2山东大学热科学与工程研究中心 山东济南 250000）
摘要：本文在1350K温度条件下、沉降炉中进行了玉米秆和烘焙玉米秆在与煤混燃时HCl、SO2、NOx等污染物释放情况的研究。实验表明，高硫烟煤与玉米秆混燃，使得二氧化硫的释放量大幅降低。由于烘焙生物质中氮含量增大，因此燃烧烘焙生物质NOx的释放量比燃烧原生物质NOx的释放量略高，混燃对于减少NOx的排放有一定积极影响。由于硫的磺化作用，原玉米杆混燃过程中HCl的释放多于预期值，但是KCl等碱金属氯化物的释放量减少，从而减少了锅炉结渣的可能性。烘焙过程中大量Cl元素释放，使得烘焙生物质成为低氯的燃料，因此烘焙预处理对于由燃烧生物质带来的氯腐蚀问题是一种比较好的解决方法。
关键词：玉米秆；高硫烟煤；烘焙；混燃；HCl；SO2；NOx
近年来，随着对火力发电使用化石燃料所带来环境问题的担忧，太阳能、风能和生物质能发电取得了新的发展。有研究表明，生物质混煤燃烧发电的运营成本明显低于100%生物质发电成本，因此生物质与煤混合燃烧成为研究热点。
燃料中的氯主要以HCl、Cl2或碱性氯化物的形式释放。研究发现，将氯含量低的生物质与煤混燃，可以降低煤的HCl排放量。碱金属氯化物对锅炉高温腐蚀起主要作用，但采用高硫燃料与生物质混燃可以减少锅炉内部产生的KCl 错误！未找到引用源。。考虑到生物质在烘焙过程中释放出大量的氯，因此烘焙后生物质中的氯含量较低，而且烘焙作为一种低温热解手段，还可以有效的降低生物质的含水量、含氧量，提高能量密度，降低运输成本，改善生物质的可磨性及物化结构，有些烘焙生物质的热值甚至超过了某些低阶煤。因此烘焙生物质完全可以作为一种优质燃料与煤混燃。
大多数生物质燃料中含有少量的硫，因此生物质与煤混燃通常会减少二氧化硫的释放。生物质燃烧中释放出的挥发性物质远远高于煤燃烧时的释放量，其中有机氮中含有较多的NH3，这对最终减少火焰中NOx的形成具有积极的影响。
本文通过比较原生物质和烘焙生物质与高硫烟煤混燃时SO2、NOx及HCl气体的排放，得出烘焙对于生物质和高硫烟煤混燃过程中酸性污染物释放规律的影响。
1 实验简介
本实验采用高氯含量生物质-玉米秆和一种高硫高挥发份烟煤进行混燃。为了比较烘焙生物质与原生物质在与煤混燃时HCl等污染物的释放，本实验在 275℃、氮气气氛下采用水平管式炉（如图1a所示）对所有玉米秆样品进行了30分钟的烘焙实验。图2表示的是玉米秆烘焙过程中HCl的释放量，从图中可以看出，275℃下30分钟氯释放完全，经计算，氯向HCl的转化率为51.4%。
实验过程中将玉米秆和烘焙玉米秆粉状颗粒分别与煤粉颗粒进行均匀混合，由一次风将混合均匀的燃料送入到沉降炉中。
玉米秆颗粒大小为75-90um，煤粉颗粒大小为53-75um，这是因为生物质颗粒容易着火，因此煤粉颗粒要略小于生物质颗粒。所有混合好的样品都在一个电加热沉降炉中进行，实验如图1b所示。生物质粉放置在一个振动的玻璃试管中，由一个恒速注射泵缓慢托起。燃料被一次风通过一根长毛细管携带送入不锈钢炉膛喷射器中。毛细管由两个小型振动器振动，以确保生物质颗粒可以顺畅的进入沉降炉中。二次风则通过喷射器和炉壁之间的同心环形空隙进入炉膛。整个炉体是密封的，每次试验之前都会检查气密性。实验采用两种方法对比检测尾气中的HCl：（a）傅立叶红外光谱仪；（b）用AgNO3溶液吸收法测定生成的HCl。
2 实验结果讨论与分析
2.1玉米秆与煤混燃过程中HCl的释放
图3a表示的是烘焙前后玉米秆与高硫烟煤混燃时HCl的释放量。玉米秆燃烧过程中HCl的释放量远远高于煤，这是因为玉米秆中含有较多的氯。但是玉米秆与煤混燃时生成的HCl高于预期值（单独燃烧生物质和单独燃烧煤时HCl释放量的平均值），伊利诺伊6号烟煤与原玉米秆混燃时HCl的释放量比预期值高了39%，这主要是因为混燃时，本应存在于玉米秆灰分中的碱金属氯化物同SO2、O2、H2O等反应，释放出HCl并将SO2以硫酸盐的形式固定在灰中。同样从燃烧过程中氯向HCl转化率（图3b所示）也可以看出，混燃时HCl的转化率大幅提高。
2.2玉米秆与煤混燃过程中SO2的释放
实验样品燃烧过程中SO2的体积分数如图4所示。煤的硫含量通常高于生物质，伊利诺伊6号烟煤由于超高的硫含量（5.5%）使得其SO2的排放量为3180 ppm，远远高于玉米秆SO2排放量。原玉米秆和烘焙玉米秆SO2的排放量分别为17和9 ppm。对同比例混燃来说，SO2排放量远远低于单独燃烧煤时的排放量，这是生物质与煤混燃的一个重要优势。此外，在煤与低硫生物质燃烧过程中，除了预计的SO2的减少外，SO2的实际释放量要低于单独燃烧煤和单独燃烧生物质SO2释放量的平均值，这种煤与生物质协同脱硫的机理在于生物质中存在较多的碱金属及碱土金属，在燃烧过程中可以捕获气相SO2。
2.3生物质与煤混燃过程中NOx的释放
图5所示的数据显示了生物质与煤混燃过程中NOx的排放量。烟煤燃烧过程生成的NOx排放量为690 ppm；原玉米秆和烘焙玉米秆燃烧过程生成的NOx排放量分别为144和288 ppm。当的生物质与煤混燃时，实际生成的NOx明显低于作为预测值的生物质和煤单独燃烧时生成的NOx的平均值。
生物质由于挥发份含量高、析出快，因此在煤析出挥发份的过程中，煤周围的气氛主要是生物质热解过程中释放出的挥发份，氧含量较低，因此煤挥发性氮组分中的小部分被转换成NO。另外，生物质燃烧过程释放的有机氮中含有较多的NH3，可以还原煤燃烧过程中形成的HCN（NOx生成的前驱物），这对最终减少火焰中的NOx具有积极的影响。
总结：
本文研究了一种氯含量较高的生物质（玉米秆）以及烘焙后的产物同一种高硫烟煤混合燃烧过程中污染物HCl、SO2和NOx的释放规律，总结如下：
1）高氯含量的原玉米秆同高硫烟煤混燃时单位质量HCl的释放量比预期（单独燃烧生物质和煤时HCl释放量的平均值）增加了39%，这主要是因为由于高硫煤燃烧过程中生成了大量的SO2，与生物质燃烧过程中生成的气态的碱金属氯化物反应生成HCl，从而增加了HCl的释放。
2）大量的氯在烘焙过程中释放，使得烘焙生物质与煤混燃时HCl并没有显著增加。体现出烘焙作为一种有效的预处理手段可以有效解决燃烧生物质带来的氯腐蚀问题。
3）高硫烟煤与原玉米秆和烘焙玉米秆混燃时，单位质量SO2释放量比预期（单独燃烧生物质和煤时SO2释放量的平均值）减少了约40%。这是生物质与高硫煤混烧的一大优势体现。
4）烘焙玉米秆和原玉米秆与烟煤混燃时，氮氧化物的排放量比预期（分别单独燃烧生物质和煤时NOx释放量的平均值）分别降低了6%和17%。
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论文作者:李林1,任霄汉2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/17
标签：生物论文; 玉米论文; 过程中论文; 烟煤论文; 碱金属论文; 排放量论文; 含量论文; 《电力设备》2018年第14期论文;