水葫蘆和大薸的生物質(zhì)顆粒在O2/CO2氣氛下燃燒的煙氣排放特性

岳涵鴻，饒 月，張 霞，孟俊全，孫高凱，陳 蓉

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201)

水葫蘆在印度、非洲、南美等地被發(fā)現(xiàn)，是多年生水生雜草，也被認(rèn)為是地球上產(chǎn)量高、生長(zhǎng)快的植物之一，容易造成河道堵塞，影響航運(yùn)通行[1-2]。但近年來(lái)，在污水植物修復(fù)的研究中，由于水葫蘆具有極強(qiáng)的富集氮、磷及有害重金屬的能力，所以它被廣泛應(yīng)用到污水治理的工作中[3-4]。水葫蘆不僅在凈化水體方面有著得天獨(dú)厚的作用，治理污水后的水葫蘆可以制備為成型燃料作為能源物質(zhì)燃燒[5]。從水葫蘆生長(zhǎng)過(guò)程的凈化水體到后期的制成可再生的能源，真正實(shí)現(xiàn)水葫蘆最大化的利用。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物質(zhì)在O2/CO2氣氛燃燒后的污染物特性進(jìn)行了大量研究，李勝利[6]等的研究表明，在相同的氧氣濃度下，與空氣氣氛相比，三種藻類總的 SO2生成量均得到了不同程度的降低，小球藻的降低幅度為 58%，滸苔和馬尾藻分別為 47%和 86%，這也充分證明藻類生物質(zhì)在 O2/CO2氣氛中燃燒是降低 SO2排放的一個(gè)有效途徑。王文鼎[7]通過(guò)管式爐研究煤混生物質(zhì)在 O2/CO2氣氛下燃燒生成 SO2特性，發(fā)現(xiàn) O2/CO2氣氛能明顯降低 SO2生成。Artur[8]等研究分析了油餅、油菜秸稈和樺木木屑燃燒時(shí)NO排放結(jié)果，表明在不同氣流量的條件下，NO的排放量有很大的不同。

從這些研究中可以看出，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外在生物質(zhì)燃燒煙氣排放方面的研究主要集中在農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物，而對(duì)水葫蘆等水生生物質(zhì)燃燒煙氣排放特性的研究較少[9-11]。本文選擇了水葫蘆和大薸兩種水生生物質(zhì)燃料作為研究對(duì)象，研究其煙氣排放特性，大薸在污水治理上的能力和水葫蘆相近，且也具有繁殖速度快，生長(zhǎng)迅速等特點(diǎn)[12-15]。本文在自建燃燒試驗(yàn)臺(tái)上燃燒水葫蘆和大薸兩種顆粒燃燒，分析在助燃?xì)怏w為氧氣濃度為21%的O2/CO2氣氛下燃燒時(shí)溫度和氣流量對(duì)其煙氣排放的影響，為水生生物質(zhì)在能源方面的研究提供了參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由電阻爐(最高工作溫度1 000 ℃)、溫控器、氣體過(guò)濾裝置、煙氣分析儀等構(gòu)成。工況三為顆粒長(zhǎng)度不同(2.5、2、1.5、1 cm)，溫度700 ℃，氣流量3 L/min，助燃?xì)怏w為氧氣濃度21%的O2/CO2氣氛。試驗(yàn)過(guò)程中,從石英管下方通入氣體作為反應(yīng)氣，當(dāng)爐內(nèi)溫度升高到試驗(yàn)所需溫度時(shí)，將水葫蘆顆粒燃料迅速放入石英管中間的燃燒層，燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過(guò)濾裝置后接入MGA5煙氣分析儀，在線記錄CO、NO、NOx和SO2氣體濃度，采樣時(shí)間間隔為5 s。

1.2 試驗(yàn)材料

水葫蘆取自云南省昆明市滇池，晾曬后經(jīng)過(guò)打碎成2 mm的粉末。根據(jù)GB/T 28730—2012、GB/T 28731—2012、GB/T 28732—2012、GB/T 30733—2014、GB/T 30727—2014、GB/T 28733—2012等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三種原料主要進(jìn)行了工業(yè)分析；收到基恒容低位發(fā)熱量；并對(duì)碳、氫、氮、氧元素進(jìn)行測(cè)定，其工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1所示。在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(CMT6104)上將打碎的水葫蘆粉末壓縮成致密成型燃料。

表1 原料的工業(yè)分析和元素分析

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

煙氣中的各氣體濃度通過(guò)MGA5煙氣分析儀在線測(cè)量，在線每隔5 s取一次數(shù)據(jù)，記錄燃料從開(kāi)始燃燒到燃燒10 min時(shí)的數(shù)據(jù)，濃度單位為10-6。并對(duì)污染氣體中的CO、NO、NOx和SO2四類氣體進(jìn)行分析。

通過(guò)對(duì)CO、NO、NOx和SO2四類氣體濃度曲線積分可估算其排放總量[16]，形成：

(1)

式中：Ni為氣體生成量，mg；Ci為實(shí)時(shí)體積分?jǐn)?shù)，10-6；Vi為載氣量，L/min；Mi為氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol；t為采樣時(shí)間間隔，s；k為采樣點(diǎn)數(shù)量。

由NO、SO2氣體排放量可分別求得燃料中N、S元素轉(zhuǎn)化率：

(2)

式中：Xi為轉(zhuǎn)化率，%；Ar為相對(duì)原子質(zhì)量，ω為元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Mi為氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol。

2 顆粒長(zhǎng)度對(duì)兩種顆粒燃料煙氣排放的影響

圖1為兩種顆粒在不同顆粒長(zhǎng)度下燃燒時(shí)CO的瞬時(shí)排放曲線，可以看出，兩種顆粒長(zhǎng)度分別為2.5、2、1.5、1 cm，在這四種顆粒長(zhǎng)度工況參數(shù)下CO瞬時(shí)排放曲線相近，峰值出現(xiàn)時(shí)間與大小也相差不大。顆粒長(zhǎng)度為2.5 cm和2 cm時(shí)，較長(zhǎng)度為1.5 cm和1 cm時(shí)的瞬時(shí)排放峰出現(xiàn)時(shí)間有一定的延遲，水葫蘆在不同顆粒長(zhǎng)度下峰值出現(xiàn)時(shí)間接近，峰值大小卻存在差異。水葫蘆在顆粒長(zhǎng)度為2.5 cm時(shí)峰值最大為163 990×10-6，長(zhǎng)度為1 cm時(shí)峰值最小為115 872×10-6。大薸在長(zhǎng)度為2.5、2與1.5、1 cm之間峰值出現(xiàn)時(shí)間相差50 s左右，在長(zhǎng)度為2.5 cm時(shí)峰值最大為122 864×10-6，長(zhǎng)度為1 cm時(shí)峰值最小為105 434×10-6。主要是由于兩種顆粒長(zhǎng)度減小，顆粒比表面積增大，單位體積內(nèi)與氧氣的接觸面積增加，與此同時(shí)，燃料顆粒長(zhǎng)度減小，燃燒時(shí)外表面形成的灰層就小，有利于氧氣擴(kuò)散，兩者共同促進(jìn)了顆粒燃料焦炭燃燒充分反應(yīng)，所以長(zhǎng)度較小的顆粒CO排放峰值較低。

圖1 不同顆粒長(zhǎng)度下CO瞬時(shí)排放曲線

圖2為兩種顆粒在不同長(zhǎng)度大小下燃燒時(shí)NO和NOx的瞬時(shí)排放曲線。可以看出，水葫蘆長(zhǎng)度為2、1.5、1 cm時(shí),NO和NOx氣體峰值出現(xiàn)時(shí)間在200 s左右，長(zhǎng)度為2.5 cm時(shí)，峰值出現(xiàn)時(shí)間晚50 s左右，大薸在長(zhǎng)度為1.5、1 cm時(shí)，NO排放峰值出現(xiàn)時(shí)間為200 s左右，長(zhǎng)度為2.5、2 cm時(shí)，峰值時(shí)間為225 s左右，長(zhǎng)度為2.5、1.5、1 cm時(shí)，峰值時(shí)間在200 s左右，長(zhǎng)度為2 cm時(shí)，峰值時(shí)間在250 s左右。兩種顆粒在長(zhǎng)度為1.5 cm時(shí)，NO與NOx排放曲線峰值最低，水葫蘆分別為2 732×10-6和2 977×10-6，大薸分別為3 016×10-6和3 116×10-6。兩種顆粒在長(zhǎng)度為1 cm時(shí)兩種氣體瞬時(shí)排放曲線最靠左邊，即燃燒速率最快，主要是其長(zhǎng)度最小，比表面積最大，更易于氧氣接觸，燃燒更容易。水葫蘆在長(zhǎng)度為1 cm時(shí)，兩種氣體排放峰值最大，NO為4 852×10-6，NOx為5 000×10-6。大薸在長(zhǎng)度為2.5 cm時(shí)，NO排放峰值最大，為4 859×10-6，長(zhǎng)度為2 cm時(shí)，排放峰值最大，為4 976×10-6。

圖2 不同顆粒長(zhǎng)度下NO和NOx瞬時(shí)排放曲線

圖3為兩種顆粒在不同長(zhǎng)度大小下燃燒時(shí),SO2的瞬時(shí)排放曲線，可以看出兩種顆粒在不同長(zhǎng)度下燃燒時(shí),SO2排放曲線均出現(xiàn)兩個(gè)排放峰，水葫蘆在長(zhǎng)度為2.5cm時(shí),第一峰值最大，為301×10-6，長(zhǎng)度為2 cm時(shí)最小為175×10-6，長(zhǎng)度在2.5、2、1 cm時(shí)第二峰值大小相近，為2 cm時(shí)，第二峰值最大為195×10-6，長(zhǎng)度為2 cm時(shí)，第二峰值最小為115×10-6。大薸在長(zhǎng)度為2 cm時(shí),峰值出現(xiàn)時(shí)間最早，且峰值最大為364×10-6，長(zhǎng)度為1 cm時(shí),最小為250×10-6，在不同長(zhǎng)度下大薸SO2第二排放峰出現(xiàn)時(shí)間相差不大，在長(zhǎng)度為1 cm時(shí),第二峰值最大為297×10-6，在長(zhǎng)度為1.5 cm時(shí),第二峰值最小為76×10-6。

圖3 不同顆粒長(zhǎng)度下SO2瞬時(shí)排放曲線

表2為水葫蘆和大薸兩種顆粒在不同長(zhǎng)度下燃燒時(shí)的方差分析，從CO、NO、NOx和SO2四類氣體均為P<0.05可知，顆粒長(zhǎng)度對(duì)兩種顆粒燃燒時(shí)這四類氣體的排放量差異顯著。

表2 粒徑顯著性檢驗(yàn)表

圖4展示了水葫蘆和大薸兩種顆粒燃料在不同長(zhǎng)度下,CO、NO、NOx、SO2的排放總量Ni，四類物質(zhì)的排放總量由公式(1)計(jì)算得出。可以從圖4(a)看出，水葫蘆和大薸CO排放量隨長(zhǎng)度的減小而減小，主要是燃料比表面積越大越容易與氧氣接觸，能使其燃燒更徹底。隨著長(zhǎng)度從2.5 cm減小到1cm，水葫蘆CO的排放量由1 621 mg減小到1 002.9 mg，總體少排放了38%，大薸CO的排放量由1 248.1 mg減少到880.5 mg，總體少排放了29%。

圖4(b)中，水葫蘆和大薸NO的排放量均在長(zhǎng)度為1.5 cm時(shí)最少，水葫蘆為32.5 mg，大薸為37.6 mg，圖4(c)中，兩種顆粒NOx的排放量也在長(zhǎng)度為1.5 cm時(shí)最小，水葫蘆為51.0 mg，大薸為62.6 mg。圖4(d)中，水葫蘆SO2的排放量在長(zhǎng)度為2 cm時(shí)最大，為4.4 mg，長(zhǎng)度為1.5 cm時(shí)排放量最小，為2.3 mg，大薸SO2的排放量在長(zhǎng)度為1 cm時(shí)最大，為6.4 mg，在長(zhǎng)度為1.5 cm時(shí)最小，為2.9 mg。表3為兩種顆粒不同顆粒長(zhǎng)度下N、S轉(zhuǎn)化率Xi，其轉(zhuǎn)換率由式(2)計(jì)算得出。四類氣體排放量和N、S轉(zhuǎn)化率的差異可以看出，顆粒燃料長(zhǎng)度在為1.5cm的氮氧化物和SO2等污染物排放量最少。

圖4 不同顆粒長(zhǎng)度下兩種顆粒燃料氣體排放量

表3 兩種顆粒燃料N、S轉(zhuǎn)化率 %

3 結(jié) 論

本文在氧氣濃度為21%的O2/CO2氣氛下分析溫度、氣流量和顆粒長(zhǎng)度三種不同工況下CO、NO、NOx、SO2四類氣體排放規(guī)律與排放量。主要得出以下結(jié)論：兩種顆粒燃料長(zhǎng)度的減小，能使顆粒的重量比表面積增大，使其越容易與氧氣接觸，燃燒更徹底CO排放總量越少，但不是顆粒長(zhǎng)度越短污染物的排放量越少，較為合適的顆粒長(zhǎng)度為1.5 cm，此時(shí)的氮氧化物和SO2等污染物排放總量最少。