生物质煤混合燃烧SO2排放特性研究.doc

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1、生物质煤混合燃烧SO2排放特性研究摘要：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

2、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

3、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6080目，4种生物质试验用粒径选择4060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0100r/min。通过转子流量计可调节

4、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

5、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82。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2，020s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。2040s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。4060s时间区段内褐煤沙柳及褐煤葵花混合燃料均呈现出下

6、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060s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。040s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。4060s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

7、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

8、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析出曲线试验条件为900恒温，试验原料选用褐煤柳树枝条，混合比例分别为9:1、8:2、7:3，试验用原料质量均为40g。试验结果如图4、图5所示。如图4，020s时间区段内，褐煤柳树比例为8:2、7:3的混合燃料，SO2的排放量差异不明显；褐煤柳树比例为9:1的混合燃料SO2排放量明显高于其他两种混合燃料。2040s时间区段内，3种比例下混合燃料SO2排放量均随着时间的延长，排放量不断上升

9、。褐煤柳树比例为8:2、7:3的混合燃料，SO2排放量差异较020s时间区段明显。060s时间区段内，褐煤柳树9:1比例混合燃料SO2排放量最高，7:3混合比例SO2排放量最低。如图5所示，随着柳树混合比例的减小，060s时间区段内最大SO2排放质量浓度近乎呈线性增长。020s时间区段内，褐煤柳树比例为8:2、7:3的混合燃料，SO2排放量差异不明显的原因在于混合燃料质量基数较小，两种比例下柳树含量相差不大，燃烧初期主要表现为生物质燃烧特性，导致燃烧初期SO2排放量差异不明显。表3为烟气内S含量及混合燃料内所含S质量的计算值，烟气内S质量表征2040s时段内的SO2排放量。如图6，随着生物质掺

10、混比的升高，烟气内与混合燃料内S含量的比值呈下降的趋势，其比值变化趋势随着混合燃煤褐煤柳树掺混比的升高出现了一定的变化规律。分析其原因主要是，生物质内含有碱金属及碱土金属，这些物质燃烧形成的金属氧化物能够吸收SO2，从而减少SO2的排放量，即生物质本身的固硫特性7。其次，柳树作为生物质本身挥发分含量较高，挥发分的燃烧主要集中在燃烧初期，挥发分的大量燃烧导致初期氧含量降低，从而进一步减少了SO2的排放量8。另外，生物质内含有一部分木质素和腐殖酸，木质素和腐殖酸具有较大的比表面积，可吸附一部分烟气中的SO2气体9。2.3不同床温条件下生物质混煤燃烧的SO2析出曲线试验原料选择混合比例为8:2的褐煤

11、柳树混合燃料，试验床温分别为900、950、1000，试验用混合燃料质量均为40g。试验结果如图7所示。如图7，020s时间区段内3种温度下混合燃料SO2排放量差异不明显。2040s时间区段内，900床温下SO2排放量最低；950、1000床温下SO2排放量差异较小。4060s时间区段内，900、950床温下SO2排放量差异减小，1000床温下SO2排放量较其他两种混合燃料差异明显。6080s区段内3种床温下混合燃料SO2排放量逐渐接近。在080s时间区段内，3种床温下SO2排放量均呈现上升趋势。如图8，随着床温的升高混合燃料的最大SO2排放质量浓度呈现上升趋势。020s时间区段内，燃烧初期由

12、于所用混合燃料质量及混合比例均一致，导致3种床温下SO2排放量差异不明显。2040s时间区段内，由于所选试验温度900、950相差不大，导致此时间区段内两种床温下的SO2排放量差异不明显。4060s时间区段内，1000床温下SO2排放量明显升高，分析原因是由于生物质燃烧形成的灰分一定程度上会阻塞焦炭孔，抑制SO2的析出，但是随着温度的升高，焦炭孔内部的压力不断增大，会吹散一部分附着在焦炭孔上的灰分，从而消弱了对SO2的抑制作用，导致排放烟气中SO2含量上升。6080s时间区段内进入燃烧后期，混合燃料燃烧趋于完全，3种床温下混合燃料SO2排放量差异逐渐减小。进一步分析，随着床温升高SO2排放量升

13、高还有以下几点原因：根据化学方程式的化学平衡原理，温度升高导致燃料中可燃硫与O2迅速反应10，从而导致排放气中SO2含量增高；另一方面，随着温度的升高某些在较低温度处于稳定状态的含硫化合物开始分解，也会使得烟气内SO2含量上升11-12。3结论（1）生物质的掺混一定程度上可以减少SO2的析出，生物质种类对混合燃料中SO2的析出影响较为明显。对于秸秆类生物质葵花和玉米，混合燃料在燃烧前期两种生物质SO2析出状况基本相同，燃烧后期由于灰分的原因，葵花秸秆SO2析出量要高于玉米秸秆。（2）生物质掺混比例越大，烟气中SO2含量越低。（3）随着生物质掺混比的升高，烟气内与混合燃料内S含量的比值呈现一个下

14、降的趋势，其比值随着掺混比的升高出现了一定的规律。（4）本试验所设温度区间内，温度越高，烟气中SO2含量越高。参考文献1郭海霞，左月明，张虎.生物质能利用技术的研究进展J.农机化研究，2011（6）：184-191.2张卫东，张兰，张彩虹，等.我国林木生物质能源资源分类及总量估算J.北京林业大学学报（社会科学版），2015（2）：54-57.3张海青.生物质混煤燃烧及污染物排放特性研究D.济南：山东大学，2007.4王宪红.动力用煤混烧生物质燃烧特性及污染物排放特性研究D.济南：山东大学，2010.5阎维平，陈吟颖.生物质混合物与煤共热解的协同特性J.中国电机工程学报，2007，27（2）：8

15、0-86.6黄莹.生物组分对生物质与煤混燃特性及污染排放特性的影响D.沈阳：沈阳航空工业学院，2010.7张守玉，黄凤豹，彭定茂，等.低品质生物质的热解及低温催化气化研究J.燃料化学学报，2009，37（6）：673-678.8宁新宇，李诗媛，吕清刚，等.秸秆类生物质与石煤在流化床中的混烧与黏结机理J.中国电机工程学报，2008，28（29）：105-110.9郝宇，齐庆杰，周新华，等.燃煤过程中硫析出特性的影响因素研究（）J.矿业快报，2005（10）：16-19.10M. V. Gil, D. Casal, C. Pevida, et al. Thermal behaviour and kinetics of coal/ biomass blends during co-combustion J. Bioresource Technology, 2010, 101(14): 5601-5608.11刘钊.生物质与煤混烧及其污染物排放特性D.石家庄：华北电力大学，2014.12刘莹.生物质气与煤混