PDF《生物质固体成型燃料燃烧的NO和CO排放研究》

生物质固体成型燃料燃烧的NO和CO排放研究 赵欣1,李慧1,胡乃涛1,余鹏1,张学敏1,姚宗路2 (1.

中国农业大学工学院,北京100083;

2.农业部规划设计研究院农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京1 00125) 摘要:针对国内固体生物质成型燃料燃烧过程中排放NO、CO分析不清晰,影响因素研究不足等问题,在生物质燃 烧试验平台上,采用Testo350烟气分析仪,对木质、棉杆和玉米秸秆3种固体生物质成型燃料分别展开了燃烧的气态排 放物研究,重点研究了3种生物质成型燃料在不同燃烧器负荷和进气量下的NO和CO的排放情况.试验结果表明:3种 燃料的NO排放量均在0.05%以下,CO也不高于1%.3种燃料的气态排放物总体趋势为随着燃烧器负荷的增大,NO和CO的排放量增多,随着进气量的增加,气态排放物的含量减少.该研究可以为指导燃用生物质成型燃料锅炉的实际 运行,以优化生物质成型燃料的燃烧和排放提供参考. 0引言 目前的能源消耗 量中,生物质能耗约占世界总能耗的 14%,仅次于煤、石油、天然气,居第四位[1] .我国的生物质资源也非常丰富,随着经济的发展,农作物秸秆产量也在逐年递增[2],在我国生物质资源中占据十 分重要的地 位.现阶段很多地区都 没有专门用来燃用生物质燃料的设备,造成大 量未完全燃烧的CO及NOx等有害气体排放到大气中,不仅造成环境污染,还对人类的身体造成很大的危害. 生物质固体成型燃料燃烧产生的烟气种类和排放量由燃料的元素含量及燃烧工况决定.生物质燃料的元素以C、H 、O为主,含有少量的N、S,并且N、S含量与煤等燃料相比,几乎可以忽略不计,排放的烟气中主要包括CO、NO ,SO2和NO2较少[3] .近年来国内外均有一些对生物质成型燃料气态排放物相关的研究,其中国外学者大多是对木质成型燃料进行研究, 而国内研究较多的是稻壳、小麦秸秆和林业废弃物等的燃烧排放情况,对玉米秸秆、棉杆等生物质成型燃料燃烧的气 态排放物研究较少[4] .我国的生物质成型燃料与国外的燃料在元素含量和工业分析等方面的差异使得燃烧特性和排放也不一致,需要针对 其特性进行研究[5] . 本文运用农业部规划设计研究院研制的PB-20型生物质燃烧器,使用3种生物质颗粒燃料,在不同燃烧器负荷和空气 流速下进行燃烧,监测烟道气体排放状况,分析生物质颗粒燃料的主要气态排放物特性以及设备进料进风等控制参数 对气态排放物的影响.针对相应生物质颗粒燃料优选燃烧设备的最佳控制参数,为改进气态排放状况,减少CO、NO 的排放提供理论基础,从而达到减排的目的. 1试验部分 1.1试验燃料 我国的生物质颗粒燃料主要以农作物秸秆为主,本次试验选择木质、玉米秸秆和棉杆3种成型生物质燃料进行对比 分析.3种颗粒燃料均被压缩成圆柱型,长度10~30mm,直径8mm左右.对3种生物质颗粒燃料进行工业分析、元素 分析、热值测量,结果如表1所示. 页面

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8 1.2仪器与设备 1.2.1生物质固体成型燃料燃烧试验平台 生物质固体成型燃料燃烧试验平台是以生物质燃烧器和锅炉为核心,集料仓,进料装置,控制箱,风机和记录软件 等为一体的科研平台[6] .其中,进料的速度以及燃烧时配风量的大小均可通过操作软件来进行调控,在燃烧运行时,可以实现自动点火和配 风,自动进料和清渣的功能[7] .其中燃烧器采用的是农业部规划设计研究院研发的生物质自动高效燃烧器,是一种上进料式的燃烧器,结构如图1 所示. 1.2.2 testo350烟气分析仪 试验采用的数据采集仪器为testo350烟气分析仪.配有各种传感器,标配的烟气探针长700mm,耐温为500℃.结合 试验平台可以测量的数据有:出口处的O

2、CO2 的含量以及体积分数、CO、NO、NO

2、SO2浓度、冷却水流量及进出温度、烟道温度、烟道气体流量等烟气参数. 1.3试验参数和试验设计 1.3.1试验参数 本试验所测的参数为烟道气体中主要气态排放物的体积分数,燃烧过程中炉膛的温度,由此可以计算出燃烧时的过 量空气系数和燃烧效率,并对NO和CO形成的因素进行分析. 1.3.2试验设计 在生物质燃烧试验平台上分别燃烧3种生物质成型燃料,通过改变进料量来控制燃烧器负荷,高中低三种负荷对应 的进料量分别为3,4,5kg/h.试验通过调整风机转速来改变空气流速,所用的风机转速可以从0调到90,但是风机采 用正弦波调速,50级以下时风速过小,不能用于燃料的正常燃烧,因此选择

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70、90级三种风速,用风速仪可测得 空气流速为6,7,8m/s. 2试验结果 2.1三种生物质成型燃料的气态排放物成分 页面

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8 由试验所测得的气态排放物各成 分含量可知,气态排放物的成分主要是CO和NOx,H2S、SO2 等有害气体成分的含量很少,原因是生物质燃 料本身的S含量很少,SO2的排放量会很低[8].燃烧产生的NOx通常是指NO和NO2 ,大量试验结果表明燃烧设备中产生的NOx中90%约为NO,NO2的含量仅占5%[9] ,所以本文主要研究CO和NO的排放规律. 2.2不同种类生物质颗粒的NO排放分析 2.2.1燃烧器负荷对NO排放影响 燃烧器负荷的不同导致NO排放的体积分数很大的差异,3种成型燃料在不同燃烧器负荷下的NO排放特性如图2所示 .对于生物质成型燃料来说,燃烧生成的燃料型NOx占NOx 总排放 的65%~80% ,此外生物质燃料在燃烧时既有挥发分的均相燃烧,又有残焦的多相燃烧,形成挥发分NOx和焦炭NOx [10] . 产生NO x的主要影响因素为温度、氧浓度、燃料性质,本文主要从以下几个方面来进行分析. 页面

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8 图2a木质颗粒的NO排放说明,进料量增多时燃烧器负荷增大,NO的排放量也相应增大.原因是进料量增大时,挥 发分析出量变多,然而木质颗粒燃料在几种工况下的过量空气系数均在1.6以上,燃烧所需要的氧气量充足,这段时 间内产生的NO增多. 图2b玉米秸秆颗粒的NO排放显示出总体情况是NO生成量随着进料量的增加先增大后减小.当燃烧器负荷处于中 小阶段时,过量空气系数都大于1.5,氧气量充足,挥发分的燃烧都比较完全,排放的NO也会随之增多.但是当进料 量增加到5kg/h时,过量空气系数会减小到1.2以下,氧气量不足,不仅挥发分氮不易转化为NO,而且由于此时挥发分 含量较高,挥发分氮的相互复合反应以及对NO的还原反应增强,造成NO排放量下降. 图2c棉杆的NO排放整体趋势表明,燃烧器负荷对NO排放的影响与玉米秸秆颗粒的排放规律相似,排放量都是随着 燃烧器负荷的增加先升高后降低. 2.2.2空气流速变化对NO排放影响 木质颗粒,3种燃烧器负荷下,空气流速从6m/s增大到7m/s时,NO浓度降低幅度较少,原因是虽然空气流速的增大 页面

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8 会使燃料与空气的混合时间减少,........