煤粉/生物质恒温混燃NO 排放的协同特性

王金星，李 伟，王春波

0 引言

随着大气污染的日益加剧，燃料燃烧带来的污染物排放逐渐成为人们关注的焦点。近年来许多学者对燃料燃烧产生的污染物排放特性展开了研究。Shaozeng Sun 等［1］通过进行O2/N2和O2/CO2两种气氛下烟煤燃烧的比对实验，得到了燃料N 在O2/CO2气氛下转化为NO 的量小于O2/N2气氛下的结论。李庆钊等［2］在沉降炉上利用在线烟气分析仪研究了燃烧气氛、CO2浓度、温度及燃料/氧气化学当量比对O2/CO2气氛下燃煤NO排放的影响规律。杨冬等［3］在一维煤粉燃烧实验台上对单煤及其混煤进行了NOx析出特性的燃烧试验研究，分析了煤质特性、燃烧工况对NOx排放特性的影响规律。周志军等［4］采用固定床反应器，研究了低挥发分煤的NOx释放规律。

煤粉/生物质恒温混燃污染物排放特性研究，是优化煤粉/生物质混燃低污染物排放技术的基础。目前该方面相关研究，普遍采用是实验结果间的比对。如，Cuiping Wang 等［5］在逐渐升温条件下利用TG-FTIR 技术对麦秸与无烟煤掺混后的污染物排放进行了研究，得出了麦秸掺混60%的样品污染物排放最少的结论。孙俊威等［6］利用携带管式炉进行了3 种生物质与阳泉煤的混燃实验，探讨了掺混比及过量空气系数对燃料NOx排放的影响规律。S．Munir 等［7］在燃煤锅炉上进行了煤粉与生物质混燃实验，得出了掺混生物质可降低NO 排放的结论。利用比对实验结果的方法，研究混合燃料燃烧时污染物排放特性有着无可比拟的优势，但对于探讨煤粉/生物质混燃污染物排放的协同效应，存在着一定的不足。如果能将混燃的实验结果与不同单一燃料加权得到的预测结果进行比对，无疑能在协同效应的层面上更深入地研究煤粉/生物质混然污染物排放特性。

本工作对生物质与几种煤及混合试样在恒温条件下进行了混燃实验，针对NO 排放的协同特性进行了探讨，希望能对今后深入研究煤粉/生物质混燃污染物排放特性提供一定的参考。

1 实验部分

1.1 实验系统与实验样品

为能更好地研究煤粉/生物质恒温混燃NO 排放的协同特性，自制管式炉实验系统，如图1 所示。温控范围为0 ～1 300 ℃。空气采用气泵供应，流量量程为2 L/min。瓷舟尺寸7 cm ×1 cm。采用德国MRU 公司的Delta 2 000CD -IV 烟气分析仪对NO 进行实时监测，并通过数据线传入计算机。热电偶与温控仪相连，炉内稳定后可视为恒温。

图1 管式炉实验系统Fig．1 Tube furnace experimental system

实验选取3 种典型电厂用煤:无烟煤、烟煤、褐煤，粒度80 目到120 目;选取的生物质混合物(以下简称生物质)由华北地区常见的玉米芯、秸秆、树皮、木屑等9 种农业或林业废弃物组成，粒度80 目到120 目。不同煤粉与生物质的工业分析及元素分析见表1。其灰成分分析见表2。

表1 试样的工业分析与元素分析Tab．1 Ultimate and proximate analysis of test samples

表2 试样的灰成分分析Tab．2 Ash composition analysis of test samples

1.2 实验方法

实验时首先向管式炉内通入流量为1 L/min的空气，在该气氛下将固定床反应器升温至目标温度。待反应区域温度恒定后，启动烟气分析仪。取0.1 ±0.005 g 样品均匀平铺于长7 cm 宽1 cm的瓷舟底部，然后将瓷舟支架沿导轨迅速送入管式炉内。利用MRU Online View 软件对烟气中NO进行实时监测，利用编制程序将监测信号数据记录到计算机内。此外，校正实验表明，该流量已经能很好地消除反应过程中气体扩散的影响。

2 结果与讨论

对NO 采用氮析出率，即在累积时间段内NO中氮析出的量占煤中氮含量的百分数。

式中:VN为NO 析出率， (%);t0为实验开始时间，s;t 为实验进行中某时刻，s;C(t)为t 时刻气流中NO 对应的实际氮浓度，mg/Nm3;V(t)为t 时刻烟气流量，Nm3/s;MN为试样质量，mg;Nt为试样含氮量，(%)。

煤粉/生物质恒温混燃NO 排放的协同特性是衡量混燃NO 排放效果的重要指标，对煤粉/生物质混燃减低NO 排放技术的研发具有不可比拟的参考价值。本文采用纯煤与纯生物质的线性加权平均曲线(以下简称加权曲线)对混燃NO 排放协同特性进行研究。加权曲线是根据两种纯燃料的NO 排放曲线分别乘上各燃料占试样中百分比得到的NO 排放曲线。即:

式中:x 为生物质在试样中的百分含量;TGc为混合样的加权曲线。TGa为纯煤粉的实验NO 排放曲线;TGb为纯生物质的实验NO 排放曲线。

2.1 掺混比的影响

掺混比是影响煤粉/生物质混燃NO 排放特性的主要因素。在900 ℃恒温条件下，测量了无烟煤与生物质掺混比为9∶1，8∶2，7∶3这3 种情况下NO 析出率随时间的变化曲线及通过对无烟煤与生物质NO 析出率曲线线性加权得到的3 条曲线，如图2 所示。

图2 在恒温900 ℃条件下无烟煤与生物质不同掺混比的NO 排放特性Fig．2 NO emission characteristics of anthracite and biomass co-combustion at different blending ratios at 900 ℃

如图2 所示，在燃烧初期随着生物质掺混比的增大，实验得到的NO 析出率升高，且NO 排放的实验曲线中趋于平缓的拐点均比加权曲线得到的拐点靠前。由于生物质掺混量的增加能够加快试样的燃烧［8］，进而可以推测，燃烧初期试样燃烧的进行程度是影响NO 析出快慢的主要因素。生物质掺混比的增大加快了试样的燃烬程度，在燃烧初期表现出NO 析出率的升高。实验中掺混生物质加快了试样中煤粉的燃烬速度，从而也使NO 析出加速。然而加权曲线未能体现两种燃料燃烧的相互作用，因此，加权曲线中的拐点比实验曲线的拐点滞后。此外，燃烧进行600 s 后，实验所得的NO 析出率与加权所得的NO 析出率均表现出，随着生物质的掺混比增加NO 析出率下降。其可能原因包括:首先，生物质入炉后迅速释放出挥发分，挥发分燃烧又消耗了大量氧气，进而抑制了燃料氮转变成NO。其次，燃料入炉燃烧存在一定的热解作用。生物质的热解产生多种还原性气体［9～10］，使NO 还原成了N2。此外，化学表面和发生反应的表面决定了吸附氮氧化物的能力［11］，生物质的快速燃烧形成高表面积的多孔性焦炭，这种焦炭的比表面积比煤燃烧形成的焦炭比表面积大［12］，能够促进了NO 的分解。图2 呈现的另一个特征为:随着生物质掺混比的增加，实验曲线与加权曲线的差别加大，进而说明了增加生物质掺混比有助于增加煤粉与生物质NO 排放的协同作用。

2.2 温度的影响

为了探讨温度对煤粉/生物质混燃NO 排放协同特性的影响，选取800 ℃，900 ℃，1 000 ℃，对20%生物质与80%无烟煤的混合样进行了恒温下的比对实验。试样的NO 排放实验曲线与加权曲线如图3 所示。

图3 80%无烟煤与20%生物质的混合样在不同恒温条件下的NO 排放特性Fig．3 NO emission characteristics of 80% anthracite and 20% biomass co-combustion at different temperatures

如图3 所示3 条NO 析出实验曲线与3 条加权曲线，温度的升高总是有助于NO 的生成。由于温度升高，燃烧反应加快［8］，进而加速了NO 析出。温度的升高使得挥发分析出后形成的焦炭孔内部压力增大，更好地吹开堵塞的灰分，进而扩大了反应比表面积，加速了燃烧，增加了燃料NO的析出。此外，温度升高有利于燃料析出的NH3和HCN 反应生成NO［13］，也是造成NO 析出率增大的原因。图3 呈现的另一个特征为:随着温度的升高，实验曲线与加权曲线的差别不断减小。比较图中各曲线的拐点可以发现，随着温度的升高拐点不断前移，从而说明煤粉/生物质混燃相互作用的时间不断缩短，推测这可能是导致实验曲线与加权曲线差别减小的主要原因。

2.3 煤种的影响

上面的研究结果部分表明，试样中的挥发分对混燃协同特性存在一定的影响。选用3 种煤(无烟煤、烟煤、褐煤)挥发分差异较大的煤种，探讨煤种对煤粉/生物质混燃NO 排放协同特性的影响。在恒温900 ℃条件下测试了80%不同煤粉分别掺混20%生物质时NO 排放的实验曲线及加权曲线，如图4 所示。

图4 在恒温900 ℃条件下80%不同煤种与20%生物质掺混的NO 排放特性Fig．4 NO emission characteristics of 80% different coal and 20% biomass co-combustion at 900 ℃

如图4 所示，3 种煤粉掺混生物质，实验得到与加权得到的NO 析出率差异显著。例如，褐煤掺混生物质得到的NO 排放实验曲线始终滞后于加权曲线，而无烟煤掺混生物质呈现的现象却刚好相反，烟煤位于二者之间。结合3 种煤粉的工业分析(表1)，褐煤的挥发分含量最高，无烟煤的挥发分含量最少，进而可以推测，褐煤掺混生物质后，由于生物质挥发分的迅速析出，造成局部压力增大，对褐煤挥发分的析出存在一定的阻碍作用，从而抑制了NO 析出。而无烟煤挥发分含量最低，受到抑制作用很弱且掺混生物质后能使试样的燃烧加速明显，从而表现出对NO 的析出的促进作用。由于加权曲线未能体现煤粉与生物质间的相互抑制与促进作用，进而产生了上述差异。

3 结论

通过管式炉实验系统对煤粉/生物质恒温混燃进行实验，探讨了掺混比、温度及煤种等因素对煤粉/生物质恒温混燃NO 排放协同特性的影响规律。研究表明，随着生物质掺混比的增加，燃烧初期的NO 析出加快，NO 排放曲线呈现的拐点前移，最终NO 析出率降低;温度的升高总是有助于NO 的生成。随着温度的升高，煤粉与生物质NO 排放的相互作用逐渐减弱;掺混生物质，能够抑制挥发分含量高的煤种NO 排放，对挥发分含量低的煤种表现出促进NO 排放。

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