水葫蘆和無煙煤粉混合燃燒煙氣排放特性分析

劉珍榮,王俊樺,孟俊全,高成君,胡愉偉,譚 超,陳 蓉

(1.云南農業大學 機電工程系,云南 昆明 650500;2.宜賓學院 過程分析與控制四川省高校重點實驗室,四川 宜賓 644000)

水葫蘆作為第二代生物燃料,對于水葫蘆的利用,以往主要集中于凈化水質[1]、土壤修復劑[2]、飼料[3-4],隨著研究的深入,發現水葫蘆顯示出比柚子皮[5]、荔枝殼[6]和甘蔗渣[7]更好的生物燃料特性。馮濤[8]研究了富氧氣氛下生物質混煤燃燒的污染物釋放特性,可加快NO的生成釋放過程,NO釋放總量下降。張嘯天[9]研究了燃燒溫度、燃燒氣氛、生物質摻混對循環流化床O2/CO2燃燒過程中污染物生成機理的影響。嵇順[10]在秸稈混煤燃燒時發現,秸稈揮發分迅速析出燃燒造成NO一次釋放峰值提前而且峰陡增,同時秸稈添加比越高,燃燒釋放NO總量越低。宋長忠等[11]在不同生物質種類、摻混比例和床溫的試驗條件下發現摻混不同生物質,SO2析出程度存在明顯差異;生物質摻混比例越高,SO2排放量越小;在床溫的范圍內,隨著溫度的升高,SO2排放量逐漸增大。Parshetti G K等[12]分析了不同溫度下制備的水熱碳化油棕生物質(EFB)與低劣印尼煤混合燃燒,發現水熱碳化后的EFB生物炭與煤和高溫混合燃燒可以帶來環境效益,Emad Rokni等[13]研究了煤與生和焙干生物質燃料混合燃燒產生的煙氣排放,發現將兩種煤與生生物質和焙干生物質混合,會降低煤的SO2和NOx的產量。Falcon R等[14]將蘭薩草和檉柳與高灰分煤混燃,發現氮氧化物的排放量隨著混合燃料中,生物質的比例增加而降低。L.álvarez等[15]研究生物質與煤的耦合燃燒,發現與生物質耦合燃燒除了可以提高燃盡率,降低NOx排放外,還可以降低溫度峰值。在生物質的燃燒方面,對污染物排放的研究較少。在生物質摻混煤研究方面,對具有應用前景的水葫蘆卻少有研究。因此,本文針對生物質與煤之間協同燃燒的問題,開展水葫蘆與無煙煤摻混燃燒的試驗研究。

1 實驗材料和方法

1.1 試驗樣品

試驗原料為生長于昆明滇池的水葫蘆(以下簡稱為WH)和產自河南鄭州的無煙煤(以下簡稱為AN),將水葫蘆和無煙煤通過破碎機打碎,并用篩子篩分,粒徑為0～1 mm,然后用鼓風干燥機恒溫干燥8 h后,用密封袋分裝好后備用。根據GB/T 30732—2014、GB/T 31391—2015、GB/T 28731—2012和GB/T 28732—2012標準對無煙煤和水葫蘆進行工業分析和元素分析,結果見表1。

表1 水葫蘆和無煙煤的工業分析和元素分析Tab.1 Industrial and elemental analysis of water hyacinth and pulverized anthracite

1.2 試驗設備

本文使用的管式爐燃燒系統如圖1所示,主要包括供氣部分、燃燒部分、煙氣采集和分析部分。

圖1 管式爐燃燒系統Fig.1 Combustion system of tube furnace

供氣部分包括高壓氣瓶、減壓閥、壓力表、流量計,其中高壓氣瓶中為O2和N2的混合氣,由氣體供應商根據試驗需要配制。燃燒部分包括管式爐體臥式管式電加熱爐、石英管,煙氣采集和分析部分包括HX-10-32型干燥過濾裝置、SKY8000-M4型復合氣體分析儀。首先通過供氣部分向管式爐持續提供所需氣體,流量為1 L/min,通過溫度控制器設定試驗所需溫度,提前將所需試驗樣品放置于坩堝內,溫度升高到設置溫度后,將坩堝迅速推至石英管中部恒溫區,試驗樣品開始燃燒,煙氣采集裝置在線采集并通過計算機實時記錄煙氣中的SO2和NOx濃度。

1.3 分析方法

主要對燃燒產生的SO2和NOx的排放進行測量,通過對排放氣體體積分數曲線積分得到氣體測定時間內的排放總生成量[16]。

(1)

式中,m為氣體生成質量;t0為試驗起始時刻;t為試驗過程中任一時刻;c(t)為t時刻煙氣中氣體的質量濃度;v(t)為t時刻煙氣流量。

將式(1)進行簡化,得到式(2)計算生成的氣體總量[17]。

(2)

式中,Ni為氣體排放總量;ci為煙氣中氣體實時質量濃度;vi為載氣量;Mi為氣體的摩爾質量;t為采樣時間間隔;k為采樣點數量。

2 結果與討論

2.1 不同配比對混合燃燒SO2的釋放特性分析

不同摻混比物料燃燒SO2釋放濃度和釋放量如圖2所示。

圖2 不同配比燃料SO2的釋放特性Fig.2 Release characteristics of SO2 with different fuel ratios

從圖2(a)可知,混合物料比例為8/2燃燒時,SO2第一釋放峰值濃度達到1 200×10-6,峰高而且窄,這主要是物料中以有機物狀態存在的S和部分黃鐵礦預熱分解而成[18],之后在100 s下降到100×10-6,由于水葫蘆的比例增加,所以在揮發分階段會有更多有機硫分解,同時揮發分的快速分解消耗了大量的氧氣,使得無煙煤中SO2的釋放被抑制。在380 s出現第二峰值790×10-6,隨后下降直到燃燒結束?；旌衔锪现兴J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的釋放量降低,結合圖2(b)中釋放量可知,此混合比例下SO2的釋放量為3.81 mg?；旌衔锪媳壤秊?/5燃燒過程中,SO2釋放第一峰相對前兩者較平緩,無峰值出現寬,第二釋放峰也相對平緩,根據圖2(b)可知釋放量為3.27 mg,由此可知水葫蘆摻混無煙煤能夠明顯地改變彼此的燃燒特性,從而降低SO2的排放?；旌衔锪媳壤?/7燃燒過程中,SO2濃度在96 s時出現釋放峰值700×10-6,之后開始下降在200 s時降低到100×10-6,此后SO2濃度基本無變化,值得注意的是整個過程只出現了一個峰值,水葫蘆揮發分中的木質素和腐殖酸,為反應提供巨大比表面積,對SO2有較強的吸附作用,從而抑制SO2的析出[19],此比例下SO2的釋放量為12.03 mg。

2.2 不同配比對混合燃燒NOx的釋放特性分析

不同配比原料燃燒對NOx的釋放特性和釋放量的影響如圖3所示?；旌衔锪媳壤秊?/7燃燒過程中,NOx的濃度在50 s達到最大值450 ×10-6,之后快速下降,在110 s時下降到149 ×10-6,隨后隨著燃燒的進行逐漸上升在500 s時達到第二個峰值,與第一個峰相比第二峰寬而矮,隨后開始下降直到600 s時結束燃燒,根據圖3可知,此比例下NOx的釋放量為2.162 mg。在燃燒初期揮發分中的含N化合物在受熱分解形成NOx,除此之外還會形成HCN和NH3中間產物,HCN和NH3進一步經過氧化生成NO,隨著燃燒進行溫度升高,焦炭N開始氧化分解,由于揮發分的燃燒消耗了較多的氧氣,抑制了焦炭N與氧原子的結合,造成了第二個寬而矮的釋放峰的形成[20]。5/5混合比例的物料燃燒過程中,NOx的濃度在50 s達到最大峰值500 ×10-6,在150 s時NOx濃度下降到100 ×10-6,然后逐漸上升在400 s時濃度第二次達到峰值,接著隨著燃燒的進行濃度下降,直到610 s燃燒結束,由圖3可知NOx的釋放量為2.013 mg?；旌媳壤秊?/6的物料燃燒過程中,在60 s時NOx的瞬時濃度達到第一峰值510 ×10-6,之后NOx濃度快速下降在145 s時濃度降至102 ×10-6,之后隨著時間的增長,NOx濃度平緩上升,在440 s時濃度達到150 ×10-6,峰值過后隨著燃燒進行在590 s燃燒結束,從圖3釋放量可知,此混合比例下的NOx的釋放量為1.48 mg。

圖3 不同配比燃料NOx的釋放特性Fig.3 Release characteristics of NOx with different fuel ratios

根據以上分析可知,第1峰值階段主要來自于揮發分氮的析出,第2峰值階段主要來自于焦炭階段氮的釋放,由于水葫蘆的揮發分高于無煙煤,而焦炭含量低于無煙煤,所以隨著混合物料中水葫蘆的比例升高,NOx釋放第1峰值逐漸增大,第2峰寬度逐漸變窄,釋放量也逐漸降低,其中物料比例為8/2的樣品燃燒釋放量的最低。由此可知,各混合物料中各組分對NOx的釋放存在相互作用,各自的燃燒特性也發生改變。

2.3 響應面試驗設計方案及結果

以往對摻混燃燒氣體釋放的研究往往只考慮了不同的物料以及物料摻混比例等單因素,這往往得出不同的結論,因此,為了豐富摻混燃燒的研究結果對摻混燃燒的優化研究至關重要。所以選取物料混合比例和燃燒溫度為試驗因素,以一氧化氮和二氧化硫的排放量作為響應值,設計2因素3水平的響應面試驗,按此進行17組試驗,試驗結果見表2。2.4 二次回歸方程及方差分析

表2 試驗結果Tab.2 Test results

借助Design-Expert 13軟件對試驗得到的數據進行回歸分析,并得到SO2排放量的二次回歸模型?；貧w模型的P值為0.0 008,根據P<0.05表示顯著的原則,表明該模型是顯著的,對于失擬項的P值為0.7 099>0.05表現為不顯著,R2為0.95,調整后的為0.90,表明該模型擬合較好是適合的。AB各項的P值均小于0.05,表明這幾項對SO2釋放量的影響顯著,其他影響不顯著。根據F值的大小確定對SO2釋放量影響主次因素順序為:物料比例>溫度,這與P值的顯著性檢驗的結果是一致的。

除去不顯著結果后,得到對應單因素項、交互項、平方項的二次多元回歸方程見式(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,函數值Y1為二氧化硫排放量;因子A為物料混合比例;因子B為燃燒溫度。

剔除不顯著結果后,得到對應單因素項、交互項、平方項的二次多元回歸方程如式(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,函數值Y2為一氧化氮排放量;因子A為物料混合比例;因子B為燃燒溫度。

2.5 交互作用分析

燃燒溫度和物料比例的交互作用對SO2釋放量的影響如圖4所示。由圖4可知,隨著溫度的升高,SO2的釋放量先快速升高隨后變化緩慢,隨著混合比例的升高也保持同樣的趨勢,表明物料比例和溫度兩個因素交互作用對二氧化硫的排放量有顯著影響,兩個因素之間存在交互作用。

圖4 溫度與物料比例的交互作用對SO2釋放量影響的響應曲面和等值線Fig.4 Response surface and contour line of interaction between temperature and material ratio on SO2 release

如圖5所示為物料比例與溫度的交互作用對NOx釋放量的影響,在氧氣濃度為40%時,隨著溫度的升高響應曲面的坡度逐漸變得平緩,隨著物料比例的升高響應曲面保持同樣的趨勢,NOx的排放量隨著溫度和物料比例的增加緩慢增加,等高線局部呈扇形,物料比例和溫度兩因素之間存在交互作用,且交互作用對一氧化氮的釋放量影響顯著。

圖5 物料比例與溫度的交互作用對NOx釋放量影響的響應曲面和等值線Fig.5 Response surface and contour line of interaction between temperature and material ratio on NOx release

2.6 參數優化

為實現試驗條件范圍下氮、硫污染物的排放量達到最低的目標,采用軟件中的優化計算模塊對回歸方程進行求解,得到試驗條件下,NOx和SO2釋放量最低的條件為物料比例1.037,溫度為725.72 ℃,NOx的釋放量為0.545 mg,SO2的釋放量為0.727 mg。

3 結論

本文利用管式爐燃燒系統進行水葫蘆和無煙煤混合燃燒試驗,研究了在不同物料摻混比例和不同燃燒溫度,SO2和NOx的釋放特性,然后以摻混比例和燃燒溫度作為試驗因子,以二氧化硫和氮氧化物的排放量作為響應值,進行了響應面試驗分析,得出以下結論。

(1)水葫蘆和無煙煤混合燃燒改變了彼此的燃燒特性,不同的物料比例下SO2和NOx的釋放曲線有明顯的差異,不同摻混比例的混合物料中水葫蘆的比例越高,SO2和NOx的排放量越低,其中摻混比例為5/5時SO2的釋放量最低,摻混比例為8/2時NOx的釋放量最低。

(2)混合物料在不同溫度下燃燒時,隨著溫度升高SO2的第1釋放峰值升高,第2峰寬加寬燃盡時間逐漸提前,SO2的總釋放量在900 ℃最高。700 ℃時NOx只出現1個峰值,800 ℃和900 ℃出現2個峰值,隨著溫度的升高NOx的第1個釋放峰值升高時間提前,第2個釋放峰寬度加寬,釋放總量增加900 ℃時釋放總量最高。

(3)響應面試驗分析得到了各因素與響應值之間二次回歸數學模型,確定了SO2和NOx釋放量影響主次因素順序為:物料比例>溫度,分析了因素之間的交互作用,得到了SO2和NOx釋放量最低的因素水平組合。