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生物质-煤混合燃烧SO2排放特性研究

发布时间:2021-01-10 17:21内容来源:网络整理 点击:

宋长忠,刘岩

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010000)

  摘要:在自行研制的小型循环流化床试验台上,对生物质与褐煤混合燃烧烟气中SO2排放状况进行了研究。试验选取四种不同生物质(葵花秸秆、玉米秸秆、沙柳枝条、柳树枝条)与褐煤混合,在不同生物质种类、掺混比例和床温试验条件下测定了燃烧烟气中SO2析出状况;结果表明: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;本文所选床温范围内,随着温度的升高,SO2排放量逐渐增大。

  我国作为农业大国,生物质资源丰富。农业生物质资源主要包括农作物秸秆和农业加工业废弃物,常见秸秆包括小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、葵花秸秆等。

  由于生物质具有挥发分含量高,着火温度低,含硫量低,成灰量低等特性,是一种清洁的可再生能源。随着能源利用技术的发展,生物质能的利用途径和方式得到了扩展,例如生物质直燃发电,生物质混煤燃烧发电。生物质能源的利用,一方面缓解了一次能源的消耗,另一方面减少了大气污染物的排放,是一种利用价值很高的可再生清洁能源[1-2]。生物质资源化利用中,生物质混煤燃烧具有很高的研究价值。由于生物质本身硫含量低,并且生物质本身含有一定量的碱金属元素,可以固化一部分燃烧烟气中的SO2,一定程度上减少了污染气体的排放[3-4]。本文主要研究生物质混煤燃烧的SO2排放特性,为生物质混煤燃烧污染物控制提供一定的理论依据。

  1试验

  1.1试验原料

  试验所选煤种为褐煤,生物质选择葵花秸秆、玉米秸秆、沙柳枝条、柳树枝条4种内蒙古常见种类,所有原材料均经过研磨筛分,褐煤试验用粒径选择60~80目,4种生物质试验用粒径选择40~60目,试验用混合燃料质量为40g。

  1.2试验仪器

  1.2.1循环流化床燃烧设备

  燃烧试验设备为自行研制的36kW/h小型循环流化床系统,采用电加热,如图1所示,试验设备包括送风系统、给料系统、引风系统和电加热系统。炉膛整体高度为250cm,炉膛底部布风板直径为5cm;给料系统包括料斗及电动螺旋给料机,螺旋给料的同时辅以送料风,保证给料的连续充足。通过螺旋给料机转速调节钮,可以改变给料速度;给料机的转速可调值为0~100r/min。通过转子流量计可调节送料风、一次风、二次风的大小。一、二次风以及送料风的布设位置分别为炉底布风板、炉膛中部及燃料入口处。燃烧过程中烟气冷却除尘后,利用烟气分析仪分析气体中SO2含量,烟气最后通过引风机排入大气。

  1.2.2烟气分析仪

  本试验使用的是德国德图公司生产的Testo350型烟气分析仪,主要是用来测量烟气中的SO2含量。烟气取样位置布设在烟道尾部中央,采样时间间隔为1s,通过烟气分析仪配套的实时测量软件,测得烟气内SO2的排放质量浓度。

  1.3试验数据处理

  试验数据处理方案:每20s为一个计算区间,利用公式(1)计算出所选区间内烟气中S含量。所有试验数据处理均采用引风机流量作为烟气流量,会导致计算结果偏大,但不影响试验数据规律的分析。

  2试验结果与分析

  2.1不同生物质种类条件下生物质混煤燃烧的SO2析出曲线

  试验条件为900℃恒温,试验原料选用褐煤、褐煤—葵花秸秆、褐煤—玉米秸秆、褐煤—柳树枝条、褐煤—沙柳枝条,褐煤—生物质混合燃料混合比例均为8∶2。褐煤及混合燃料总质量均为40g,试验结果如图2、图3所示。

  图2褐煤与不同生物质掺混燃烧烟气内SO2含量如图2,0~20s时间区段内,褐煤—葵花、褐煤—玉米混合燃料SO2排放量差异不明显;褐煤—柳树、褐煤—沙柳SO2排放量均低于其他3种燃料。20~40s时间区段内,褐煤等5种混合燃料的SO2排放量均随着时间的延长,排放量不断上升。40~60s时间区段内褐煤—沙柳及褐煤—葵花混合燃料均呈现出下降趋势。葵花、玉米作为秸秆类生物质,在此区段内SO2排放量差异明显。4种生物质混煤燃料中褐煤—玉米秸秆的SO2排放量最高,褐煤—柳树的SO2排放量最低。如图3,4种生物质混煤燃料的最大SO2排放量存在较明显差异。在0~60s时间区段内,褐煤—玉米混合燃料最大SO2排放质量浓度最高,褐煤—柳树混合燃料的最大SO2排放质量浓度最低。

  0~40s时间区段内,褐煤—玉米及褐煤—葵花混合燃料SO2排放量差异不明显。由元素分析数据可知,葵花秸秆、玉米秸秆内S元素含量差异较小,导致此时间区段内SO2排放量差异不明显。40~60s时间区段内,葵花、玉米秸秆混煤燃料SO2排放量呈现明显差异,分析原因为,随燃烧的进行,混合燃料内灰分含量不断增加,生物质灰分可能会阻塞煤粉燃烧形成的焦炭孔[5]。由工业分析数据可知,玉米秸秆灰分含量明显高于葵花秸秆,从而导致燃烧后期葵花秸秆烟气中SO2含量高于玉米秸秆。

  褐煤内掺混一定量的生物质,烟气中SO2含量及最大排放质量浓度均有一定程度的降低,说明煤中掺混生物质可以减少烟气中SO2的排放量。沙柳—褐煤及柳树—褐煤混合燃料SO2排放量低于玉米—褐煤及葵花—褐煤混合燃料SO2排放量;分析原因,沙柳、柳树为木质类生物质,研磨后因流动性较差,进料不均匀,导致所选试验区段内SO2析出不明显。对比图中4种混合燃料烟气中SO2含量可知,生物质种类对混合燃料烟气内SO2含量的影响较为明显。主要原因在于生物质内碱金属及碱土金属含量的不同,并且生物质内木质素以及半纤维素的含量都会影响生物质混煤燃烧中SO2的排放,其中木质素含量的大小对SO2的排放影响最为明显,其次是半纤维素[6]。

  2.2不同掺混比例条件下生物质混煤燃烧的SO2析出曲线

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