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生物质燃烧烟气排放特性与污染物控制

时间:2019-07-10 09:50

来源:农业工程

作者:余有芳 尚鹏鹏等

生物质锅炉及颗粒燃烧器的烟气污染物排放已引起人们的重视。生物质燃烧产生的污染物主要有颗粒物、一氧化碳和氮氧化物等污染气体。综述了国内外关于生物质燃烧的烟气排放特性及影响因素,如不同生物质燃料种类及性能、进风系统和进料系统配置及参数等,着重介绍了进风系统中风量配比、过量空气系数、氧气浓度以及进气流速等因素对烟气污染物排放的影响,提出了生物质燃烧烟气排放特性和污染物控制研究中应注意的问题。

引言

生物质是一种清洁可再生能源,具有总量大、来源广、污染小等优点,越来越受到人们的青睐。生物质锅炉及燃烧器是生物质燃料燃烧利用的主要设备,其烟气污染物排放涉及的影响因素较多。若结构设计和工况参数不合理,则生物质燃烧的烟气污染物排放会超出排放标准,造成环境污染和危害人体健康。

生物质由可燃质、无机物和水分组成,其元素以C、H、O为主,含有少量的N、S。诸多研究结果表明,生物质燃烧排放的烟气污染物以CO、NOx和颗粒物为主,SO2等物质仅占很少部分。因此,在生物质燃烧领域,CO、NOx以及颗粒物的污染排放与控制被广泛关注。众多研究成果表明,燃料种类及性质、进风系统以及进料系统的配置及参数是影响烟气污染物排放的主要因素。其中,进风系统主要包括风量配比、过量空气系数、氧气浓度和进气流速等,进料系统主要包括进料方式和进料量等因素。如不能合理控制这些影响因素,生物质燃烧排放的烟气污染物增多,从而制约锅炉及燃烧器的推广应用。本文综述了生物质燃烧的污染物排放特性和规律,旨在为生物质高效燃烧利用和烟气污染物控制提供参考。

1、生物质燃料性质对烟气污染物排放的影响

1.1不同种类生物质燃料的影响

不同种类的生物质燃料直接影响烟气污染物的排放量。左朋莱等在生物质成型燃料锅炉中分别燃烧木屑、花生壳、棉花秆以及玉米秆,结果表明玉米秆成型燃料燃烧后的烟尘排放量最高,达到369.8mg/Nm3,花生壳成型燃料燃烧后的烟尘排放量最低,仅为99mg/Nm3。关于CO排放量,在空气流速3L/min、炉温800℃燃烧情况下,竹基成型燃料燃烧排放的CO浓度远大于木基成型燃料。玉米秆挥发分少,灰分含量多,结渣严重,导致局部混合气体浓度较大,形成缺氧燃烧环境,而木质颗粒松散不易结渣,故在相同的流速与进料速率下,玉米秆颗粒CO的排放量>棉秆颗粒CO的排放量>木质颗粒CO的排放量。在流化床中以相同实验条件燃烧桉树和松树,结果发现松树生成的CO含量更少。草制成型颗粒热值低、水分高,故燃烧时的炉温相对较低,排放出的CO浓度少。综上所述,不同种类生物质燃烧在烟尘排放量以及CO的生成量上有很大的差异。

不同种类生物质混合燃烧也可改变烟气污染物排放状况。与纯木屑成型燃料燃烧相比,麦秆加到木屑中混合燃烧排放的颗粒物质量浓度大幅增加(13倍),但是草芦加入到木屑中混合燃烧却只是轻微增加了烟气中颗粒物的排放,此外麦秆与木屑混合燃烧生成的CO、SO2等气体也大幅增加。不同种类的生物质与煤混合燃烧有不同的烟气排放特性,在富氧燃烧条件下的SO2生成量:玉米秆混煤>麦秆混煤>稻秆混煤,NO生成量:稻秆混煤>玉米秆混煤>麦秆混煤,随着生物质配比的提高,各试样SO2与NO排放量以及转化率均降低。因此,为改善烟气污染物的排放,可适当考虑混合燃料燃烧的方法。

1.2生物质燃料特性参数的影响

生物质燃料的性能参数如密度、含水率、颗粒大小和热值等都会对烟气排放产生较大影响。成型燃料致密性高,表面挥发分首先析出,然后内部挥发分缓慢释放,形成稳定的燃烧环境,所以一般使用压缩成型的颗粒燃料燃烧比生物质原料燃烧更加稳定。当生物质成型燃料尺寸增加时,燃料不充分燃烧现象更加明显,CO排放量上升。高热值的燃料生成更多的NOx气体,因为其燃烧生成更多的热量从而升高燃烧温度,同时增加了燃气与空气的混合时间。Vi-cente ED等研究发现颗粒物的排放主要受燃料性质和燃烧工况的影响,高含水率燃料、低过量空气系数、燃烧器设计缺陷等都会造成颗粒物质量浓度的增加。

有学者研究表明,生物质中的灰分以及含水率对烟气排放影响不大。尽管草制成型燃料比木质成型燃料有着更高K和灰分含量,但在燃烧时并没有表现出更高的颗粒物排放。经过烘干处理的生物质不一定能改变烟气排放性能,Ndibe C等在下降管反应器中分别燃烧有烘焙过和没有烘焙过的生物质,结果却发现两者有着相似的NOx排放以及近似的粒度分布。关于不同生物质灰分以及水分含量对烟气污染物排放的影响,这方面的文献报道相对较少,因此,可进一步探索。

生物质的N含量对NOx的排放有着复杂的作用效果。一般来说燃料中的N含量越大,生成的NO含量越多。与其他大部分生物质相比,干草成型燃料(N含量最丰富)生成的NOx最多。刘海泽研究了在炉温900℃,30%O2/70%CO,环境下烟气中NO的生成总量:甘蔗渣<木屑<稻壳<秸秆,其中燃料的N含量:甘蔗渣(0.21%)<木屑(0.46%)<稻壳(0.53%)<秸秆(0.64%),这说明燃料的N含量越高,NO的排放量也越高。赵欣等也做了相似的研究,在相同进料速率和空气流速情况下得出NO的排放量:木质颗粒<玉米秸秆颗粒<棉秆颗粒,原因是木质颗粒燃料的含N量比其他种低得多,而棉秆的N含量最高且燃烧时的温

度要高于另外两种。但是也有研究表明NO的生成量与生物质中的含氮量不是正相关关系,有研究发现含N量高的竹基成型燃料燃烧排放的NO含量并没有明显高于木基成型燃料。因此,有关燃料N含量与烟气污染物排放的关系还有待阐明。

2、进风系统对烟气污染物排放的影响

2.1风量配比的影响

送风配置主要包括一二次进风口的位置排布以及二次风比例的设置。在送风位置排布上,一次风大部分是从燃烧室(炉膛)底部进入,提供生物质热解气化和固定碳燃烧所需要的氧气。二次风通常从距离炉排上方一定高度的二次进风口进入燃烧室,主要提供挥发分燃烧所需的氧气。在生物质颗粒燃烧器炉膛中部送二次风的情况最好,比炉膛尾端和燃烧器出口送风更能增加氧气流与火焰的混合扰动,CO的燃烧更加充分。Pawlak-KruczekH等研究富氧燃烧环境下生物质混煤烟气排放特性,发现NOx的排放主要受燃料中挥发分含量、空气分布以及锅炉或燃烧器配置的影响。在富氧燃烧环境OEA30(30%O2/70%CO2)下研究生物质燃烧烟气排放特性时发现当氧气加入到富氧燃烧室的一次进风口时,产生更低的SO2和NOx的排放量。当氧气加入到富氧燃烧室的二次进风口时,有更多的挥发分析出氧化,产生更多的SO2和NOx排放量。因此针对不同燃烧器合理设计送风口的位置,对有效减少烟气污染物的排放十分重要。

编辑:李丹

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