富氧气氛下生物质/煤恒温混燃NO释放特性

2015-06-21王哲冯涛黄星智邵欢郭泰成王春波

电力建设 2015年11期

关键词：富氧阳泉玉米芯

王哲，冯涛，黄星智，邵欢，郭泰成，王春波

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北省保定市071003；2.华北电力科学研究院(西安)有限公司，西安市710065)

富氧气氛下生物质/煤恒温混燃NO释放特性

王哲1，冯涛2，黄星智1，邵欢1，郭泰成1，王春波1

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北省保定市071003；2.华北电力科学研究院(西安)有限公司，西安市710065)

为了明晰富氧燃烧、生物质/煤混燃共同作用下NO释放规律，利用自制等温热重及污染物同步测量系统，在富氧气氛下对生物质/煤混燃过程中NO的释放规律进行了研究，探讨了气氛、温度、生物质掺混比、煤种和生物质种类对NO释放的影响规律。结果表明:O2浓度为21%时，阳泉煤掺混20%玉米芯样品在富氧气氛下NO双峰和转化率均小于空气气氛；随氧浓度升高，NO释放速率曲线由双峰变为单峰，样品NO转化率增大；随玉米芯掺混比增加，NO转化率呈下降趋势；随温度升高，样品NO转化率增大；煤掺混玉米芯后，NO转化率均有降低，阳泉煤在掺混生物质后NO转化率均有下降。

富氧气氛；生物质/煤混燃；恒温混燃；NO释放特性

0 引言

煤燃烧过程中产生大量CO2和NOχ，对人类的生产和生活影响严重，燃煤电站大气污染物高效脱除与控制成为能源领域必须解决的热点与难点[1]。富氧燃烧具有烟气CO2直接液化回收的技术优势，而生物质/煤混燃发电技术是一种简单有效的利用生物质能的方法，且这2种技术均可有效减少NOχ排放[2-3]，随着国际法规对污染物排放要求不断严格，这2种技术不断引起人们的重视，发展潜力巨大。国内外学者对富氧燃烧和生物质/煤混燃污染物NO的排放规律进行了大量研究。Kimura等[4]发现煤粉在富氧燃烧方式下NOχ的释放量约为常规空气燃烧的1/3。Nsakalaya等[5]发现在富氧气氛下循环流化床锅炉中随氧浓度增加NOχ排放浓度增大，但单位煤耗NO排放量减少。Christopher等[6]发现在富氧和空气气氛下，氧浓度的增大都会导致燃料N向NOχ转化率增大，但富氧气氛下NOχ转化率略低。刘豪等[7]在管式炉上进行煤和生物质混燃的污染物排放特性实验，发现当煤分别掺烧50%的2种生物质时，燃料NOχ转变率降幅为2%～33%。Munir S等[8]在煤粉与生物质混燃实验中发现，掺烧生物质可有效降低样品NO的释放。Wang等[9]通过热重-傅里叶红外联用的方法对麦秸与煤混燃过程中的污染物释放规律进行了研究，得到了可实现污染物减排的最佳麦秸掺混比。王春波等[3]发现生物质与煤混燃时NO转化率随着生物质掺混比增大而降低，掺烧生物质对含灰量高的煤种NO减排作用较小。

目前相关研究大多是针对富氧燃烧或生物质/煤混燃单一方面的研究，而将2种技术结合起来对富氧气氛下生物质/煤混燃中污染物释放规律的深入研究少有报道。为此，本文利用自制的污染物测量实验系统，在富氧气氛下对生物质/煤混燃过程中NO的释放规律进行了研究，探讨气氛、温度、生物质掺混比、煤种和生物质种类等因素对NO释放的影响规律。

1 实验系统

图1为测量NO的系统图。利用管式炉提供恒温环境，样品燃烧时采用德国RBR公司的ecom-CN烟气分析仪对NO浓度进行实时监测。实验步骤如下:向管式炉内通入所需气氛并升温，流量为1 L/ min，校正实验表明该流量能很好的消除反应过程中气体产物扩散影响。待炉内温度达到设定温度，保温30 min。待通入气氛和温度稳定后将盛有呈薄层分布的0.2±0.005 g的试样的瓷舟快速推入炉内。试样释放的NO浓度值可实时采集并传输到计算机中。各实验工况重复3次以上，实验数据综合误差在±2%范围内。

实验采用3个煤种:阳泉煤、塔山煤和印尼煤；3种生物质:玉米芯、稻草和树皮。煤粉和生物质制备方法:将原样品磨制后筛选粒度为80～120目的收集备用。样品的工业分析、元素分析见表1。表中:Mad为空气干燥基水分；Vad为空气干燥基挥发分；FCad为空气干燥基固定碳；Aad为空气干燥基灰分；Cad为空气干燥基碳元素；Had为空气干燥基氢元素；Oad为空气干燥基氧元素；Nad为空气干燥基氮元素；Sad为空气干燥基硫元素。

图1 实验系统图Fig.1 Experimental system

表1 实验样品的工业分析与元素分析Table 1 Industrial analysis and elemental analysis of experimental samples

2 结果与分析

实验采用2个指标来分析样品燃烧NO释放规律。m(t)为NO释放速率，用来直观观察NO浓度变化情况；M(t)为NO释放量，即至t时刻，NO的释放总量；α为NO转化率，%。其计算公式为

式中:ρ(t)为t时刻烟气中的NO浓度，mg/m3；qv(t)为t时刻烟气流量，m3/s；Nad为样品空气干燥基氮含量。

2.1 气氛的影响

富氧燃烧与常规空气燃烧差异较大，且氧浓度对样品NO释放规律影响严重，为此采用4种气氛，对阳泉煤掺混20%玉米芯的样品进行了900℃下恒温燃烧实验，样品NO释放规律如图2示。

图2 9OO℃下阳泉煤掺烧2O%玉米芯NO释放规律Fig.2 NO release characteristics of 8O%Yangquan coal and 2O%corn cob co-combustion at 9OO℃

图2知，O2浓度为21%时，富氧气氛与空气气氛下的NO释放规律差异很大，这2种气氛下的NO释放速率曲线都出现了双峰，分别对应挥发分NO和焦炭NO的释放。富氧气氛下的双峰和转化率均小于空气气氛，说明富氧气氛对NO的释放有显著的抑制作用，原因是，富氧燃烧工况使气氛中存在较高含量的Chi、NH3、HCN等还原性活性基团[10]，使挥发分N的均相氧化过程减缓，同时高浓度CO2对煤焦的气化作用使得燃烧产物中存在较高浓度的CO气体，加速了煤焦对NO的还原反应[11]。

富氧气氛下，随氧气浓度升高，NO释放速率曲线由双峰变为单峰，说明样品挥发分NO和焦炭NO的释放出现重叠趋势，这是因为在低氧环境下，环境氧分压较低，氧气向煤粒表面的扩散能力较弱，挥发分的“抢氧”作用较强，NO释放速率曲线出现双峰。随着氧浓度升高，挥发分的“抢氧”作用减弱，挥发分NO和焦炭NO的释放不再有明显的阶段性。此外，随氧浓度升高，样品NO转化率增大，原因是，首先燃烧气氛氧化性随氧浓度提高而逐渐变强，还原性物质(CHi/C等)被氧化为CO2，同时HCN与NH3转化为NO的氧化反应变快；其次，燃烧气氛中氧浓度提高能够改善样品燃烧特性，使得煤粉在相同停留时间内燃尽程度增加[12]，燃料N向NO的转化率增加。

2.2 掺混比的影响

阳泉煤与玉米芯不同掺混比下的NO释放规律如图3示，气氛为恒温900℃，30%O2/70%CO2。

图3 阳泉煤与玉米芯不同掺混比下NO释放规律Fig.3 NO release characteristics of Yangquan coal and corn cob co-combustion at different blending ratios

由图3(a)可知，各样品的NO释放速率曲线只有玉米芯出现了明显的双峰。随着玉米芯掺混比的增加，NO释放速率曲线峰左移，说明掺混玉米芯提高了阳泉煤的燃烧速率，同时也加快了NO的释放速率。由图3(b)知，随玉米芯掺混比增大，NO转化率呈下降趋势，原因是，玉米芯挥发分含量较高，可以在高温下快速析出并燃烧，使得局部燃烧区域因颗粒表面大量氧气被消耗而变成贫氧区，抑制了NO的生成。此外，生物质热解析出的挥发分中含有多种还原性气体，形成还原性气氛，增强了NO向N2转化的均相还原反应。同时玉米芯燃烧过程中生成多孔性焦炭，其活性强，表面积高，强化了焦炭颗粒孔隙内NO异相还原反应[13]。

2.3 温度的影响

图4为温度对生物质/煤混燃NO释放特性的影响。样品为阳泉煤掺混20%玉米芯，气氛为30%O2/ 70%CO2。

图4 不同温度下阳泉煤掺烧2O%玉米芯NO释放规律Fig.4 NO release characteristics of 8O%Yangquan coal and 2O%corn cob co-combustion at different temperature

由图4(a)可知，不同温度下阳泉煤掺烧20%玉米芯NO释放速率曲线均出现单峰，随温度升高，峰值增大且出现时间提前，说明NO释放提前。图4 (b)易知，NO转化率随温度升高而增大，原因是，首先温度升高加快了挥发分的析出速率，同时也促进了挥发分NO的生成[14]；其次，提高温度也促进了焦炭NO的生成，焦炭燃烧过程中NO主要存在两类反应，即焦炭N氧化生成NO和NO在焦炭表面还原成N2，二者为竞争反应，随温度升高，焦炭N被氧化成NO的速率迅速加快，且温度提高使焦炭的表面黏结，比表面积减小，抑制了NO在焦炭表面的异相还原反应[15]。

2.4 煤种的影响

样品中挥发分含量对NO释放特性有重要影响，为此取3种挥发分含量差异较大的煤在900℃，30% O2/70%CO2气氛下研究不同煤种掺混20%玉米芯的NO释放规律，结果如图5。

图5 9OO℃下不同煤种掺烧2O%玉米芯NO释放规律Fig.5 NO release characteristics of 8O%different coal and 2O%corn cob co-combustion at 9OO℃

由图5(a)可知，不同煤种及其掺烧玉米芯后NO释放规律有一定差异，印尼褐煤燃烧初期的NO释放速率显著高于阳泉无烟煤和塔山烟煤。其原因为，燃烧初期NO的释放主要来自于挥发分NO，印尼褐煤挥发分含量较高且析出速率较快，在燃烧初期NO析出较快。燃烧后期NO释放速率低于另2种煤。其原因为，一方面，印尼褐煤前期大量挥发份析出燃烧消耗了大量氧气形成低氧气氛，对后续NO的形成有抑制作用；另一方面，印尼褐煤中挥发分含量较高，热解过程中挥发分的释放导致的煤焦颗粒发生二次破碎的几率增大，所得焦炭活性增强，强化了焦炭颗粒孔隙内部的NO异相还原反应[13]。此外，由图5(b)可知，3种煤在掺混玉米芯后，NO释放均提前，NO转化率均有不同程度的降低。

2.5 生物质种类的影响

阳泉煤分别掺混20%不同生物质的NO释放规律如图6示，气氛为900℃，30%O2/70%CO2。

由图6(a)可知，玉米芯、稻草和树皮这3种生物质NO释放速率曲线都出现了明显的双峰，其他样品则不明显。掺混生物质的3种样品NO释放速率峰值相比阳泉煤均有明显提前，说明生物质在促进煤粉燃烧的同时，也加快了NO的释放速率。由图6(b)知，阳泉煤分别掺混玉米芯、稻草和树皮后NO转化率均有下降，且掺混玉米芯时下降最多，这是因为玉米芯自身NO释放量较低，并且，玉米芯、稻草和树皮中玉米芯挥发分含量最高，大量挥发分在燃烧前期快速析出燃烧，消耗颗粒表面氧气，使得颗粒表面更易形成局部还原性区域，从而抑制NO的生成。

图6 9OO℃下阳泉煤掺烧不同生物质NO释放规律Fig.6 NO release characteristics of Yangquan coal and different biomass co-combustion at 9OO℃

3 结论

(1)21%O2浓度下，阳泉煤掺混20%玉米芯样品在富氧和空气气氛下的NO释放速率曲线均出现双峰，分别对应挥发分NO和焦炭NO的释放。富氧气氛下NO双峰和转化率均小于空气气氛。随氧气浓度升高，NO释放速率曲线由双峰变为单峰，样品NO转化率增大。

(2)在30%O2/CO2气氛下，煤、生物质及其混合样品的NO释放速率曲线只有玉米芯出现明显的双峰。随玉米芯掺混比增加，NO转化率呈下降趋势。随温度升高，样品NO转化率增大。

(3)不同煤种及其掺烧玉米芯后NO释放规律不尽相同，印尼褐煤燃烧初期NO释放速率显著高于阳泉无烟煤和塔山烟煤。这3种煤在掺混玉米芯后，NO转化率均有不同程度的降低。掺混不同生物质的3种样品NO释放速率峰值相比阳泉煤均明显提前。阳泉煤在掺混玉米芯、稻草和树皮后NO转化率均有下降，其中掺混玉米芯的样品下降最多。

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(编辑：蒋毅恒)

NO Release Characteristics of Biomass/Coal Co-Combustion at Constant Temperature in Oxygen-Enriched Atmosphere

WANG Zhe1，FENG Tao2，HUANG Xingzhi1，SHAO Huan1，GUO Taicheng1，WANG Chunbo1
(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China；2.North China Electric Power Research Institute(Xi，an)Co.，Ltd.，Xi，an 710065，China)

To clear the NO release law under the interaction of oxygen-enriched combustion and biomass/coal cocombustion，this paper studied the NO release characteristics during biomass/coal co-combustion process in oxygen-enriched atmosphere，and discussed the influence law of atmosphere，temperature，biomass blending ratio，coal type and biomass type on NO release characteristics，with using homemade iso-thermal TGA and pollutants synchronous measurement system. The results show that two peaks and conversion of NO in oxygen-enriched atmosphere are less than that in air atmosphere when Yangquan coal blending 20%corn cob at 21%oxygen concentration.As oxygen concentration increasing，the NO release rate curve is changed from two peaks to one peak，and the NO conversion of samples increases.As the biomass blending ratio increasing，the NO conversion shows a decreasing tendency.The NO conversion of samples increases with the temperature rising.The NO conversion decreases when coal blending corn cob；and the NO conversion decreases when Yangquan coal blending biomass.

oxygen-enriched atmosphere；co-combustion of biomass and coal；co-combustion at constant temperature；NO release characteristics

TM 621.2

1000-7229(2015)11-0135-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.021

2015-05-17

2015-08-13

王哲(1991)，男，硕士，主要从事可再生能源与清洁能源方面的研究工作；

冯涛(1989)，男，硕士，主要从事高效清洁燃烧与环境污染控制研究工作；

黄星智(1992)，男，硕士，主要从事高效洁净煤发电技术研究工作；

邵欢(1990)，男，硕士，主要从事煤的高效清洁利用与污染物排放研究工作；

郭泰成(1993)，男，硕士，主要从事煤的高效清洁利用与污染物排放研究工作；

王春波(1973)，男，教授，博士生导师，主要从事洁净煤技术与污染物控制方面的研究工作。