO的還原．根據蘇勝等人[8]的研究，當熱解溫度在1 100℃以下時，生物質燃料熱解產生的CH4的濃度會不斷增大．與此同時再燃區溫度的提高，也可以使NO還原反應的反應速率增大，從而使得整體的再燃脫硝效率升高．

2.3 再燃區氧濃度對再燃脫硝效率的影響

實驗過程中還發現再燃區的O2濃度會對生物質燃料的再燃脫硝效率產生一定的影響，圖4和圖5分別給出了在再燃區溫度為900℃和1 100℃時，當再燃區的O2濃度從0%變化到5%時的再燃脫硝效率．

圖4 不同氧濃度下的再燃脫硝效率(再燃區溫度900℃)

圖5 不同氧濃度下的再燃脫硝效率(再燃區溫度1 100℃)

從圖4中可以看出，再燃區O2濃度對脫硝效率有很大的影響，3種生物質燃料的再燃脫硝效果均隨著再燃區O2濃度的增大而降低．在氧濃度從0%升高至1%時，3種生物質燃料的再燃脫硝效果都略有下降，但變化不是很大；氧濃度從1%升高至5%時，再燃脫硝效率均有明顯的降低，以玉米稈脫硝效率為例，0%、1%和5%氧濃度下的脫硝效率分別為75.48%、74.05%和58.74%．這主要是因為隨著氧濃度的增大，再燃區內的還原性氣氛減弱，使得NO的還原效果變差；另一方面，再燃區內的含氮中間組分會與氧反應生成NO．因此控制再燃區的氧濃度是提高再燃脫硝效率的重要手段．圖5給出的是再燃區溫度為1 100℃時，氧濃度對再燃脫硝效率的影響，可以看出其變化規律與900℃時基本相同，但由于再燃溫度高，脫硝效率也相應大一些．

3 結 論

采用稻殼、玉米稈、污泥3種生物質作為再燃燃料，在自制的固定床反應器上開展生物質燃料再燃脫除NO的實驗，研究了生物質燃料種類、再燃區溫度和氧濃度對再燃脫硝效率的影響，得出了以下結論：

1)生物質種類對再燃脫硝效果有很大影響，揮發分含量高的生物質會取得更好的脫硝效果，實驗工況范圍內，稻殼、玉米稈和污泥所取得的最大再燃脫硝效率分別為87.62%、84.57%和60.34%；

2)當再燃區溫度從700℃上升至1 100℃時，3種生物質燃料的再燃脫硝效率均會隨著再燃區溫度的升高而增大；

3)隨著再燃區氧濃度的增大，3種燃料的再燃脫硝效率都會變差．

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