水葫芦和无烟煤粉混合燃烧烟气排放特性分析

刘珍荣,王俊桦,孟俊全,高成君,胡愉伟,谭 超,陈 蓉

(1.云南农业大学 机电工程系,云南 昆明 650500;2.宜宾学院 过程分析与控制四川省高校重点实验室,四川 宜宾 644000)

水葫芦作为第二代生物燃料,对于水葫芦的利用,以往主要集中于净化水质[1]、土壤修复剂[2]、饲料[3-4],随着研究的深入,发现水葫芦显示出比柚子皮[5]、荔枝壳[6]和甘蔗渣[7]更好的生物燃料特性。冯涛[8]研究了富氧气氛下生物质混煤燃烧的污染物释放特性,可加快NO的生成释放过程,NO释放总量下降。张啸天[9]研究了燃烧温度、燃烧气氛、生物质掺混对循环流化床O2/CO2燃烧过程中污染物生成机理的影响。嵇顺[10]在秸秆混煤燃烧时发现,秸秆挥发分迅速析出燃烧造成NO一次释放峰值提前而且峰陡增,同时秸秆添加比越高,燃烧释放NO总量越低。宋长忠等[11]在不同生物质种类、掺混比例和床温的试验条件下发现掺混不同生物质,SO2析出程度存在明显差异;生物质掺混比例越高,SO2排放量越小;在床温的范围内,随着温度的升高,SO2排放量逐渐增大。Parshetti G K等[12]分析了不同温度下制备的水热碳化油棕生物质(EFB)与低劣印尼煤混合燃烧,发现水热碳化后的EFB生物炭与煤和高温混合燃烧可以带来环境效益,Emad Rokni等[13]研究了煤与生和焙干生物质燃料混合燃烧产生的烟气排放,发现将两种煤与生生物质和焙干生物质混合,会降低煤的SO2和NOx的产量。Falcon R等[14]将兰萨草和柽柳与高灰分煤混燃,发现氮氧化物的排放量随着混合燃料中,生物质的比例增加而降低。L.álvarez等[15]研究生物质与煤的耦合燃烧,发现与生物质耦合燃烧除了可以提高燃尽率,降低NOx排放外,还可以降低温度峰值。在生物质的燃烧方面,对污染物排放的研究较少。在生物质掺混煤研究方面,对具有应用前景的水葫芦却少有研究。因此,本文针对生物质与煤之间协同燃烧的问题,开展水葫芦与无烟煤掺混燃烧的试验研究。

1 实验材料和方法

1.1 试验样品

试验原料为生长于昆明滇池的水葫芦(以下简称为WH)和产自河南郑州的无烟煤(以下简称为AN),将水葫芦和无烟煤通过破碎机打碎,并用筛子筛分,粒径为0～1 mm,然后用鼓风干燥机恒温干燥8 h后,用密封袋分装好后备用。根据GB/T 30732—2014、GB/T 31391—2015、GB/T 28731—2012和GB/T 28732—2012标准对无烟煤和水葫芦进行工业分析和元素分析,结果见表1。

表1 水葫芦和无烟煤的工业分析和元素分析Tab.1 Industrial and elemental analysis of water hyacinth and pulverized anthracite

1.2 试验设备

本文使用的管式炉燃烧系统如图1所示,主要包括供气部分、燃烧部分、烟气采集和分析部分。

图1 管式炉燃烧系统Fig.1 Combustion system of tube furnace

供气部分包括高压气瓶、减压阀、压力表、流量计,其中高压气瓶中为O2和N2的混合气,由气体供应商根据试验需要配制。燃烧部分包括管式炉体卧式管式电加热炉、石英管,烟气采集和分析部分包括HX-10-32型干燥过滤装置、SKY8000-M4型复合气体分析仪。首先通过供气部分向管式炉持续提供所需气体,流量为1 L/min,通过温度控制器设定试验所需温度,提前将所需试验样品放置于坩埚内,温度升高到设置温度后,将坩埚迅速推至石英管中部恒温区,试验样品开始燃烧,烟气采集装置在线采集并通过计算机实时记录烟气中的SO2和NOx浓度。

1.3 分析方法

主要对燃烧产生的SO2和NOx的排放进行测量,通过对排放气体体积分数曲线积分得到气体测定时间内的排放总生成量[16]。

(1)

式中,m为气体生成质量;t0为试验起始时刻;t为试验过程中任一时刻;c(t)为t时刻烟气中气体的质量浓度;v(t)为t时刻烟气流量。

将式(1)进行简化,得到式(2)计算生成的气体总量[17]。

(2)

式中,Ni为气体排放总量;ci为烟气中气体实时质量浓度;vi为载气量;Mi为气体的摩尔质量;t为采样时间间隔;k为采样点数量。

2 结果与讨论

2.1 不同配比对混合燃烧SO2的释放特性分析

不同掺混比物料燃烧SO2释放浓度和释放量如图2所示。

图2 不同配比燃料SO2的释放特性Fig.2 Release characteristics of SO2 with different fuel ratios

从图2(a)可知,混合物料比例为8/2燃烧时,SO2第一释放峰值浓度达到1 200×10-6,峰高而且窄,这主要是物料中以有机物状态存在的S和部分黄铁矿预热分解而成[18],之后在100 s下降到100×10-6,由于水葫芦的比例增加,所以在挥发分阶段会有更多有机硫分解,同时挥发分的快速分解消耗了大量的氧气,使得无烟煤中SO2的释放被抑制。在380 s出现第二峰值790×10-6,随后下降直到燃烧结束。混合物料中水葫芦的比例提高,增加了灰分中的有利于固定硫元素的K和Ca的含量使得SO2的释放量降低,结合图2(b)中释放量可知,此混合比例下SO2的释放量为3.81 mg。混合物料比例为5/5燃烧过程中,SO2释放第一峰相对前两者较平缓,无峰值出现宽,第二释放峰也相对平缓,根据图2(b)可知释放量为3.27 mg,由此可知水葫芦掺混无烟煤能够明显地改变彼此的燃烧特性,从而降低SO2的排放。混合物料比例3/7燃烧过程中,SO2浓度在96 s时出现释放峰值700×10-6,之后开始下降在200 s时降低到100×10-6,此后SO2浓度基本无变化,值得注意的是整个过程只出现了一个峰值,水葫芦挥发分中的木质素和腐殖酸,为反应提供巨大比表面积,对SO2有较强的吸附作用,从而抑制SO2的析出[19],此比例下SO2的释放量为12.03 mg。

2.2 不同配比对混合燃烧NOx的释放特性分析

不同配比原料燃烧对NOx的释放特性和释放量的影响如图3所示。混合物料比例为3/7燃烧过程中,NOx的浓度在50 s达到最大值450 ×10-6,之后快速下降,在110 s时下降到149 ×10-6,随后随着燃烧的进行逐渐上升在500 s时达到第二个峰值,与第一个峰相比第二峰宽而矮,随后开始下降直到600 s时结束燃烧,根据图3可知,此比例下NOx的释放量为2.162 mg。在燃烧初期挥发分中的含N化合物在受热分解形成NOx,除此之外还会形成HCN和NH3中间产物,HCN和NH3进一步经过氧化生成NO,随着燃烧进行温度升高,焦炭N开始氧化分解,由于挥发分的燃烧消耗了较多的氧气,抑制了焦炭N与氧原子的结合,造成了第二个宽而矮的释放峰的形成[20]。5/5混合比例的物料燃烧过程中,NOx的浓度在50 s达到最大峰值500 ×10-6,在150 s时NOx浓度下降到100 ×10-6,然后逐渐上升在400 s时浓度第二次达到峰值,接着随着燃烧的进行浓度下降,直到610 s燃烧结束,由图3可知NOx的释放量为2.013 mg。混合比例为4/6的物料燃烧过程中,在60 s时NOx的瞬时浓度达到第一峰值510 ×10-6,之后NOx浓度快速下降在145 s时浓度降至102 ×10-6,之后随着时间的增长,NOx浓度平缓上升,在440 s时浓度达到150 ×10-6,峰值过后随着燃烧进行在590 s燃烧结束,从图3释放量可知,此混合比例下的NOx的释放量为1.48 mg。

图3 不同配比燃料NOx的释放特性Fig.3 Release characteristics of NOx with different fuel ratios

根据以上分析可知,第1峰值阶段主要来自于挥发分氮的析出,第2峰值阶段主要来自于焦炭阶段氮的释放,由于水葫芦的挥发分高于无烟煤,而焦炭含量低于无烟煤,所以随着混合物料中水葫芦的比例升高,NOx释放第1峰值逐渐增大,第2峰宽度逐渐变窄,释放量也逐渐降低,其中物料比例为8/2的样品燃烧释放量的最低。由此可知,各混合物料中各组分对NOx的释放存在相互作用,各自的燃烧特性也发生改变。

2.3 响应面试验设计方案及结果

以往对掺混燃烧气体释放的研究往往只考虑了不同的物料以及物料掺混比例等单因素,这往往得出不同的结论,因此,为了丰富掺混燃烧的研究结果对掺混燃烧的优化研究至关重要。所以选取物料混合比例和燃烧温度为试验因素,以一氧化氮和二氧化硫的排放量作为响应值,设计2因素3水平的响应面试验,按此进行17组试验,试验结果见表2。2.4 二次回归方程及方差分析

表2 试验结果Tab.2 Test results

借助Design-Expert 13软件对试验得到的数据进行回归分析,并得到SO2排放量的二次回归模型。回归模型的P值为0.0 008,根据P<0.05表示显著的原则,表明该模型是显著的,对于失拟项的P值为0.7 099>0.05表现为不显著,R2为0.95,调整后的为0.90,表明该模型拟合较好是适合的。AB各项的P值均小于0.05,表明这几项对SO2释放量的影响显著,其他影响不显著。根据F值的大小确定对SO2释放量影响主次因素顺序为:物料比例>温度,这与P值的显著性检验的结果是一致的。

除去不显著结果后,得到对应单因素项、交互项、平方项的二次多元回归方程见式(3)所示:

Y1= 4.65+0.3 463A-0.015B-0.6 663C-1.33AB+1.43AC-0.9 897A2-0.7 922B2

(3)

式中,函数值Y1为二氧化硫排放量;因子A为物料混合比例;因子B为燃烧温度。

剔除不显著结果后,得到对应单因素项、交互项、平方项的二次多元回归方程如式(4)所示:

Y2= 1.12+0.1 050A+0.0 525B-0.3050C-0.2 725B+0.3 875AC-0.1 153B2+0.6 797C2

(4)

式中,函数值Y2为一氧化氮排放量;因子A为物料混合比例;因子B为燃烧温度。

2.5 交互作用分析

燃烧温度和物料比例的交互作用对SO2释放量的影响如图4所示。由图4可知,随着温度的升高,SO2的释放量先快速升高随后变化缓慢,随着混合比例的升高也保持同样的趋势,表明物料比例和温度两个因素交互作用对二氧化硫的排放量有显著影响,两个因素之间存在交互作用。

图4 温度与物料比例的交互作用对SO2释放量影响的响应曲面和等值线Fig.4 Response surface and contour line of interaction between temperature and material ratio on SO2 release

如图5所示为物料比例与温度的交互作用对NOx释放量的影响,在氧气浓度为40%时,随着温度的升高响应曲面的坡度逐渐变得平缓,随着物料比例的升高响应曲面保持同样的趋势,NOx的排放量随着温度和物料比例的增加缓慢增加,等高线局部呈扇形,物料比例和温度两因素之间存在交互作用,且交互作用对一氧化氮的释放量影响显著。

图5 物料比例与温度的交互作用对NOx释放量影响的响应曲面和等值线Fig.5 Response surface and contour line of interaction between temperature and material ratio on NOx release

2.6 参数优化

为实现试验条件范围下氮、硫污染物的排放量达到最低的目标,采用软件中的优化计算模块对回归方程进行求解,得到试验条件下,NOx和SO2释放量最低的条件为物料比例1.037,温度为725.72 ℃,NOx的释放量为0.545 mg,SO2的释放量为0.727 mg。

3 结论

本文利用管式炉燃烧系统进行水葫芦和无烟煤混合燃烧试验,研究了在不同物料掺混比例和不同燃烧温度,SO2和NOx的释放特性,然后以掺混比例和燃烧温度作为试验因子,以二氧化硫和氮氧化物的排放量作为响应值,进行了响应面试验分析,得出以下结论。

(1)水葫芦和无烟煤混合燃烧改变了彼此的燃烧特性,不同的物料比例下SO2和NOx的释放曲线有明显的差异,不同掺混比例的混合物料中水葫芦的比例越高,SO2和NOx的排放量越低,其中掺混比例为5/5时SO2的释放量最低,掺混比例为8/2时NOx的释放量最低。

(2)混合物料在不同温度下燃烧时,随着温度升高SO2的第1释放峰值升高,第2峰宽加宽燃尽时间逐渐提前,SO2的总释放量在900 ℃最高。700 ℃时NOx只出现1个峰值,800 ℃和900 ℃出现2个峰值,随着温度的升高NOx的第1个释放峰值升高时间提前,第2个释放峰宽度加宽,释放总量增加900 ℃时释放总量最高。

(3)响应面试验分析得到了各因素与响应值之间二次回归数学模型,确定了SO2和NOx释放量影响主次因素顺序为:物料比例>温度,分析了因素之间的交互作用,得到了SO2和NOx释放量最低的因素水平组合。