水葫蘆和大薸的生物質顆粒在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

(云南農業大學 機電工程學院，云南 昆明 650201)

水葫蘆在印度、非洲、南美等地被發現，是多年生水生雜草，也被認為是地球上產量高、生長快的植物之一，容易造成河道堵塞，影響航運通行[1-2]。但近年來，在污水植物修復的研究中，由于水葫蘆具有極強的富集氮、磷及有害重金屬的能力，所以它被廣泛應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燃燒[5]。從水葫蘆生長過程的凈化水體到后期的制成可再生的能源，真正實現水葫蘆最大化的利用。

目前，國內外學者對生物質在O2/CO2氣氛燃燒后的污染物特性進行了大量研究，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在 O2/CO2氣氛中燃燒是降低 SO2排放的一個有效途徑。王文鼎[7]通過管式爐研究煤混生物質在 O2/CO2氣氛下燃燒生成 SO2特性，發現 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NO排放結果，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，現階段國內外在生物質燃燒煙氣排放方面的研究主要集中在農業和林業廢棄物，而對水葫蘆等水生生物質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燃料作為研究對象，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，生長迅速等特點[12-15]。本文在自建燃燒試驗臺上燃燒水葫蘆和大薸兩種顆粒燃燒，分析在助燃氣體為氧氣濃度為21%的O2/CO2氣氛下燃燒時溫度和氣流量對其煙氣排放的影響，為水生生物質在能源方面的研究提供了參考。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗系統，主要由電阻爐(最高工作溫度1 000 ℃)、溫控器、氣體過濾裝置、煙氣分析儀等構成。工況三為顆粒長度不同(2.5、2、1.5、1 cm)，溫度700 ℃，氣流量3 L/min，助燃氣體為氧氣濃度21%的O2/CO2氣氛。試驗過程中,從石英管下方通入氣體作為反應氣，當爐內溫度升高到試驗所需溫度時，將水葫蘆顆粒燃料迅速放入石英管中間的燃燒層，燃燒產生的煙氣經過濾裝置后接入MGA5煙氣分析儀，在線記錄CO、NO、NOx和SO2氣體濃度，采樣時間間隔為5 s。

1.2 試驗材料

水葫蘆取自云南省昆明市滇池，晾曬后經過打碎成2 mm的粉末。根據GB/T 28730—2012、GB/T 28731—2012、GB/T 28732—2012、GB/T 30733—2014、GB/T 30727—2014、GB/T 28733—2012等國家標準對三種原料主要進行了工業分析；收到基恒容低位發熱量；并對碳、氫、氮、氧元素進行測定，其工業分析和元素分析見表1所示。在電子萬能試驗機(CMT6104)上將打碎的水葫蘆粉末壓縮成致密成型燃料。

表1 原料的工業分析和元素分析

1.3 數據處理方法

煙氣中的各氣體濃度通過MGA5煙氣分析儀在線測量，在線每隔5 s取一次數據，記錄燃料從開始燃燒到燃燒10 min時的數據，濃度單位為10-6。并對污染氣體中的CO、NO、NOx和SO2四類氣體進行分析。

通過對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為實時體積分數，10-6；Vi為載氣量，L/min；Mi為氣體的摩爾質量，g/mol；t為采樣時間間隔，s；k為采樣點數量。

由NO、SO2氣體排放量可分別求得燃料中N、S元素轉化率：

(2)

式中：Xi為轉化率，%；Ar為相對原子質量，ω為元素的質量分數，%；Mi為氣體的摩爾質量，g/mol。

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

圖1 不同顆粒長度下CO瞬時排放曲線

圖2為兩種顆粒在不同長度大小下燃燒時NO和NOx的瞬時排放曲線。可以看出，水葫蘆長度為2、1.5、1 cm時,NO和NOx氣體峰值出現時間在200 s左右，長度為2.5 cm時，峰值出現時間晚50 s左右，大薸在長度為1.5、1 cm時，NO排放峰值出現時間為200 s左右，長度為2.5、2 cm時，峰值時間為225 s左右，長度為2.5、1.5、1 cm時，峰值時間在200 s左右，長度為2 cm時，峰值時間在250 s左右。兩種顆粒在長度為1.5 cm時，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。兩種顆粒在長度為1 cm時兩種氣體瞬時排放曲線最靠左邊，即燃燒速率最快，主要是其長度最小，比表面積最大，更易于氧氣接觸，燃燒更容易。水葫蘆在長度為1 cm時，兩種氣體排放峰值最大，NO為4 852×10-6，NOx為5 000×10-6。大薸在長度為2.5 cm時，NO排放峰值最大，為4 859×10-6，長度為2 cm時，排放峰值最大，為4 976×10-6。

圖2 不同顆粒長度下NO和NOx瞬時排放曲線

圖3為兩種顆粒在不同長度大小下燃燒時,SO2的瞬時排放曲線，可以看出兩種顆粒在不同長度下燃燒時,SO2排放曲線均出現兩個排放峰，水葫蘆在長度為2.5cm時,第一峰值最大，為301×10-6，長度為2 cm時最小為175×10-6，長度在2.5、2、1 cm時第二峰值大小相近，為2 cm時，第二峰值最大為195×10-6，長度為2 cm時，第二峰值最小為115×10-6。大薸在長度為2 cm時,峰值出現時間最早，且峰值最大為364×10-6，長度為1 cm時,最小為250×10-6，在不同長度下大薸SO2第二排放峰出現時間相差不大，在長度為1 cm時,第二峰值最大為297×10-6，在長度為1.5 cm時,第二峰值最小為76×10-6。

圖3 不同顆粒長度下SO2瞬時排放曲線

表2為水葫蘆和大薸兩種顆粒在不同長度下燃燒時的方差分析，從CO、NO、NOx和SO2四類氣體均為P<0.05可知，顆粒長度對兩種顆粒燃燒時這四類氣體的排放量差異顯著。

表2 粒徑顯著性檢驗表

圖4展示了水葫蘆和大薸兩種顆粒燃料在不同長度下,CO、NO、NOx、SO2的排放總量Ni，四類物質的排放總量由公式(1)計算得出。可以從圖4(a)看出，水葫蘆和大薸CO排放量隨長度的減小而減小，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的排放量均在長度為1.5 cm時最少，水葫蘆為32.5 mg，大薸為37.6 mg，圖4(c)中，兩種顆粒NOx的排放量也在長度為1.5 cm時最小，水葫蘆為51.0 mg，大薸為62.6 mg。圖4(d)中，水葫蘆SO2的排放量在長度為2 cm時最大，為4.4 mg，長度為1.5 cm時排放量最小，為2.3 mg，大薸SO2的排放量在長度為1 cm時最大，為6.4 mg，在長度為1.5 cm時最小，為2.9 mg。表3為兩種顆粒不同顆粒長度下N、S轉化率Xi，其轉換率由式(2)計算得出。四類氣體排放量和N、S轉化率的差異可以看出，顆粒燃料長度在為1.5cm的氮氧化物和SO2等污染物排放量最少。

圖4 不同顆粒長度下兩種顆粒燃料氣體排放量

表3 兩種顆粒燃料N、S轉化率 %

3 結 論

本文在氧氣濃度為21%的O2/CO2氣氛下分析溫度、氣流量和顆粒長度三種不同工況下CO、NO、NOx、SO2四類氣體排放規律與排放量。主要得出以下結論：兩種顆粒燃料長度的減小，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，但不是顆粒長度越短污染物的排放量越少，較為合適的顆粒長度為1.5 cm，此時的氮氧化物和SO2等污染物排放總量最少。