生物质与煤掺烧时SO2排放特性的实验研究

生物质与煤掺烧时SO2排放特性的实验研究 生物质与煤掺烧时SO2排放特性的实验研究,产品研发, 孙俊威,董建聪,麻东东,安敬学 约4255字 摘要:将稻壳、麦秆、松木屑三种生物质和阳泉煤进行掺烧,研究不同生物质和煤掺混比与过量空气系数这两个因素对污染物SO2排放规律的影响。由实验知,当煤与生物质掺混时,随着烟气中含氧量的增加,SO2的排放量逐渐降低的;与纯煤相比,生物质与煤掺烧时,SO2的排放量有明显减少。随着生物质掺混比的增加,SO2排放率呈现逐渐升高的趋势。在炉膛出口烟气含氧量为1%,4.8%,随着含氧量的增加,SO2减排率是迅速提高的,过量空气系数对SO2减排率影响非常明显。 关键词:生物质;煤掺烧;SO2排放规律;掺混比例 中图分类号:X523文献标识码:A 文章编号:1009-2374 (2010)24-0024-04 0引言 SO2是当今人类面临的主要大气污染物之一,其2/3以上来源于人类的生产活动,SO2的污染属于低浓度、长期的污染,对自然生态环境、人类的健康、工农业生产等方面均造成很大的危害。因此,对SO2排放的控制备受各国关注。另外,由于大量化石燃料的消耗,能源短缺问题日益严重,如何尽快解决环境污染和能源资源匮乏问题成为当务之急。在我国,生物质资源可作为能源利用约为7亿吨煤,且生物质的灰分和氮硫含量都比煤的低,燃烧时对环境污染小。生物质和煤的混燃是可再生能源和化石能源的综合利用,一些欧美等发达国家近年来采取了将部分生物质和煤掺烧发电或气化的新,该措施既可以缓解能源短缺,降低CO2等温室气体及NOX、SOX、N2O的排放。国内某些燃煤电厂已开始在原有的燃煤机组上掺烧生物质,然而,目前对燃煤电站直接掺烧生物质污染物排放规律的研究还不充分,尤其是结合燃烧特性对不同掺烧比的混合燃料污染物排放特性进行研究变得更为重要。本文主要从生物质掺混比和燃烧过量空气系数两个方面对燃煤电站直接掺烧生物质的SO2排放规律进行了研究,为生物质掺烧的研究和生物质掺混电厂的高效低污染燃烧提供参考依据。 1实验仪器和设备 实验采用携带管式炉实验系统,该系统由空气压缩机、给粉系统、携带管式炉、电源、温控柜系统和Delta2000CD-IV烟气取样分析系统五部分组成,实验系统如图1所示。实验过程中,煤粉气流从刚玉管上部送入,取样枪则是从刚玉管下端进入刚玉管,所测数据直接显示在烟气分析仪上。实验用煤和生物质的元素分析和工业分析见1,实验工况见表2: 2生物质与煤掺混时SO2析出机理研究 2.1燃料中无机硫生成SO2的机理 燃料中无机硫来自矿物质中各种含硫化合物,主要以硫化物形式存在,还有少量硫酸盐硫,硫化物硫以黄铁矿硫(FeS2)为主,在氧化气氛中,黄铁矿硫(FeS2)可以直接被氧化生成SO2: 4FeS2+11O2?8SO2+2FeO3 在还原气氛中,FeS2 将发生分解反应: 2FeS2?2FeS+S2(气态) 2FeS2+H2?FeS+H2S FeS2+CO?FeS+COS 2.2燃料中有机硫生成SO2的机理 有机硫是指与燃料有机结构相结合的硫,其组成结构极为复杂。有机硫的存在形态及反应机理还不是很清楚。人们通过化学属性对有机硫进行了分析,将煤中有机硫划分为脂肪硫和芳香硫。有机硫成分复杂,各组分的键能有很大差别,温度对热解有决定性作用。有机硫的析出过程实质是硫茂、硫醇等官能团及硫化物的热分解过程。 它们的主要形式是硫醇类R-SH、硫醚类R-S-R、含噻吩环的芳香体系、硫馄酮类和二硫 化物RSSR。煤在热解释出挥发分时,由于硫侧链(-SH)和环硫链(-S-)结合较弱,因此硫醇、硫醚等在低温(小于450?)时首先开始分解,产生最早的是挥发硫;噻吩类硫的结构比较稳定,要到930?时才开始分解析出。在氧化性气氛下,它们全部被氧化成SO2,其反应方程为: RHS+O2?RS+HO2 RS+O2?R+SO2 在有氧燃烧的还原性气氛下,有机硫转化为H2S 等。 2.3燃料中单质硫生成SO2的机理 煤中的单质硫在加热时,以硫蒸汽的形式进入硫化物火焰中。对纯硫蒸汽及氧化过程的研究表明,硫蒸汽分子是聚合的,其氧化反应为: S8?S7+S S+O2?SO+O S8+O?SO+S6+S SO遇到氧气时,会发生下列反应: SO+O2?SO2+O SO+O?SO2 3实验结果及分析 3.1 同一掺混比,不同生物质,不同烟气氧含量对SO2排放规律的影响 从图2,图7可知,在不同的掺混比时,SO2排放量的排放规律和燃烧纯煤时很相似,都是随着烟气中含氧量的增加,SO2排放量逐渐降低,同一掺混比时,三种生物质相比,松木屑最小,麦秆最大,稻壳居中,由此可知,SO2排放量与三种燃料含硫量密切相关。松木屑几乎不含有硫,所以,掺烧松木屑,SO2排放量是最小的。分析其原因可能是生物质富含碱金属,碱金属元素与氧气、CaO结合,生产碱金属硫酸盐或者碱土金属硫酸盐,从而降低SO2的排放;另外,随着含氧量的增加,产生的SO2与氧元素结合生产SO3,这也可能导致含氧量的迅速减少;同时由于风量增加,可能导致风量对SO2的浓度起到一种稀释作用,这也可能会导致SO2浓度的降低。 烟气中含氧量的高低与过量空气系数有关,过量空气系数影响到炉内燃烧工况,对煤粉中硫的析出特性有很大影响。当燃烧温度较高时,煤的燃烧反应加强,可燃硫的燃烧反应速度也会加快,单位面积上氧的消耗量增加,适当增加氧量时,会使硫析出反应加强,提高氧浓度有利于煤的完全燃烧,也可加快硫的析出。当出口烟气中含氧量较低时(过量空气系数大概为0.8),由于氧气不足,炉内为还原性气氛,大量生成,只有少部分硫析出后被氧化生成SO2,因而此时SO2浓度最低,其次,在燃烧初期,氧气主要供生物质挥发分燃烧,限制了SO2的生成。随着出口烟气中含氧量的增加,煤粉中析出的硫转化为的数量就增加,此时,SO2的浓度很高。进一步增加过量空气系数,析出的硫大部分转化为SO2,因而浓度较高。继续随着烟气中含氧量的增加,浓度大幅度降低。这可能是因为,随着含氧量的增加,燃烧过程中富含氧元素,生产的SO2与氧元素结合生产SO3,这可能导致含氧量的迅速减少;生物质燃料中富含碱金属元素,碱金属元素与氧气、CaO结合,生产碱金属硫酸盐或者碱土金属硫酸盐,这也可能会导致SO2排放量的减少。同时由于风量增加,可能导致风量对SO2的浓度起到一种稀释作用,这也可能会导致SO2浓度的降低。 3.2 同一生物质,不同掺混比,不同烟气氧含量对SO2排放规律的影响 根据图8,图10可知,对纯煤,随烟气含氧量的增加,SO2排放量逐渐降低,加入一定量的生物质后,随掺混比的增加,燃烧生成的SO2体积浓度呈下降趋势。由于SO2的排放量主要决定于燃料中S的输入量,煤在燃烧过程中80%,100%的燃料S会转变成SO2,而大部分的生物质含硫量极少或不含硫,因而,将生物质与煤共燃能够有效降低SO2的生成量。同时,生物质灰分中含有大量碱金属或碱土金属的氧化物,它们能够与SO2反应生成硫酸盐,起到固硫剂的作用。与煤粉单独燃烧生成SO2的浓度相比,生物质与煤共燃过程中掺混比的变化对SO2浓度的影响 不显著。 3.3 同一含氧量,不同生物质,不同掺混比对SO2排放规律的影响 为了研究生物质与煤的质量比对SO2减排效果的影响,引入减排率η=(f纯燃煤-f掺混)/f纯燃煤;f为燃烧生成SO2的体积浓度,生物质与煤共燃SO2减排率如下图所示: