生物质燃烧烟气排放特性与污染物控制分析

2019-7-8 16:29 来源: 生物质颗粒交易网

进风系统对烟气污染物排放的影响


1、风量配比的影响

送风配置主要包括一二次进风口的位置排布以及二次风比例的设置。在送风位置排布上,一次风大部分是从燃烧室(炉膛)底部进入,提供生物质热解气化和固定碳燃烧所需要的氧气。二次风通常从距离炉排上方一定高度的二次进风口进入燃烧室,主要提供挥发分燃烧所需的氧气。在生物质颗粒燃烧器炉膛中部送二次风的情况最好,比炉膛尾端和燃烧器出口送风更能增加氧气流与火焰的混合扰动,CO的燃烧更加充分。Pawlak-KruczekH等研究富氧燃烧环境下生物质混煤烟气排放特性,发现NOx的排放主要受燃料中挥发分含量、空气分布以及锅炉或燃烧器配置的影响。在富氧燃烧环境OEA30(30%O2/70%CO2)下研究生物质燃烧烟气排放特性时发现当氧气加入到富氧燃烧室的一次进风口时,产生更低的SO2和NOx的排放量。当氧气加入到富氧燃烧室的二次进风口时,有更多的挥发分析出氧化,产生更多的SO2和NOx排放量。因此针对不同燃烧器合理设计送风口的位置,对有效减少烟气污染物的排放十分重要。

二次风比例是指二次进风量与总风量的比值。二次风比例过大容易造成一次风不足,挥发分析出受到影响。如果比值过小,就会导致挥发分与二次风混合效果差,发生缺氧燃烧,同样会有污染。罗小金研究生物质颗粒燃烧时一、二次风量配比率对烟气中CO浓度的影响,结果表明:随着一、二次风量配比率在30%~60%增加时,CO生成量先减少后增大,NOx的生成量先增加后减少,在配比率达到50%时,CO的生成量达到最小值505mg/Nm3,此时的工况最佳,氧量既能保证与燃料的充分燃烧又不降低炉内温度。杨国锋研究生物质颗粒燃烧烟气排放特性时发现随着二次风比例在0.3~0.7增加,CO浓度呈现先降低后增加的变化趋势,NOx含量呈现先降低后增加又降低再增加的“W”形变化趋势。在二次风比例为0.3时,CO含量出现最大值193mg/Nm3,此时挥发分较多,而通入风量较少,含量严重不匹配。在二次风比例为0.7时,NOx的含量达到最大值71.8mg/Nm3。在二次风比例达到0.4时,烟气中CO含量波动最小并达到最小值65mg/Nm3,NOx的含量也达到最小值9.2mg/Nm3。Kortelainen M等研究分批输送燃烧的锅炉时发现当二次风量减少,不完全燃烧会加剧,CO排放量增加。在充分燃烧情况下,增加二次风量同时减少一次风量会显著降低CO以及颗粒物的排放。总之,二次风比例在适当范围内增加时有利于减少烟气中污染物的排放。

新型送风配置能有效减少烟气污染物的产生。Ndibe C等提出空气分级燃烧技术,将下降管反应器分级送风,将燃烧室分为富燃料区(缺氧)和贫燃料区(富氧)。在缺氧区,析出的挥发分(NH3、HCN)得不到充分的氧气而转变为N2,之后的富氧区充分燃烧未燃尽的碳氢化合物。Messerer A等提出了热回收燃烧技术,从生物质燃烧废气中回收热量,热量回收率有75%~90%,而且微粒沉积效率达到95%,有效地减少了烟气中颗粒物的排放。

2、过量空气系数的影响

过量空气系数是指燃烧过程中单位质量燃料实际消耗的空气量与理论需要消耗的空气量之比,也是衡量总体燃烧效率的一个重要指标。过量空气会将燃烧堆中的热量带到燃烧室外,如果过量空气系数过大,不仅减低炉膛温度而且将大部分挥发分直接带人烟道导致烟气中污染物排放过高,如果过量空气系数过小,又会出现可燃气体不完全燃烧同样会增加污染物的排放。颗粒燃烧炉CO与NO的生成都明显受到过量空气的影响,对于每一种燃烧器总能找到最优的过量空气区间范围以保证CO与NO的排放量最低。

Roy MM等研究发现CO的排放主要受燃烧器内混合气浓度、燃烧温度以及燃气在燃烧区滞留时间等影响,过量空气系数越大,缺氧燃烧现象越容易被改善,生物质成型燃料燃烧排放的CO量越低。杨国锋在研究生物质颗粒燃料燃烧时发现,随着过量空气系数在2.3~2.7增加,烟气中CO的含量呈现先降低后增加的趋势,当过量空气系数为2.6时,CO含量达到最小值107mg/Nm3,NOx含量也达到最小值53mg/Nm3。但有学者研究发现烟气中NOx含量随着过量空气系数的变化不大。Roy MM等发现过量空气对于草制成型燃料燃烧排放的NOx量影响不大。在颗粒物的排放上,张学敏等研究发现随着过量空气系数的改变,玉米秆、棉秆、木质燃料的颗粒物数量浓度都呈现单峰分布,质量浓度都呈现双峰分布。Johansson LS等在生物质成型燃料燃烧实验中,得出颗粒物排放的质量浓度随着过量空气的增加而增加的结论。综上所述,过量空气系数对CO的排放影响较为明确,不宜过大或过小,但是对NOx以及颗粒物的排放影响还有待深人研究。

3、进气流速的影响

进气流速是指单位时间内通过燃烧室的空气体积大小。空气流速过大或过小都会引起烟气污染物含量的增加。空气流速增加,挥发分和空气的混合时间减少且炉温降低,NOx的排放量减小,烟度也下降。但是过高的空气流速会夹带出底部的灰粒,增加木质成型燃料燃烧排放的颗粒物质量浓度。有研究发现在较高温度(>900℃)环境下,减少空气流速,可明显降低NO的排放量。

空气流速和进料速率共同影响烟气中污染物的排放。赵欣等研究木质颗粒燃烧烟气排放特性时发现在小负荷(进料量3kg/h)下,空气流速(7~8m/s)增加时,挥发分和空气的混合时间减少且炉温降低,NO生成量减少,但在高负荷(5kg/h)下,NO的生成量均随空气流速的增加而增加。可见,综合考虑空气流速与进料速率才能找到较优的工况。

4、氧气浓度的影响

氧气浓度对NO以及颗粒物的排放有很大影响。氧气浓度增加时,燃烧气氛的氧化性更强,使得挥发分N更容易向NO转变。刘海泽在富氧条件下燃烧稻壳和秸秆,发现随着氧气体积分数的增多,两种生物质颗粒的NO释放量也增加,所以相对低的氧气体积分数有利于抑制NO的生成。陈国华等用工业锅炉使用较多的木质成型燃料作为研究对象,结果表明在温度较高(>900℃)时,减少空气量的供给,可明显降低NO排放量和燃料N转化率。Pawlak-Kruczek H等发现富氧燃烧环境下的氧气浓度越大,SO2的排放量越大。在烟气颗粒物的排放上,高氧气浓度反而有利于减少烟气中的颗粒物含量。vi-cente ED等发现给流化床反应器提供高浓度的氧气能形成较低的PM2.5排放。因此,一般情况下,增大氧气浓度,NO排放量会增加,而颗粒物的排放量会减少。

当使用混合燃料燃烧时发现,氧气浓度过多或过小,烟气中NOx的排放量都会较低。谢敬思在炉温900℃的富氧燃烧环境下研究各生物质(稻秆、麦秆、玉米秆)与煤30%配比混合燃烧时发现,随着氧气浓度在21%~50%范围提高,SO2与NO生成量以及转化率均增大。孙俊威等使用稻壳与松木屑混合燃烧时发现,生成的NOx排放量随着氧气浓度(2%一7%)的增加而增加。因此,应在中间范围内寻找最少污染物排放量的氧气浓度。

氧化氛围对生物质燃烧烟气污染物(CO)排放也会产生影响。刘海泽研究炉温900℃环境下的木屑颗粒和稻壳颗粒燃烧烟气排放特性时发现O2/N2的气氛下几乎不生成CO,而在O2/CO2的气氛下,生成大量的CO,但是O2/N2的气氛下NO释放总量远高于O2/CO2的气氛。所以采用O2/N2燃烧有助于减少烟气中CO的排放量,采用O2/CO2气氛燃烧能有效减少NO的排放量。因此,氧化气氛如何合理选择也需深入研究探讨。

5、炉温的影响

炉温受送风方式、过量空气系数以及空气流速等的综合影响。一般来说温度越高,氧气消耗燃烧速率越快,CO、NOx以及SO2排放量越多。研究发现NO的生成与挥发分中NH3和HCN随温度变化规律直接相关。在800~900℃,NH3生成率达到稳定值,而HCN的生成率随着温度的升高而增加,故NO的排放量在该温度区间内上升。谢敬思研究了在富氧环境下燃烧生物质混煤30%配比时发现当炉温在750~900℃范围升高时,SO2与NO生成量以及转化率均提高。Alattab KA等在多孔介质燃烧器中研究生物质成型燃料的烟气排放特性,结果表明当空气一燃料混合燃烧的温度下降时,生成的CO略有减少。在富氧燃烧环境下,刘海泽发现稻壳和秸秆颗粒燃烧释放的NO总量随着温度(800~1000℃)的升高而增加,对于秸秆颗粒来说,温度越高,NO释放总量的增长程度越大,但对稻壳颗粒来说温度越高,增长程度越小。但是高温对颗粒物的排放不一定是增加效应,Hosseini S等在缺氧燃烧器中研究生物质燃料时发现较低温颗粒物的排放量上升。总之,要避免生物质在最高污染物排放量的炉温下燃烧。

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