稻壳混合贫煤燃烧对SO2排放的影响

王 智，赵瑞娥

(1.湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040;2.中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

0 前言

燃煤电厂排放的SO2气体是造成大气污染的主要污染源之一［1］。降低燃煤电厂SO2的排放，是控制大气污染的有效途径［2］。近年来，西方国家研究在高硫煤中掺入生物质混合燃烧，可获得与传统干法脱硫相同甚至更好的脱硫效果［3］。我国生物质资源丰富，是仅次于煤的第二大能源［4］。因此，研究生物质混煤燃烧技术，既可充分利用能源，又可控制污染排放，具有重要社会意义和经济意义。

本文选取南方最常见的稻壳作为生物质燃料的实验样本，按不同质量比混合山西产贫煤制成实验燃料，利用循环流化床实验平台进行燃烧实验。通过测定烟气中的SO2浓度，分析稻壳混煤燃烧对SO2排放的影响。

1 实验设备及实验燃料的制备

1.1 循环流化床实验平台

图1为循环流化床实验平台简图，燃烧实验台的基本特性参数如下:

·炉膛内径:100 mm

·炉膛高度:4.0 m

·电加热段额定输出功率:4 kW

·电加热段最高温度1 000℃，常用温度850℃

·电加热段长度:500 mm

·燃煤量:≥3 kg/h

图1 循环流化床实验平台简图

该燃烧实验台炉膛和底座总高度大约5 m，设有5个烟气浓度值测孔(测孔No3与No4之间的距离为1 000 mm，其余测孔间距为500 mm)、8个热电偶插孔(插孔No7和No8间距为450 mm，No13和No14间距为400 mm，其余间距为500 mm)、两个压力测孔。烟气中SO2浓度值由传感器测得。控制柜在线显示炉内温度压力、螺旋给煤机调频、调节电加热段电压、送风机电流等数值，一二次风量返料风量由流量计控制。

燃烧实验台采用床下流态化电加热点火方式，底料为细砂，将细砂加热到700℃左右时向炉内加入燃料并鼓风即可实现燃烧。电加热段在炉体的下部，上部为燃烧段，燃烧段采用高温310不锈钢，电加热段采用优质耐高温的高强度刚玉管制作。尾部烟气管道连接水浴以降低排烟温度，返料竖管外套用水冷套管以调节进入炉内的回料。

控制台集中了所有的电压、温度仪表和大部分的控制开关。其中有总电压数显、总电流仪表、风机电流数显、电加热电流数显、螺旋输煤机电流数显及速率数显、炉膛各测点温度巡检仪以及总电源开关。

试验中采用的烟气分析仪是MSI Compact烟气分析仪。该分析仪器可直接测量的参数有O2、CO、NO、SO2等气体的浓度。烟气经取样器泵入到MSI Compact烟气分析仪，流经传感器由烟气分析仪内部的微处理机进行处理，最终由测量计算机显示。

1.2 实验燃料的制备

对比多种生物质，最终确定以南方最常见的稻壳作为此次混煤燃烧的研究对象。首先，稻壳存量大，易于区域性地收集，具有现实应用的意义。其次，稻壳的体积较小，经过简单的粉碎和筛选就可与煤粉混合使用，不用在粉碎和筛选环节花费过多的人力物力。再次，稻壳的含水量较小，经过自然干燥就能达到实验要求。煤种则选择常见的山西产贫煤作为研究对象。将稻壳碎片与烟煤按不同的质量比例混合，制成此次实验的燃料。一共配制了7种质量比的混合燃料备用，其中稻壳所占混合燃料的质量比分别为:5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%。稻壳和贫煤的工业分析见表1。

表1 燃料工业、元素分析表

2 实验数据及分析

2.1 SO2的排放量与混合燃料中稻壳所占比重的关系

通过实验测得的数据，烟气中SO2的排放量与混合燃料中稻壳所占比重的关系见图2。

图2 850℃时SO2排放量与稻壳所占比重关系曲线图

从图中可看出，当燃烧温度恒定在850℃时，SO2的排放量随着燃料中稻壳所占比重增加而降低。其中在谷壳的掺混比例在0%到10%之间SO2的体积浓度下降最为显著，从630 μL/L下降到300 μL/L，在10%到20%之间次之，从300 μL/L下降到180 μL/L，在20%到100%之间SO2的体积浓度下降的相对缓慢，从180 μL/L下降到70 μL/L。可见，稻壳的加入可明显降低贫煤燃烧时的SO2排放量，但燃料中稻壳所占比重超过40%后，对于控制SO2的排放意义不大。

究其原因，首先，随着稻壳的掺混比例增加，燃料中S的含量降低［5］。其次，稻壳灰分中含有碱土金属的氧化物，它们能够与SO2反应生成硫酸盐，起到固硫剂的作用［6］。

2.2 SO2的排放量与燃烧温度的关系

由于稻壳的掺混比例在0%到20%之间SO2的体积浓度下降的最为明显，因此选择稻壳和煤粉的质量比为10%和20%的两种混合燃料作为实验对象，以纯煤燃料作为实验参照。根据实验数据绘制的SO2的体积浓度与燃烧温度的曲线图见图3。

图3 SO2排放量与燃烧温度关系曲线图

从图中可看出:首先，相同温度下，SO2的体积浓度随着稻壳掺混比例的升高而降低。这也验证了上面得出的结论。其次，SO2的体积浓度随着燃烧温度的升高而提高。出现这种结果的主要原因有以下几点:

(1)生物质的挥发分含量较大［7］，在燃烧初期，挥发分大量析出并燃烧，消耗了大量氧气，降低了氧气浓度，从而抑制了SO2的生成。

(2)生物质燃料含 CaO、MgO、K2O、Na2O 等碱金属矿物质［8］，能够与SO2反应生成硫酸盐，从而减少了SO2的排放。研究表明，生物质灰分中的碱土成分可部分捕获SOx，其减排量能达到7%［9］。

(3)生物质本身具有一定的木质素和腐植酸［10］，它们具有巨大的比表面积，对SO2有较强的吸附能力，延缓了SO2的析出速度。

3 结论

通过实验数据的分析，可得出以下结论:

(1)贫煤掺烧稻壳后，烟气中的SO2排放量显著降低。随着稻壳所占比重的增加，燃烧生成的SO2体积浓度逐渐下降。特别是稻壳的掺混比例在0%到20%之间SO2的体积浓度下降的最为明显。

(2)SO2的排放量随着燃烧温度的升高而增加，在650℃到850℃之间SO2的体积浓度增加的较为平缓，在850℃之后增加较快。可见，控制SO2排放的关键在于控制燃烧温度。

(3)虽然混合燃料中稻壳所占比重越高SO2的排放量越低，但是生物质燃料热值较低，掺烧过多不利于锅炉的稳定运行。因此，建议实际运行中，生物质燃料所占比重应控制在10%到20%之间。

［1］张肖肖，杨冬，张林华.生物质与煤混燃燃烧特性研究进展［J］.节能技术，2011，29(6):483 －485，494.

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［5］孙宏伟，吕薇，李瑞扬.质燃烧过程中的碱金属问题研究［J］.节能技术，2009，27(1):26 －28.

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