生物质气与煤混合燃烧污染物排放特性研究

张小桃，贾耀磊，卢 毅，贾 伟

(华北水利水电大学 电力学院，河南 郑州 450045)

生物质气化产生的合成气代替固体生物质和煤混合燃烧，有利于改善煤的燃烧过程，降低NOx和SOx等污染物的排放． 有关固体生物质与煤混合燃烧以及生物质气化，国内外很多学者做了不少工作［1－15］．文献［1 －4］认为混合燃烧能有效降低NOx的排放浓度;文献［5］认为，随着生物质掺混比例的增加，生物质和煤共气化的气化效率和碳转化率都有所提高;文献［9］利用Fluent 模拟生物质气和煤在流化床锅炉内燃烧，发现炉内燃烧温度和排烟温度随着生物质掺烧比例的增加呈升高趋势;文献［10］认为生物质气化过程中产生的焦油在再燃过程中分解成的高热值的烃类气体能够有效降低燃煤锅炉NOx的排放;文献［11］利用Fluent 对生物质气和煤再燃进行数值模拟，模拟结果认为，NOx的质量浓度随生物质气再燃量的增加而降低;文献［14］对生物质燃烧生成的NOx进行了过程模拟，模拟结果认为，NOx的生成量随过量空气系数和温度的增加快速增加;文献［15］认为随着空气当量比的增大，气化温度增加，热值减小，产气总量增加．目前，多数学者是对生物质气化以及固体生物质和煤混合燃烧进行研究，而对生物质气和煤混合燃烧进行研究的不多．笔者利用Aspen Plus 建立生物质气和煤混合燃烧模型，对生物质气与煤的混合燃烧过程进行模拟，研究随着燃烧温度和生物质掺烧比例变化的混合燃烧的烟气排放特性，寻找NOx和SOx的排放规律．

1 生物质气与煤混燃过程研究

1．1 生物质与煤混燃流程及模型

生物质在气化炉里气化，以空气为气化剂，生成合成气，其主要可燃成分为CO，H2，CH4等．合成气以及携带的热量一起进入锅炉，与煤粉在锅炉里混合燃烧．利用Aspen Plus 软件搭建生物质气与煤混燃过程模型，主要用到3 个操作模块:收率反应器RYIELD、平衡反应器RGIBBS 和子物流分流器SSPLIT．生物质气与煤混和燃烧模拟流程如图1 所示．

输入气化炉的生物质经预反应器RYIELD(压力为1．01 ×105Pa，温度为25 ℃)裂解为H2O，C，H2，O2，N2，S 和灰分，进入气化反应器RGIBBS(绝热，压力为1．01 ×105Pa)与空气2(压力为1．01 ×105Pa，温度为25 ℃)反应，生成物经气固分离器SSPLIT 分离．气化后的生物质气(GASES2)进入模块RGIBBS 和煤混合燃烧． 生物质气和煤混合燃烧过程的收率反应器RYIELD 设置条件为:压力为1．01 ×105Pa，空气入口温度为25 ℃，混合燃烧过程有热损失．

图1 生物质气与煤混和燃烧模拟流程

在用Aspen Plus 模拟生物质气化和煤混合燃烧过程中，作以下假设:①气化过程为绝热过程，混合燃烧过程有热损失;②生物质颗粒和气化剂、生物质气化气和煤在炉内瞬间完全混合;③燃烧过程中燃料和氧分布均匀;④生物质中的灰分为惰性物质，在气化和燃烧中不参与反应．

物性方法:Aspen Plus 建模中，对于煤燃烧系统，Aspen 推荐了PR－BM 和RKS －BM 2 种物性方法．由于这2 种物性方法的计算结果没有明显差别，这里选择PR－BM 模型．

1．2 燃料成分

选取松木为气化原料，煤种为某地烟煤，燃料的成分组成及低位热值见表1．

表1 松木、煤的工业分析和元素分析(干燥基)

1．3 生物质气与煤混合燃烧污染物生成理论

从表1 可以看出，生物质中氮硫的含量很低，并且生物质挥发成分高，能够使生物质和煤混合燃烧后NOx排放量降低，SOx排放量也按掺混的比例而减少相应的比例． 生物质气里含有大量的还原剂CHi和碳氢化合物，且生物质气中含有大量的焦油，焦油在高温下分解成小分子气体，这些小分子气体也对NOx的还原起到促进作用．

NOx的生成主要有3 种类型:燃料型NOx、快速反应型NOx和热反应型NOx．

燃料型NOx主要是燃料中氮在燃烧过程中氧化而形成的，在一般的燃烧条件下，挥发分N 中最主要的氮化合物是HCN 和NH3［7］，燃料中的氮在热分解温度800 ～1 100 ℃时，氮化物HCN 和NH3通过均相反应生成NOx，主要发生以下反应:

快速型NOx是由燃料挥发物中的碳氢化合物在高温下分解生成的CH 自由基和空气中氮反应生成的HCN 和N，再进一步与氧作用以极快的反应速率生成NO，它的生成与温度关系不大，并且生成的量也极少．

热反应型的NOx是由于燃烧助燃剂空气中的N2在高温下氧化而产生的氮氧化物，该生成机理是由前苏联科学家捷里道维奇提出来的，其NO 生成速度表达式如下［16］:

式中:［O2］、［N2］、［NO］分别为O2，N2，NO 的浓度，mol/cm3;T 为绝对温度，K;t 为时间，s;R 为通用气体常数，J/(mol·K)．

由于生物质中含硫极少，所以烟气中的SO2和SO3主要来自煤的燃烧．随着燃烧温度的升高，氧的离解速度提高，氧的浓度升高，且发生氧和SO2反应生成SO3．但SO2的氧化反应是放热反应，尽管温度升高能增加其反应速率，却会使SO2向SO3的转化率下降，抑制SO3的生成，所以最终SO3浓度下降，SO2浓度上升［16］．

2 结果与分析

2．1 生物质气成分及低位热值

在生物质气化模拟过程中，定义空燃比为空气和生物质燃料质量流量的比值． 对生物质气化影响的主要因素之一是空燃比．随着空燃比的增大，气化温度上升，生物质气的成分及热值也会随着变化．生物质气特性见表2．

表2 生物质气特性

2．2 生物质气和煤混合燃烧结果分析

2．2．1 燃烧温度对混合燃烧污染物排放的影响

燃烧温度对烟气的成分及排放量有着重要的影响，下面以松木的掺烧比例为30%、含水率为10%的工况下的生物质气和煤在不同温度下混合燃烧，燃烧温度设定为700 ～1 700 ℃，分析NOx和SOx的排放量随燃烧温度的变化，结果分别如图2 和图3所示．

图2 NOx 排放量随燃烧温度的变化

图3 SOx 排放量随燃烧温度的变化

由图2 可以看出，温度对燃料NOx的排放影响很大，且以NO 的排放为主．当温度为1 100 ℃以下时，NOx随温度的升高变化不大，但当温度在1 300 ℃以上时，NOx的排放量随着温度的升高迅速升高，1 100 ℃时NO 的摩尔体积分数为5．63 ×10－3%，1 700 ℃时其体积分数为0．124%，增加了近21 倍;1 100 ℃时NO2的体积分数为1． 32 × 10－5%，1 700 ℃时其体积分数为3．55 ×10－5%，增加了近2 倍．

因为当温度小于1 100 ℃时，主要是燃料中的氮被氧化成NOx，所以NOx的生成量很小;当温度超过1 100 ℃时，NOx的生成量快速上升，这是因为热反应型的NOx生成的缘故．

由图3 可以看出:随着燃烧温度的上升，SO2和SO3生成的趋势正好相反，SO2增多，SO3减少，并且SO2的排放量在1 300 ℃之后就趋于平缓．700 ℃时SO2的体积分数为0．105 4%，1 700 ℃时其体积分数为0．111 4%，增加了5．7%;700 ℃时SO3的体积分数为6． 25 × 10－3%，1 700 ℃时其体积分数为5．24 ×10－5%，降低了99．2%． 其结果和文献［16］描述的一致．

2．2．2 生物质掺混比例对燃烧产物的影响

生物质掺混比例定义为生物质的质量占生物质和煤总质量的百分比． 选取含水率为10%的松木，掺混比例为0%，10%，20%，30%的生物质气和煤混合燃烧，燃烧温度设置为1 300 ℃．混燃过程污染物的排放结果如图4 所示．

图4 NO，NO2，SO2，SO3 排放量随生物质掺混比例的变化

由图4 可以看出，主要污染物NO，NO2，SO2，SO3排放量随生物质掺混比例的增加而逐渐减少，且以NO，SO2的排放量占主要部分． 生物质掺混比例由0%增加到30%，SO2体积分数由0．12%降低到0．11%，下降了5．4%;NO 的体积分数由0．17%降低到0．07%，下降了58．2%;NO2的体积分数由1．82 ×10－4%下降到3．22 ×10－5%，下降了82．2%;SO3的体积分数由2． 73 ×10－4% 下降到1． 09 ×10－4%，下降了59．8%．

3 结 语

基于Aspen Plus 模拟软件对生物质气化以及生物质气与煤混合燃烧过程进行数值模拟． 生物质气化过程中，随着空燃比的增大，合成气的低位热值降低，合成气成分主要以CO2，CO，H2O，H2，CH4，N2等为主;当生物质气和煤按一定的掺烧比例在不同温度下混合燃烧，随着温度的升高，NOx排放量逐渐升高，SO2排放量升高到一定浓度后，逐渐趋于平衡，SO3排放量减少到一定浓度后趋于平衡;在锅炉温度一定时，随着生物质掺烧比例的增加，NOx和SOx的体积分数是降低的．因此，生物质气与煤混合燃烧有利于减少污染物的排放．

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