PDF《生活垃圾混烧秸秆类生物质颗粒 CO 和NO 的排放特性》

第32 卷第8期农业工程学报Vol.

32 No.8

238 2016 年4月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr.

2016 生活垃圾混烧秸秆类生物质颗粒 CO 和NO 的排放特性 邢献军

1 ,李永玲

2 ,张静2,邢勇强

2 ,张学飞

2 ,马培勇 1,2 ,许宝杰

3 (1.合肥工业大学先进能源技术与装备研究院,合肥 230009;

2.合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥 230009;

3.北京信息科技大学 机电系统测控重点试验室,北京 100085) 摘要:选取典型秸秆类生物质颗粒掺混垃圾作为研究对象,利用自制燃烧试验平台,研究掺混比、温度、粒径及生物 质种类等因素对垃圾掺混生物质颗粒燃烧过程中 CO 与NO 释放规律的影响.试验结果表明:CO 排放量随着混合燃料中 棉花秆颗粒含量增加而减小;

混合燃料中垃圾掺混量高于棉花秆颗粒时,焦炭氮燃烧峰值随棉花秆含量增加而增大,掺 混量低于棉花秆颗粒时,焦炭氮燃烧峰值逐渐减小,掺混比为 5:5 时NO 生成量最低.燃烧温度为 850℃时CO 生成量最 低;

NO 峰值时间随温度升高向前偏移, 排放量呈先增大后减小趋势, 较高的反应温度有利于降低燃烧过程中 NO 生成量. 随着燃料粒径减小,CO 峰值浓度降低;

存在粒径临界值(60~80 目) ,当粒径小于临界值时,NO 生成量随粒径减小而 减小,大于临界值时,NO 生成量随粒径增大而减小.垃圾混烧生物质颗粒后 CO 生成量显著降低;

掺混同质量分数生物 质颗粒试样中,生物质颗粒氮含量越高,混合燃料燃烧 NO 生成量越大.该研究可为实际生产中城市生活垃圾混烧生物 质颗粒技术及污染物排放控制提供参考依据. 关键词:垃圾;

生物质;

燃烧;

排放特性;

CO;

NO doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.08.034 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2016)-08-0238-08 邢献军,李永玲,张静,邢勇强,张学飞,马培勇,许宝杰. 生活垃圾混烧秸秆类生物质颗粒 CO 和NO 的排放特性[J]. 农业工程学报,2016,32(8):238-245. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.08.034 http://www.tcsae.org Xing Xianjun, Li Yongling, Zhang Jing, Xing Yongqiang, Zhang Xuefei, Ma Peiyong, Xu Baojie. Emission characteristics of CO and NO during co-combustion with municipal solid waste and straw biomass pellets[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(8): 238-245. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.08.034 http://www.tcsae.org

0 引言 垃圾围城 现象给中国城市发展带来的环境污染问 题日益严重,焚烧已成为城市生活垃圾处理的主流方式. 由于中国生活垃圾含水率高,焚烧过程中需要外加化石 燃料,在一定程度上增加了能源需求负荷,并带来一系 列环境问题[1] .而生物质燃料是一种资源丰富、可再生利 用的清洁能源,将其与生活垃圾混烧可以实现

2 种固体 废弃物的协同处理,解决部分垃圾焚烧厂在运行中存在 的垃圾量不足、垃圾热值偏低问题,避免因生物质随意 堆放、露天燃烧造成的环境污染和威胁城市交通安全等 问题[2-3] .目前针对生活垃圾混烧生物质的研究普遍采用 的是未经预处理的生物质,但因其体积膨松,能源密度 低,季节性强,材料运输和储存成本高昂,直接送入焚 烧厂进行燃烧热效率仅为 10%~15%;

且生物质本身含水 率高,导致生物质在长期运输储存过程中易出现发霉变 质和积热自燃等问题,降低焚烧炉内燃烧温度,抑制燃烧 收稿日期:2015-10-13 修订日期:2016-02-01 基金项目:北京市教育委员会市属高校创新能力提升计划项目(J2014QTXM0204) ;

安徽省科技计划项目(2013AKKG0398) ;

安徽省国 际科技合作计划(1403062015) . 作者简介:邢献军,男,安徽无为人,教授,博士生导师,主要从事高效清 洁燃烧及能源转化利用.合肥 合肥工业大学先进能源技术与装备研究院, 230009.Email:lyl1@mail.ustc.edu.cn. 过程的彻底进行, 并导致燃烧过程中湿烟气排放量增大[4] . 生物质经干燥、粉碎、压缩成型后呈结构密实的颗 粒状,燃烧速度均匀适中,燃烧所需的氧量与外界渗透 扩散的氧量能够较好的匹配,燃烧波动较小,燃烧更趋 于平稳[5] , 可解决上述问题的同时进一步提高混合燃料热 值,提高垃圾焚烧效率和燃烧稳定性.国内外生物质成 型燃料燃烧研究表明:成型燃料的燃烧特性和燃烧动力 学与粉体燃料有一定的差异,成型颗粒内外部传热传质 过程对其燃烧产物的生成有密切联系[6-7] ,而生活垃圾混 烧生物质成型颗粒的研究报道较少,缺乏基础数据.因此,本文选用典型秸秆类生物质颗粒掺混城市生活垃圾 作为研究对象,从掺混比、燃烧温度、粒径、生物质种 类4个方面研究分析燃烧过程中 CO 与NOx 气体的排放 特性,以期对实际生产中城市生活垃圾混烧生物质颗粒 技术及污染物排放控制提供参考依据.

1 试验部分 1.1 试验原料 试验用垃圾样品按合肥市生活垃圾典型可燃组分 比例配比混合而成,包括厨余、竹木、塑料、橡胶、废纸、织物,各组分比例见表 1.生物质燃料选用

4 种代 表性柱状成型秸秆颗粒:稻秆、棉花秆、玉米秆和玉米 芯, 成型密度为 1.1~1.2 g/cm3 , 直径

10 mm, 长度 12~

20 mm.混合样中各燃料的工业分析及元素分析见表 2. 第8期邢献军等:生活垃圾混烧秸秆类生物质颗粒 CO 和NO 的排放特性

239 生活垃圾混合样和秸秆颗粒先于干燥箱内 105℃干燥

12 h 后取出,分别由破碎机破碎,振筛机筛选成粒径分 别为:30~40 目、40~60 目、60~80 目、80~230 目 以及>

230 目,混合均匀后采用四分法取样以消除混合 不均带来的影响.为保证试验的可对比性,每次试验样 品都是在试验前单独配制,样品质量均配制为(0.4±0.001) g. 表1垃圾混合样品可燃组分比例分配 Table

1 Composition and its proportion of MSW sample % 纸张 Paper 织物 Textiles and leather 橡胶 Rubber 塑料 Plastic 厨余 Food waste 竹木 Bamboo 8.79 4.89 3.14 25.80 54.49 2.90 表2试验样品元素分析和工业分析(干基) Table

2 Ultimate and proximate analysis of test sample (Dry based) 工业分析 Industrial analysis/% 元素分析 Elemental analysis/% 样品 Sample 水分 Moisture 灰分 Ash 挥发分 Volatile 固定碳 Fixed carbon C H O N S 垃圾 Municipal solid waste A 10.87 11.02 68.14 9.97 39.98 8.45 33.26 0.98 1.36 棉花秆 Cotton straw B 3.78 5.84 79.65 10.73 40.16 5.03 35.64 1.27 0.25 玉米秆 Corn stalk C 4.74 7.69 76.48 11.09 42.28 5.48 38.71 1.43 0.21 玉米芯 Corn cob D 8.91 5.11 72.02 13.96 46.75 6.37 34.83 0.56 0.2 稻秆 Rice straw E 5.68 6.98 75.93 11.41 38.47 6.68 36.42 0.79 0.16 1.2 试验装置及方案 试验系统如图

1 所示,主要由供气系统、管式炉反 应器和数据采集系统

3 部分组成.其中管式炉为合肥科 晶材料技术有限公司生产的 OTF-1200X-70-II 双温区管 式炉,加热元件为掺钼铁铬铝电阻丝,最高工作温度

1 200℃,加热区总长度

400 mm,智能化

30 段可编程控 制和超长加热区可为燃料提供充分的燃烧空间和稳定的 燃烧环境温度.上海硅莱实业有限公司生产的 GA-81X 无油空气压缩机和 LZB-6WB 流量计可为试验提供恒定 的反应气.试验前先向炉内通入恒定的空气量

1 L/min, 当炉温达到设定温度时,用送样杆将载有试验材料的坩 埚迅速推进反应器中心加热部分,燃烧产生的烟气由德 国德图公司生产的 testo350 烟气分析仪进行实时监测, 采 样时间间隔为

2 s.为减少试验随机和偶然误差,所有试 验均重复

3 次. 图1燃烧试验系统示意图 Fig.1 Combustion experimental system 1.3 试验数据处理方法 为便于描述试验燃烧结果,引入分析参数:①峰值: 烟气中气体浓度最大值,10-6 ;

②峰值时间:气体浓度达 到峰值时对应的时间,s;

③燃烬时间:试验约定,取氧 气体积分数上升到 20.95%的时间与 CO 浓度降为峰值 5% 的时间中较大者为燃烬时间,s. 对于混合燃料燃烧结果,通过对 CO、NOx 气体浓度 曲线积分计算累计时间段内其生成量

0 g

3 1 ( ) ( ) d 22.4

60 10 t t m C t V t M t = ? ? ? * * ∫ , 式中 m 为CO 或NOx 气体生成量,mg;

t0 为试验开始时 间,s;

t 为试验过程中某一时刻,s;

C(t)为t时刻烟气中 气体的体积分数,10-6 ;

V(t)为t时刻烟气流量,L/min;

Mg 为气体的摩尔质量,g/mol.

2 试验结果与讨论 2.1 掺混比的影响 2.1.1 不同掺混比下 CO 排放特性 烟气中 CO 浓度变化直接反映实际燃烧情况, 也可以 此判断挥发分析出和燃烧过程与其他燃烧产物互相影响 程度[8] . 本试验研究了生活垃圾混合样与棉花秆成型颗粒 掺混比分别为 10:

0、9:

1、7:

3、5:

5、3:

7、1:

9、0:10 的7种试样,粒径均为 80~230 目,在850℃恒温条件下 燃烧 CO 排放特性. 由表

2 知, 试验选用各燃料挥发分含 量较高,固定碳含量较低,挥发分析出后迅速燃烧,消 耗大量氧气,形成缺氧气氛后挥发分和固定碳不完全燃 烧生成大量 CO,造成气体不完全燃烧. 不同棉花秆颗粒掺混比下烟气中 CO 含量随时间的 变化规律如图

2 所示, 各掺混比下 CO 呈现单峰释放, 均 在开始燃烧后不久出现峰值, 峰后 CO 释放比较缓慢, 说 明前期排放的 CO 主要来自于混合样燃烧析出的挥发分 燃烧,后期由挥发分和固定碳燃烧共同释放,由于燃料 突然置于恒定高温条件下时,挥发分与固定碳的燃烧过 程存在重叠[9] ,故CO 释放均呈现单峰分布. 注:进气流量为

1 L・min-1 ,粒径为 80~230 目,燃烧温度为 850℃. Note: Intake air flow rate of

1 L・min-1 , particle size from

80 to

230 mesh, and the combustion temperature at

850 ℃. 图2生活垃圾与棉花秆不同掺混比下燃烧 CO 排放特性 Fig.2 CO emission characteristics of MSW and cotton straw combustion at different blending ratios 随着棉花秆颗粒含量增加,CO 峰后释放加快,CO 析出峰逐渐变窄,峰值与到达峰值时间逐渐减少,燃烬 时间提前.相比较于单独垃圾燃烧,棉花秆颗粒与垃圾 农业工程学报(http://www.tcsae.org)

2016 年240 掺混比为 5:5 时, CO 峰值从

10 314*10-6 下降到 286*10-6 , 燃烧时间缩短了近 50%,到达峰值时间也提前了 8s;

当 棉花秆颗粒单独燃烧时,CO 峰值只有 42*10-6 ,燃烧时 间只占垃圾独烧时约 1/5,说明混合试样中棉花秆颗粒含 量越高,燃烧越充分,CO 排放浓度越低.由表

2 可知, 棉花秆颗粒中挥发分含量高于垃圾混合样,在炉内温度 850℃、进气流量为

1 L/min 的工况下,氧含量比较充分, 挥发分燃烧较为完全,因此,随着棉花秆颗粒含量升高, CO 排放量降低,混合试样燃烧过程逐渐缩短. 2.1.2 不同掺混比下 NO 排放特性 因生物质或生活垃圾燃烧过程中产生的 NOx 中约 95%为NO[10] ,本文重点分析 NO 排放特性.燃烧过程中 燃料型 NO 生成量远大于快速型和热力型 NO,燃料型 NO 分别来自于挥发分氮和焦炭氮, 挥发分氮通过气相 N 形式,先生成 NO 前驱物(NH3 和HCN 等),然后在氧 化气氛下生成 NO,或在还原性气氛中将 NO 还原为 N2;

焦炭氮主要通过氧化反应生成 NO[8] ,Fenimore[11] 于1971 年最早提出快速型 NOx 很可能是形成于燃烧火焰前沿 处,而与温度基本无关.本试验温度较低,热力型 NO 生成量极低,文中不做考虑. 图3a 给出了不同掺混比下烟气中 NO 随时间的变化 规律,不同于图

2 所示的 CO 排放规律,各掺混比下 NO 排放曲线均呈现双峰结构,主要为挥发分氮析出峰和焦 炭氮燃烧峰,焦炭氮燃烧峰值远高于挥发分氮析出峰值 (掺混比 5:5 除外),主要因为两者在形成方式和时间上 不一致造成.随着棉花秆颗粒含量增加,挥发分氮析出 峰值和峰区间逐渐增大,峰值出现点前移,原因是燃烧 初期以挥发分燃烧为主,挥发分中部分氮转化为 NH3 和HCN 等,棉花秆含量越高混合样中挥发分越多,越多的 NH3 和HCN 被氧化成 NO, NO 析出量越大. 燃烧中后期, 当垃圾掺混量高于棉花秆颗粒时,焦炭氮燃烧峰值随着 掺混比的增加而显著增加,是由于棉花秆中含有相对较 多的 K、Ca、Na 碱金属离子的活性成分[12] ,作为反应活 化中心承担氧的载体作用,携带更充分的氧进入到固定 氮发生反应生成 NO, 解海卫等[13] 研究的生活垃圾与生物 质混烧发电中棉花秆百分含量对 NOx 排放的影响,也得 到了类似结论.随着棉花秆颗粒含量进一步增加,当垃 圾掺混量低于棉花秆颗粒时,焦炭氮燃烧峰值逐渐减小, 是因为成型后的棉花秆属于纤维结构,当挥发分快速析 出后形成大量的多孔性焦炭,具有较高的孔隙率增加了 反应比表面积, 能够促进 NO 与焦炭的还原反应. 当掺混 比为 5:5 时, 挥发分氮析出峰值反而略高于焦炭氮燃烧峰 值,挥发分氮析出峰值分别高于垃圾与棉花秆单独燃烧 情况,表明当棉花秆与垃圾等量燃烧时燃烧速率加快, 生活垃圾和棉花秆颗粒的燃烧是既独立又相互影响的. 结合图 3b, 通过方差分析得出 P................