生物质混燃与空气分级对NOx排放的影响

第44卷第5期热力发电Vol 44 No 52015年5月THERMAL POWER GENERATIONMay 2015生物质混燃与空气分级对NO-排放的影响魏刚',樊孝华1,王毅斌2,王学斌2,李艳2,谭厚章2(1.国网河北省电力公司电力科学研究院,河北石家庄050021;2.西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室,陕西西安710049)要]在一维沉降炉中进行了生物质(麦秆、木屑)与煤粉的纯烧、混烧实验,并研究了然种类、混燃比例、空气分级等不同因素对燃烧产生的NO和CO含量沿烟气流动方向的分布规律以及飞灰含碳量的影响。结果表明:纯烧生物质和煤粉时,NO含量沿烟气流动方向先增大后减小,煤粉燃烧产生的NO含量大约是麦秆和木屑燃烧产生的2~3倍;煤粉燃烧产生的CO含量随烟气流动先增加后减少,而生物质燃烧产生的CO含量则逐渐减小;分级风量的增加并不能改变沿烟气流动方向上NO和CO含量的变化趋势,但能对燃煤产生的NO具有较强的减排能力。当生物质与煤粉混燃时,NO排放量随麦秆混合比例的增加而逐渐减小,但当混合比例增至40%以后,继续增大生物质比例对NO减排作用影响很小;当麦秆比例达到40%以上、分级风量达到20%时,空气分级对NO减排的影响较小[关键词]生物质;煤粉;混燃;空气分级;NO排放[中图分类号]TK16[文献标识码]A[文章编号]1002-3364(2015)05-000705[DOI编号]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,生物质的挥发分较高,一般为50%~90%,与煤还原。另外,生物质焦炭具有高孔隙率的特点,其对粉混燃时会发生抢氧现象,在局部燃烧区域形成还原NO2也具有高效的还原性能。因此,生物质燃料被普气氛,有利于CO、H2,CH以及焦炭等组分对NO的遍认为是控制NO排放的混燃或再燃燃料。收稿日期:2014-10-08中国煤化工基金项目:国家自然科学基金项目(51306142;51376147)作者简介;魏刚(1973—),男,高级工程师,主要研究方向为电站污染物控制CNMHGE-mail:771734367@qg.com热力发电2015年许多学者致力于研究生物质混燃比例对煤粉燃优势,因此本文在一维沉降炉内研究了燃料种类混烧过程中NO排放的影响。刘豪等在一维炉中进燃比例分级风量对生物质与煤混燃过程中NO和行了生物质与煤粉混烧实验,发现当生物质掺混比例CO的排放特性以及飞灰含碳量的影响以对实际为50%时,NO2转变率可降低约30%并且NO2的工程提供借鉴。降低程度与生物质种类密切相关。杜欣2对400t/h锅炉内生物质与煤的混燃进行了数值模拟结果发现1试验方法随麦秆混燃比例增加,NO排放量下降;当麦秆混燃1.1燃料特性比例为40%时,NO排放量比煤单独燃烧降低了本文所采用的燃料组成为:纯煤以及生物质与45%,而且添加玉米秆对NO的还原率较添加麦秆煤的混合物煤种为华庭烟煤,R9=23%;生物质为高。 Munir等人3研究发现在空气分级与未分级的陕西宝鸡的小麦秸秆和木屑。试验前,先将生物质情况下添加生物质均能降低燃煤过程中NO2排放破碎研磨成300m以下的碎屑在105℃干燥量同时还能促进煤粉燃尽,在分级风量和生物质混24b后备用。将生物质燃料与煤分别制粉并按照试燃比例均为10%时,NO2可减排约50%。验所需比例机械混合后保存待用,试验前需对样品由于生物质混燃与空气分级均能不同程度地减再进行干燥。试验用燃料的工业分析及元素分析见少燃煤过程中NO2的排放量,并且具有较低的成本表1衰1燃料的元章分析与工业分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of biomass and bituminous coal工业分析/%燃料元素分析/%发热量Qnt,d/Ad(MJ·kg-1)麦秆10.096.5079.3317.384.703.430.81木屑1.430.7082.6315.5150.654.460.2643.800.140.05419.31烟媒7.8820.6538.1345.2366063.120.698.980.510.01323.0312试验系统D100mm,从上往下分为4个区段,4个区段分别独试验系统如图1所示,主要由送风系统、给粉系立控温燃烧试验过程中4个区段的温度均稳定在统、燃烧系统、引风系统以及测量系统等组成。其1150C.每区段均开设2段取样孔,取样管布置中,一维沉降炉为硅钼电加热炉,炉膛刚玉管管径为在取样孔内,且与炉管机械连接ooo冷却水出口16冷却水进口1一压气机2一流量控制阀3流量计4一次风管5—给粉机6—取样管7—刚玉管8—烟气取样管9—烟气分析仪10—计算机11-硅钼棒12—炉温控制箱13一取灰口14一冷却室15—风温调节阀16—风机入口阀17—引风机图1试验系统中国煤化工Fig. 1 The drop tube furnace experimentalCNMHGhttp:/www.rlfd.comcnhttp://rlfd.periodicalsnet.cr第5期魏刚等生物质混燃与空气分级对NO2排放的影响1.3试验方法麦秆和木屑在燃烧初期产生的CO含量均远大于烟分别进行了烟煤、麦秆、木屑纯烧及烟煤与2种煤,而烟煤的挥发分在第2测孔处才得到最大释放。生物质混烧的试验,研究生物质种类、掺混比例、主综上可知:生物质燃烧过程中产生低NO浓度次风比例等不同因素对NO和CO排放以及燃烧效的主要原因是由于其在燃烧过程中释放大量的还原率的影响。试验选取麦秆的掺混比例为0%,20%,性物质(如CO,CH1,H2等)会与燃料产生局部抢氧作用,在燃料周围形成还原气氛而导致NO较难形20%,30%,分级位置选取第4取样口.待燃烧稳定成,或者已生成的NO会被CO等气体还原成N;后利用烟气分析仪沿炉膛方向在8个取样口内对另一方面是由于生物质在燃烧初期释放大量挥发烟气成分进行测量分析,并在每个取样口停留5min分,导致燃料孔隙面积明显增大,增加焦炭与NO接以上。灰渣取样位置在第8取样口。为保证变工况触机会,使更多的NO得到还原。虽然烟煤在后期下测量数据的可比性,所有工况均维持过量空气系释放的CO多于生物质,由于CO量较少,对NO的数为1.2。影响并不很大。2.2生物质/煤粉混烧比例对沉降炉中NO和CO2试验结果分析排放的影响2.1燃料种类对沉降炉中NO和CO排放的影响生物质与煤粉混烧比例对NO与CO排放浓度纯烧麦秆、木屑和煤沿沉降炉高度NO及CO的影响如图3所示。的浓度变化如图2所示。20%麦秆+80%烟煤40%秆+60%烟350300平80%麦秆+20%烟煤烟煤250e200测点位置测点位置a)NO浓度a)NO浓度3500350020%麦秆+80%烟煤烟煤40%麦秆+60%烟煤80%麦秆+20%烟煤1500世1500810001000500测点位置测点位置b)CO浓度b)CO浓度图3生物质与煤粉混烧比例对NO和CO排放浓度的影响图2纯烧麦秆、木屑和煤沿沉降炉高度No和Co浓度变化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由图3a)可见,测点1为NO的初始析出阶段,由图2可见:在一维炉燃烧过程中,纯烧烟煤产在此阶段NO的释放规律与麦秆的掺混比例有很大生的NO含量在整个燃烧段约为麦秆和木屑的2关系,即麦秆合量越产NO量雄少,麦秆含量3倍,该结论与文献[1]中所述的生物质燃烧产生低越低,NO释中国煤化小挥发分含量NO浓度是由于自身N含量较低的观点不太相符;以及自身含有,MA,JCNMH初期阶段麦http:lwww.rlfd.comcnhttp:/rlfd.periodicalsnet.cn热力发电2015年杆释放的大量挥发分,对NO的形成有一定抑制作用,并且燃料中含有的大量K,Na,Ca等金属元素形成的化合物对焦炭还原NO有一定的催化作用测点1与测点2之间仍存在NO释放,在测点2处释放量达到最大。随后NO得到还原,排放量迅速降低。但是,在测点7处NO的含量基本不变。在掺混40%,80%,100%麦秆情况下,NO排放趋势505101520253035基本相同,即麦秆含量达到40%以上,NO排放基本分级风量%不变。这主要是因为挥发分以及焦炭基本燃烧完a)煤粉飞灰含碳量全,NO未能得到有效的还原。这与李展在循环流化床上进行稻壳与贫煤混烧时,得出的掺混比例在40%以上NO的还原效果基本不再变化的结果一致由图3b)可见,初始阶段CO浓度与麦秆比例也存在直接关系,这是因为NO排放量与麦秆添加量有很大关系,麦秆添加量达到80%时的CO排放0-50510152025量曲线与纯麦秆CO排放量曲线几乎重合。分级风量/%2.3空气分级对沉降炉中NO和CO排放的影响b)麦杆飞灰含碳量空气分级对纯烧煤粉和麦秆时NO和CO浓度图5空气分级对煤粉和麦秆燃烧尾部灰渣中含碳量的影响Fig 5 Effect of air staging on unburned carbon content in slag以及燃烧尾部灰渣中含碳量的影响分别如图4、图所示。由图4可见,分级风量越大,NO释放量越小,0%燃尽风但CO随着分级风量的增加而增加,这也说明了NO的还原率随着还原气氛的增强而升高。对于煤粉燃烧,各工况最终对应的NO,NO1,NO2,NO3含量分别为220,172,164,152HL/L,即燃尽风量越200大,最终NO排放越小。此过程中延长了还原气体的停留时间,提高了NO的还原率。从图5可见,对于煤粉燃烧,分级风量从0%升高到10%时,飞灰含碳量变化并不是很明显。但当测点位置分级风量升到20%时,飞灰含碳量略有升高,即从a)NO浓度6.2%升高到6.9%。当分级风量升高到30%时,飞灰含碳量有了较大程度的升高,达到了8.5%。可40003500见,空气分级燃烧一方面对NO2的减排有积极的促进作用,另一方面也会增加飞灰含碳量。而对于麦2500秆燃烧进行空气分级时,当分级风量从0升高到20%,飞灰含碳量并无明显变化。3结论1)对于麦秆、木屑和煤粉3种燃料,单独燃烧产测点位置生的NO沿烟气流动方向先增加后减少,而且烟煤b)CO浓度燃烧产生的NO含量相同工下生物质燃烧产生的2~3倍,中国煤化图4空气分级对煤粉与麦秆NO/CO浓度的影响气流动方向Fig 4 Effect of air staging on NO and Co formation逐渐减少CNMHGhttp:/www.rlfd.comcnhttp://rlfd.periodicals.net.cn第5期魏刚等生物质混燃与空气分级对NO2排放的影响2)麦秆与煤粉混燃时,随麦秆混合比例的增加,[4温正城,王智化,周俊虎,等.金属钙对煤焦异相还原NO排放量逐渐减少,但当混合比例增加至40%以NO催化机理的量子化学研究[].燃烧科学与技术上,NO排放量基本不变。2009,15(6):505-5103)对于生物质和煤粉单独燃烧,增加燃尽风风WEN Zhengcheng, WANG Zhihua, ZHOU Junhu, et al.量虽不能改变沿烟气流动方向上的NO排放趋势Quantum chemistry study on catalytic mechanism of ca onNO-char heterogeneous reaction[J]. Journal of Combustion但可以明显地实现NO的减排。Science and Technology 2009, 15(6): 505-510.[5 Zhong B, Shi w, Fu w. Effect of catalysts on the No[參考文献]reduction during the returning with coal chars as the[1]刘豪,邱建荣,吴昊,等.生物质和煤混合燃烧污染物排fuel[J]. Combustion Science and Technology, 2001, 164放特性研究[J].环境科学学报,2002,22(4):484-488(1):239-251LIU Hao, QIu jianrong,wUHa,etal. Study on the[6]潘升全,谭厚章,刘潇,等大型电厂煤粉炉掺烧成型llutant emission characteristics of co-firing biomass生物质试验[J].中国电力,2010(12):51-55.and coal [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2002, 22PAN Shengquan, TAN Houzhang, LIU Xiao, et al. Ex(4):484-488perimental investigation on biomass co-firing in large[2]杜欣.生物质能与煤共燃对污染物排放影响的数值模coal-firing utility furnace [J]. Electric Power, 2010拟[D].保定:华北电力大学,2007(12):52-55.DU Xin. Numerical Simulation of the effects on the pollutant[7李展循环流化床生物质混煤燃烧及污染物排放特性Emission of Biomass co-fired coal combustion[D]. Baoding研究[D].济南:山东大学,2009North China Electric Power University, 2007.LI Zhan. 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