生物質(zhì)混燃與空氣分級對NOx排放的影響

第44卷第5期熱力發(fā)電Vol 44 No 52015年5月THERMAL POWER GENERATIONMay 2015生物質(zhì)混燃與空氣分級對NO-排放的影響魏剛',樊孝華1,王毅斌2,王學(xué)斌2,李艷2,譚厚章2(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,河北石家莊050021;2.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,陜西西安710049)要]在一維沉降爐中進(jìn)行了生物質(zhì)(麥稈、木屑)與煤粉的純燒、混燒實(shí)驗,并研究了然種類(lèi)、混燃比例、空氣分級等不同因素對燃燒產(chǎn)生的NO和CO含量沿煙氣流動(dòng)方向的分布規律以及飛灰含碳量的影響。結果表明:純燒生物質(zhì)和煤粉時(shí),NO含量沿煙氣流動(dòng)方向先增大后減小,煤粉燃燒產(chǎn)生的NO含量大約是麥稈和木屑燃燒產(chǎn)生的2~3倍;煤粉燃燒產(chǎn)生的CO含量隨煙氣流動(dòng)先增加后減少,而生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的CO含量則逐漸減小;分級風(fēng)量的增加并不能改變沿煙氣流動(dòng)方向上NO和CO含量的變化趨勢,但能對燃煤產(chǎn)生的NO具有較強的減排能力。當生物質(zhì)與煤粉混燃時(shí),NO排放量隨麥稈混合比例的增加而逐漸減小,但當混合比例增至40%以后,繼續增大生物質(zhì)比例對NO減排作用影響很小;當麥稈比例達到40%以上、分級風(fēng)量達到20%時(shí),空氣分級對NO減排的影響較小[關(guān)鍵詞]生物質(zhì);煤粉;混燃;空氣分級;NO排放[中圖分類(lèi)號]TK16[文獻標識碼]A[文章編號]1002-3364(2015)05-000705[DOI編號]10.3969/j.issn.1002-3364.2015.05.007Effect of biomass co-firing and air staging on NO emissionsWEI Gang, FAN Xiaohua, WANG Yibin, WANG Xuebin, LI Yan', TAN Houzhang2(1. State Grid Hebei Electric Power Rsearch Institute, Shijiazhuang 050021, China;2. Key Laboratory of Thermal-Fluid Science and Engineering, Xian Jiaotong University, Xi'an 710049, China)Abstract: Combustion of biomass (straw and wood)and coal was investigated in a drop tube furnace. More-over, factors like mixing ratio and air staging on emissions of No and Co along the flue gas flow directionwas analyzed. Also, the unburned carbon content in fly ash was investigated. The results show that, alongthe flue gas flow direction, the NO concentration increasedthen decreased slowly for pure combustion of both biomass and coal, and the No emission from straw or wood combustion only accounted for about 1/3 or 1/2 of that from coal combustion. The CO content during coal combustion increased first andthen decreased, while that during the biomass combustion reduced gradually. Increasing the staging airquantity had little influence on variations of the NO and CO concentration but can reduce the NO emissiondramatically for coal combustion For co-combustion of the biomass and coal, the NO emission reducedgradually with the increasing mixing ratio, but when the mixing ratio increased to over 40 %, increasing thebiomass proportion had little effect on NO reduction. When the straws proportion and the staging air volume reached over 40% and 20% respectively, staging air had little influence on NO emission.Key words: biomass, coal, co-firing, air-staging, NO,生物質(zhì)的揮發(fā)分較高,一般為50%~90%,與煤還原。另外,生物質(zhì)焦炭具有高孔隙率的特點(diǎn),其對粉混燃時(shí)會(huì )發(fā)生搶氧現象,在局部燃燒區域形成還原NO2也具有高效的還原性能。因此,生物質(zhì)燃料被普氣氛,有利于CO、H2,CH以及焦炭等組分對NO的遍認為是控制NO排放的混燃或再燃燃料。收稿日期:2014-10-08中國煤化工基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(51306142;51376147)作者簡(jiǎn)介;魏剛(1973—),男,高級工程師,主要研究方向為電站污染物控制CNMHGE-mail:771734367@qg.com熱力發(fā)電2015年許多學(xué)者致力于研究生物質(zhì)混燃比例對煤粉燃優(yōu)勢,因此本文在一維沉降爐內研究了燃料種類(lèi)混燒過(guò)程中NO排放的影響。劉豪等在一維爐中進(jìn)燃比例分級風(fēng)量對生物質(zhì)與煤混燃過(guò)程中NO和行了生物質(zhì)與煤粉混燒實(shí)驗,發(fā)現當生物質(zhì)摻混比例CO的排放特性以及飛灰含碳量的影響以對實(shí)際為50%時(shí),NO2轉變率可降低約30%并且NO2的工程提供借鑒。降低程度與生物質(zhì)種類(lèi)密切相關(guān)。杜欣2對400t/h鍋爐內生物質(zhì)與煤的混燃進(jìn)行了數值模擬結果發(fā)現1試驗方法隨麥稈混燃比例增加,NO排放量下降;當麥稈混燃1.1燃料特性比例為40%時(shí),NO排放量比煤?jiǎn)为毴紵档土吮疚乃捎玫娜剂辖M成為:純煤以及生物質(zhì)與45%,而且添加玉米稈對NO的還原率較添加麥稈煤的混合物煤種為華庭煙煤,R9=23%;生物質(zhì)為高。 Munir等人3研究發(fā)現在空氣分級與未分級的陜西寶雞的小麥秸稈和木屑。試驗前,先將生物質(zhì)情況下添加生物質(zhì)均能降低燃煤過(guò)程中NO2排放破碎研磨成300m以下的碎屑在105℃干燥量同時(shí)還能促進(jìn)煤粉燃盡,在分級風(fēng)量和生物質(zhì)混24b后備用。將生物質(zhì)燃料與煤分別制粉并按照試燃比例均為10%時(shí),NO2可減排約50%。驗所需比例機械混合后保存待用,試驗前需對樣品由于生物質(zhì)混燃與空氣分級均能不同程度地減再進(jìn)行干燥。試驗用燃料的工業(yè)分析及元素分析見(jiàn)少燃煤過(guò)程中NO2的排放量,并且具有較低的成本表1衰1燃料的元章分析與工業(yè)分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of biomass and bituminous coal工業(yè)分析/%燃料元素分析/%發(fā)熱量Qnt,d/Ad(MJ·kg-1)麥稈10.096.5079.3317.384.703.430.81木屑1.430.7082.6315.5150.654.460.2643.800.140.05419.31煙媒7.8820.6538.1345.2366063.120.698.980.510.01323.0312試驗系統D100mm,從上往下分為4個(gè)區段,4個(gè)區段分別獨試驗系統如圖1所示,主要由送風(fēng)系統、給粉系立控溫燃燒試驗過(guò)程中4個(gè)區段的溫度均穩定在統、燃燒系統、引風(fēng)系統以及測量系統等組成。其1150C.每區段均開(kāi)設2段取樣孔,取樣管布置中,一維沉降爐為硅鉬電加熱爐,爐膛剛玉管管徑為在取樣孔內,且與爐管機械連接ooo冷卻水出口16冷卻水進(jìn)口1一壓氣機2一流量控制閥3流量計4一次風(fēng)管5—給粉機6—取樣管7—剛玉管8—煙氣取樣管9—煙氣分析儀10—計算機11-硅鉬棒12—爐溫控制箱13一取灰口14一冷卻室15—風(fēng)溫調節閥16—風(fēng)機入口閥17—引風(fēng)機圖1試驗系統中國煤化工Fig. 1 The drop tube furnace experimentalCNMHGhttp:/www.rlfd.comcnhttp://rlfd.periodicalsnet.cr第5期魏剛等生物質(zhì)混燃與空氣分級對NO2排放的影響1.3試驗方法麥稈和木屑在燃燒初期產(chǎn)生的CO含量均遠大于煙分別進(jìn)行了煙煤、麥稈、木屑純燒及煙煤與2種煤,而煙煤的揮發(fā)分在第2測孔處才得到最大釋放。生物質(zhì)混燒的試驗,研究生物質(zhì)種類(lèi)、摻混比例、主綜上可知:生物質(zhì)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生低NO濃度次風(fēng)比例等不同因素對NO和CO排放以及燃燒效的主要原因是由于其在燃燒過(guò)程中釋放大量的還原率的影響。試驗選取麥稈的摻混比例為0%,20%,性物質(zhì)(如CO,CH1,H2等)會(huì )與燃料產(chǎn)生局部搶氧作用,在燃料周?chē)纬蛇€原氣氛而導致NO較難形20%,30%,分級位置選取第4取樣口.待燃燒穩定成,或者已生成的NO會(huì )被CO等氣體還原成N;后利用煙氣分析儀沿爐膛方向在8個(gè)取樣口內對另一方面是由于生物質(zhì)在燃燒初期釋放大量揮發(fā)煙氣成分進(jìn)行測量分析,并在每個(gè)取樣口停留5min分,導致燃料孔隙面積明顯增大,增加焦炭與NO接以上?；以游恢迷诘?取樣口。為保證變工況觸機會(huì ),使更多的NO得到還原。雖然煙煤在后期下測量數據的可比性,所有工況均維持過(guò)量空氣系釋放的CO多于生物質(zhì),由于CO量較少,對NO的數為1.2。影響并不很大。2.2生物質(zhì)/煤粉混燒比例對沉降爐中NO和CO2試驗結果分析排放的影響2.1燃料種類(lèi)對沉降爐中NO和CO排放的影響生物質(zhì)與煤粉混燒比例對NO與CO排放濃度純燒麥稈、木屑和煤沿沉降爐高度NO及CO的影響如圖3所示。的濃度變化如圖2所示。20%麥稈+80%煙煤40%稈+60%煙350300平80%麥稈+20%煙煤煙煤250e200測點(diǎn)位置測點(diǎn)位置a)NO濃度a)NO濃度3500350020%麥稈+80%煙煤煙煤40%麥稈+60%煙煤80%麥稈+20%煙煤1500世1500810001000500測點(diǎn)位置測點(diǎn)位置b)CO濃度b)CO濃度圖3生物質(zhì)與煤粉混燒比例對NO和CO排放濃度的影響圖2純燒麥稈、木屑和煤沿沉降爐高度No和Co濃度變化Fig 3 Effect of co-firing of biomass and coalFig 2 NO and CO concentration along the furnace heighton No and CO emissiondirection during coal/straw/wood combustion由圖3a)可見(jiàn),測點(diǎn)1為NO的初始析出階段,由圖2可見(jiàn):在一維爐燃燒過(guò)程中,純燒煙煤產(chǎn)在此階段NO的釋放規律與麥稈的摻混比例有很大生的NO含量在整個(gè)燃燒段約為麥稈和木屑的2關(guān)系,即麥稈合量越產(chǎn)NO量雄少,麥稈含量3倍,該結論與文獻[1]中所述的生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生低越低,NO釋中國煤化小揮發(fā)分含量NO濃度是由于自身N含量較低的觀(guān)點(diǎn)不太相符;以及自身含有,MA,JCNMH初期階段麥http:lwww.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicalsnet.cn熱力發(fā)電2015年桿釋放的大量揮發(fā)分,對NO的形成有一定抑制作用,并且燃料中含有的大量K,Na,Ca等金屬元素形成的化合物對焦炭還原NO有一定的催化作用測點(diǎn)1與測點(diǎn)2之間仍存在NO釋放,在測點(diǎn)2處釋放量達到最大。隨后NO得到還原,排放量迅速降低。但是,在測點(diǎn)7處NO的含量基本不變。在摻混40%,80%,100%麥稈情況下,NO排放趨勢505101520253035基本相同,即麥稈含量達到40%以上,NO排放基本分級風(fēng)量%不變。這主要是因為揮發(fā)分以及焦炭基本燃燒完a)煤粉飛灰含碳量全,NO未能得到有效的還原。這與李展在循環(huán)流化床上進(jìn)行稻殼與貧煤混燒時(shí),得出的摻混比例在40%以上NO的還原效果基本不再變化的結果一致由圖3b)可見(jiàn),初始階段CO濃度與麥稈比例也存在直接關(guān)系,這是因為NO排放量與麥稈添加量有很大關(guān)系,麥稈添加量達到80%時(shí)的CO排放0-50510152025量曲線(xiàn)與純麥稈CO排放量曲線(xiàn)幾乎重合。分級風(fēng)量/%2.3空氣分級對沉降爐中NO和CO排放的影響b)麥桿飛灰含碳量空氣分級對純燒煤粉和麥稈時(shí)NO和CO濃度圖5空氣分級對煤粉和麥稈燃燒尾部灰渣中含碳量的影響Fig 5 Effect of air staging on unburned carbon content in slag以及燃燒尾部灰渣中含碳量的影響分別如圖4、圖所示。由圖4可見(jiàn),分級風(fēng)量越大,NO釋放量越小,0%燃盡風(fēng)但CO隨著(zhù)分級風(fēng)量的增加而增加,這也說(shuō)明了NO的還原率隨著(zhù)還原氣氛的增強而升高。對于煤粉燃燒,各工況最終對應的NO,NO1,NO2,NO3含量分別為220,172,164,152HL/L,即燃盡風(fēng)量越200大,最終NO排放越小。此過(guò)程中延長(cháng)了還原氣體的停留時(shí)間,提高了NO的還原率。從圖5可見(jiàn),對于煤粉燃燒,分級風(fēng)量從0%升高到10%時(shí),飛灰含碳量變化并不是很明顯。但當測點(diǎn)位置分級風(fēng)量升到20%時(shí),飛灰含碳量略有升高,即從a)NO濃度6.2%升高到6.9%。當分級風(fēng)量升高到30%時(shí),飛灰含碳量有了較大程度的升高,達到了8.5%?？?0003500見(jiàn),空氣分級燃燒一方面對NO2的減排有積極的促進(jìn)作用,另一方面也會(huì )增加飛灰含碳量。而對于麥2500稈燃燒進(jìn)行空氣分級時(shí),當分級風(fēng)量從0升高到20%,飛灰含碳量并無(wú)明顯變化。3結論1)對于麥稈、木屑和煤粉3種燃料,單獨燃燒產(chǎn)測點(diǎn)位置生的NO沿煙氣流動(dòng)方向先增加后減少,而且煙煤b)CO濃度燃燒產(chǎn)生的NO含量相同工下生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的2~3倍,中國煤化圖4空氣分級對煤粉與麥稈NO/CO濃度的影響氣流動(dòng)方向Fig 4 Effect of air staging on NO and Co formation逐漸減少CNMHGhttp:/www.rlfd.comcnhttp://rlfd.periodicals.net.cn第5期魏剛等生物質(zhì)混燃與空氣分級對NO2排放的影響2)麥稈與煤粉混燃時(shí),隨麥稈混合比例的增加,[4溫正城,王智化,周俊虎,等.金屬鈣對煤焦異相還原NO排放量逐漸減少,但當混合比例增加至40%以NO催化機理的量子化學(xué)研究[].燃燒科學(xué)與技術(shù)上,NO排放量基本不變。2009,15(6):505-5103)對于生物質(zhì)和煤粉單獨燃燒,增加燃盡風(fēng)風(fēng)WEN Zhengcheng, WANG Zhihua, ZHOU Junhu, et al.量雖不能改變沿煙氣流動(dòng)方向上的NO排放趨勢Quantum chemistry study on catalytic mechanism of ca onNO-char heterogeneous reaction[J]. 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