煤粉摻燒多組分固廢的燃料型NOx污染物釋放特性

摘要：采用管式爐及煙氣分析儀等作為實驗設備，以煤粉、輪胎、污泥及其混合物為研究對象，在空氣氣氛下進行燃燒實驗，研究混合物在不同摻燒比例下的燃料型NO_x釋放特性。結果表明，在100～800℃溫度范圍內，當輪胎越多時，NO_x的瞬時釋放峰值越小；當污泥越多時，NO_x的瞬時釋放峰值越大；當輪胎和污泥同時增多時，NO_x的瞬時釋放峰值較大，但小于煤粉與污泥摻燒的工況。

關健詞：管式爐；燃燒；多組分固廢；NO_x釋放特性

引言

輪胎及污泥的處理問題，關系到環境保護和人體健康，已是我國經濟和社會發展面臨的重要課題。目前，最徹底的處理方法是將輪胎和污泥作為燃料進行燃燒的焚燒法，具有固廢物質減量大、對環境危害小、資源化利用程度高等特點，已成為主流的輪胎及污泥處理方法之一[1]，因此研究輪胎及污泥與煤粉混燃時的污染物排放情況至關重要。本文采用管式爐和煙氣分析儀作為實驗儀器，研究煤粉、輪胎、污泥及其混合物在相同溫度范圍內不同比例下燃燒時釋放出的NO_x濃度情況，分析混合物本身物性帶來的燃料型NO_x生成的影響，可為火力發電廠鍋爐多組分固廢混燃時的污染物控制提供一定的理論依據。

1 實驗對象及NO_x生成

本實驗使用煙煤、廢舊輪胎膠粉（簡稱“輪胎”）和干污泥粉末作為實驗樣品，三者均經過研磨篩選，其粒徑大小相似，均為60目左右，煤粉、輪胎、污泥的元素及工業分析如表1、表2、表3所示。

實驗過程中，NO_x的生成途徑主要分為快速型、熱力型、燃料型3類。其中，快速型NO_x在低氧環境下的高燃料燃燒區產生，僅占NO_x總排放量的1%，因此一般將其忽略[2]。熱力型NO_x主要是空氣中的N在高溫下氧化生成，約為NO_x總排放量的30%。熱力型NO_x的生成主要受溫度（T）影響并呈正相關，當T＜1300℃時其生成量較小，當T＞1300℃時每升溫100℃，其反應速率增大6～7倍，因此熱力型NO_x的生成環境為1300℃以上[3]。燃料型NOx主要受燃料中的N元素含量影響，其生成原理是，在燃燒過程中，燃料中的N與空氣中的O結合氧化生成，N含量越大，燃料型NO_x量越高[4]。

綜上所述，在本實驗溫度范圍內，NO_x的生成以燃料型NO_x為主，主要受混合物本身物性的影響。

2實驗設備

本實驗采用的主要設備為管式氣氛爐SLG1100-60，其加熱部件為電阻絲，擁有40段的自動化溫度控制系統，分為上下2個殼體，開啟拆卸方便，可控硅控制，爐膛一分為二，由上下2個半圓組成，均采用AL2O3高耐熱材料，風力從爐殼間穿過，起到冷卻作用。該爐具有爐內溫度環繞均勻、殼體溫度低、安全性高、高速升降溫、用電負荷小等特點，其正常工作中額定電壓為220v，功率為3kw，最高溫度可達1100℃，安全升溫速率為0～10℃/min，可在室溫至1100℃的溫度范圍內對待測樣品進行燃燒，并對燃燒后的煙氣排放進行實時監測及記錄，進而研究材料的污染物釋放特性。管式氣氛爐設備如圖1所示。

本實驗采用的測量裝置主要有空氣氣瓶、質量流量計、管式爐、煙氣分析儀等。空氣在質量流量計控制下進入管式爐，為混合物燃燒提供足夠的O2；燃燒后的煙氣經過煙氣分析儀，實時顯示并記錄煙氣成分；將記錄的實驗數據輸入Origin進行處理。測量裝置如圖2所示。

3實驗方法

3.1 準備階段

在進行煤、輪胎、污泥及其混合物的實驗之前，先將3種樣品置于90備的干燥箱內干燥48h以上；再將樣品在電動研磨設備中進行研磨，并用60目篩進行過濾，以保證其粒徑尺寸一致；最后將樣品放入不透光的棕色玻璃瓶，置于常溫干燥處保存。

3.2 實驗階段

首先，準備好燃燒使用的混合物燃料，每次取樣品質量為0.5g1mg；其次，開啟管式爐爐蓋，將稱好的樣品水平放置在反應瓷舟上，扭動螺栓打開法蘭，取出爐塞后，將盛有樣品的瓷舟迅速推至管式爐的中心恒溫區，塞入爐塞；最后，打開空氣罐，讓空氣流入管式爐，待氣體流速穩定后，設置管式爐升溫速率為10℃/min，設置溫度區間為100～800℃，運行試驗。

實驗中每隔相等的時間間隔，在出口處將煙氣分析儀與橡膠管連接，實時測量出口煙氣并記錄其成分；當出口不再有煙氣釋放時，關閉煙氣分析儀，取出樣品，清理實驗臺；進行多次試驗以保證本實驗的準確性，每次偏差均不大于5%，結果表現準確性良好。

4實驗結果及分析

4.1 煤粉和輪胎混合燃燒結果及分析

在設定溫度下測量了煤粉和輪胎的混合物燃燒時的NO_x瞬時釋放情況，釋放曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著輪胎所占百分比的增加，NO_x釋放曲線逐漸左移，且NO_x的瞬時釋放值越來越小。由熱重實驗結果可知，與煤粉相比，輪胎的著火點和揮發分的析出較早，其中的N會以NH3、HCNO及HCN的形態析出[5]，易與O2結合生成NO_x，因此隨著輪胎所占百分比的增大，NO_x初始釋放溫度變低，NO_x的瞬時釋放峰向左移。又由元素分析可知，與煤粉相比，輪胎的N含量較小，因此混合物的燃料型NO_x生成量隨著輪胎占比的增大而減小，NO_x的瞬時釋放值減小。

4.2 煤粉和污泥混合燃燒結果及分析

在設定溫度下測量了煤粉和污泥的混合物燃燒時的NO_x瞬時釋放情況，釋放曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著污泥所占百分比的增加，NO_x釋放曲線逐漸向低溫區移動，且NO_x的瞬時釋放值越來越大。由熱重實驗結果可知，與煤粉相比，污泥的著火點和揮發分的析出較早，燃盡時間較遲；又由元素分析可知，與煤粉相比，污泥的N含量大得多。因此，隨著污泥所占百分比的增大，NO_x初始釋放溫度變低，NO_x的瞬時釋放峰值左移得愈發明顯，混合物的燃料型NO_x生成量增多，NO_x的瞬時釋放值增大。

4.3 煤粉、輪胎和污泥混合燃燒結果及分析

在設定溫度下測量了煤粉、輪胎和污泥的混合物燃燒時的NO_x瞬時釋放情況，釋放曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著輪胎和污泥所占百分比的增加，NO_x釋放曲線開始左移，且NO_x的瞬時釋放值逐漸增大。由熱重實驗結果可知，輪胎和污泥的著火點較低；又由表1、表2、表3對比分析可知，污泥中的N成分占比遠大于煤粉和輪胎。因此，在綜合作用下，隨著輪胎和污泥摻燒比例的增大，NO_x初始釋放溫度變低，在摻燒15%輪胎15%污泥時，NO_x的瞬時釋放峰值有了較為明顯的左移，混合物的燃料型NO_x生成量增多，NO_x的瞬時釋放值增大，但增幅小于煤粉和污泥混燃的工況。

結論

綜上所述，在煤粉、輪胎、污泥及其混合物的摻燒實驗中，當溫度范圍為100～800℃時，隨著輪胎摻燒比例增大，NO_x的瞬時釋放峰值減小；隨著污泥摻燒比例增大，NO_x的瞬時釋放峰值增大；隨著輪胎和污泥摻燒比例同時增大，NO_x的瞬時釋放峰值增大，但小于煤粉摻燒污泥的工況。該結果說明，在100～800℃溫度范圍內，若在煤粉摻燒污泥的同時加入一定量的輪胎，則有助于減少燃料型NO_x的生成。

參考文獻

[1]王其.試析市政污泥處理的現狀與發展[J].綠色環保建材，2020（6）：71，73.

[2]徐啟智，梁嘉林，張斯瑋，等.調理劑Fenton/CaO對深度脫水市政污泥燃燒特性的影響[J].環境科學學報，2018，38（7）：2711-2720.

[3]綦振華.燃燒型氮氧化物生成、控制途徑及技術淺談[J].科技致富向導，2012（23）：304，339.

[4]趙征，李悅寧，袁洪.燃煤機組NO_x生成量動態軟測量模型[J].動力工程學報，2020，40（7）：523-529.

[5]王學斌.生物質燃燒及其還原氮氧化物的機理研究及應用（博士論文）[D].西安：西安交通大學，2011.

作者簡介

李子涵（1996—），男，漢族，江蘇連云港人，工程師，碩士，主要研究方向為燃料混燃、鍋爐運行優化。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-11