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宋長忠，劉巖
（內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特010000）
摘要：在自行研制的小型循環流化床試驗臺上，對生物質與褐煤混合燃燒煙氣中SO2排放狀況進行了研究。試驗選取四種不同生物質（葵花秸稈、玉米秸稈、沙柳枝條、柳樹枝條）與褐煤混合，在不同生物質種類、摻混比例和床溫試驗條件下測定了燃燒煙氣中SO2析出狀況；結果表明：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??；本文所選床溫范圍內，隨著溫度的升高，SO2排放量逐漸增大。
我國作為農業大國，生物質資源豐富。農業生物質資源主要包括農作物秸稈和農業加工業廢棄物，常見秸稈包括小麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈、葵花秸稈等。
由于生物質具有揮發分含量高，著火溫度低，含硫量低，成灰量低等特性，是一種清潔的可再生能源。隨著能源利用技術的發展，生物質能的利用途徑和方式得到了擴展，例如生物質直燃發電，生物質混煤燃燒發電。生物質能源的利用，一方面緩解了一次能源的消耗，另一方面減少了大氣污染物的排放，是一種利用價值很高的可再生清潔能源[1-2]。生物質資源化利用中，生物質混煤燃燒具有很高的研究價值。由于生物質本身硫含量低，并且生物質本身含有一定量的堿金屬元素，可以固化一部分燃燒煙氣中的SO2，一定程度上減少了污染氣體的排放[3-4]。本文主要研究生物質混煤燃燒的SO2排放特性，為生物質混煤燃燒污染物控制提供一定的理論依據。
1試驗
1.1試驗原料
試驗所選煤種為褐煤，生物質選擇葵花秸稈、玉米秸稈、沙柳枝條、柳樹枝條4種內蒙古常見種類，所有原材料均經過研磨篩分，褐煤試驗用粒徑選擇60~80目，4種生物質試驗用粒徑選擇40~60目，試驗用混合燃料質量為40g。
1.2試驗儀器
1.2.1循環流化床燃燒設備
燃燒試驗設備為自行研制的36kW/h小型循環流化床系統，采用電加熱，如圖1所示，試驗設備包括送風系統、給料系統、引風系統和電加熱系統。爐膛整體高度為250cm，爐膛底部布風板直徑為5cm；給料系統包括料斗及電動螺旋給料機，螺旋給料的同時輔以送料風，保證給料的連續充足。通過螺旋給料機轉速調節鈕，可以改變給料速度；給料機的轉速可調值為0~100r/min。通過轉子流量計可調節送料風、一次風、二次風的大小。一、二次風以及送料風的布設位置分別為爐底布風板、爐膛中部及燃料入口處。燃燒過程中煙氣冷卻除塵后，利用煙氣分析儀分析氣體中SO2含量，煙氣最后通過引風機排入大氣。
1.2.2煙氣分析儀
本試驗使用的是德國德圖公司生產的Testo350型煙氣分析儀，主要是用來測量煙氣中的SO2含量。煙氣取樣位置布設在煙道尾部中央，采樣時間間隔為1s，通過煙氣分析儀配套的實時測量軟件，測得煙氣內SO2的排放質量濃度。
1.3試驗數據處理
試驗數據處理方案：每20s為一個計算區間，利用公式（1）計算出所選區間內煙氣中S含量。所有試驗數據處理均采用引風機流量作為煙氣流量，會導致計算結果偏大，但不影響試驗數據規律的分析。
2試驗結果與分析
2.1不同生物質種類條件下生物質混煤燃燒的SO2析出曲線
試驗條件為900℃恒溫，試驗原料選用褐煤、褐煤—葵花秸稈、褐煤—玉米秸稈、褐煤—柳樹枝條、褐煤—沙柳枝條，褐煤—生物質混合燃料混合比例均為8∶2。褐煤及混合燃料總質量均為40g，試驗結果如圖2、圖3所示。
圖2褐煤與不同生物質摻混燃燒煙氣內SO2含量如圖2，0~20s時間區段內，褐煤—葵花、褐煤—玉米混合燃料SO2排放量差異不明顯；褐煤—柳樹、褐煤—沙柳SO2排放量均低于其他3種燃料。20~40s時間區段內，褐煤等5種混合燃料的SO2排放量均隨著時間的延長，排放量不斷上升。40~60s時間區段內褐煤—沙柳及褐煤—葵花混合燃料均呈現出下降趨勢?？ā⒂衩鬃鳛榻斩掝惿镔|，在此區段內SO2排放量差異明顯。4種生物質混煤燃料中褐煤—玉米秸稈的SO2排放量最高，褐煤—柳樹的SO2排放量最低。如圖3，4種生物質混煤燃料的最大SO2排放量存在較明顯差異。在0~60s時間區段內，褐煤—玉米混合燃料最大SO2排放質量濃度最高，褐煤—柳樹混合燃料的最大SO2排放質量濃度最低。
0~40s時間區段內，褐煤—玉米及褐煤—葵花混合燃料SO2排放量差異不明顯。由元素分析數據可知，葵花秸稈、玉米秸稈內S元素含量差異較小，導致此時間區段內SO2排放量差異不明顯。40~60s時間區段內，葵花、玉米秸稈混煤燃料SO2排放量呈現明顯差異，分析原因為，隨燃燒的進行，混合燃料內灰分含量不斷增加，生物質灰分可能會阻塞煤粉燃燒形成的焦炭孔[5]。由工業分析數據可知，玉米秸稈灰分含量明顯高于葵花秸稈，從而導致燃燒后期葵花秸稈煙氣中SO2含量高于玉米秸稈。
褐煤內摻混一定量的生物質，煙氣中SO2含量及最大排放質量濃度均有一定程度的降低，說明煤中摻混生物質可以減少煙氣中SO2的排放量。沙柳—褐煤及柳樹—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、柳樹為木質類生物質，研磨后因流動性較差，進料不均勻，導致所選試驗區段內SO2析出不明顯。對比圖中4種混合燃料煙氣中SO2含量可知，生物質種類對混合燃料煙氣內SO2含量的影響較為明顯。主要原因在于生物質內堿金屬及堿土金屬含量的不同，并且生物質內木質素以及半纖維素的含量都會影響生物質混煤燃燒中SO2的排放，其中木質素含量的大小對SO2的排放影響最為明顯，其次是半纖維素[6]。
2.2不同摻混比例條件下生物質混煤燃燒的SO2析出曲線
試驗條件為900℃恒溫，試驗原料選用褐煤—柳樹枝條，混合比例分別為9:1、8:2、7:3，試驗用原料質量均為40g。試驗結果如圖4、圖5所示。
如圖4，0~20s時間區段內，褐煤—柳樹比例為8:2、7:3的混合燃料，SO2的排放量差異不明顯；褐煤—柳樹比例為9:1的混合燃料SO2排放量明顯高于其他兩種混合燃料。20~40s時間區段內，3種比例下混合燃料SO2排放量均隨著時間的延長，排放量不斷上升。褐煤—柳樹比例為8:2、7:3的混合燃料，SO2排放量差異較0~20s時間區段明顯。0~60s時間區段內，褐煤—柳樹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。如圖5所示，隨著柳樹混合比例的減小，0~60s時間區段內最大SO2排放質量濃度近乎呈線性增長。
0~20s時間區段內，褐煤—柳樹比例為8:2、7:3的混合燃料，SO2排放量差異不明顯的原因在于混合燃料質量基數較小，兩種比例下柳樹含量相差不大，燃燒初期主要表現為生物質燃燒特性，導致燃燒初期SO2排放量差異不明顯。
表3為煙氣內S含量及混合燃料內所含S質量的計算值，煙氣內S質量表征20~40s時段內的SO2排放量。如圖6，隨著生物質摻混比的升高，煙氣內與混合燃料內S含量的比值呈下降的趨勢，其比值變化趨勢隨著混合燃煤褐煤—柳樹摻混比的升高出現了一定的變化規律。分析其原因主要是，生物質內含有堿金屬及堿土金屬，這些物質燃燒形成的金屬氧化物能夠吸收SO2，從而減少SO2的排放量，即生物質本身的固硫特性[7]。其次，柳樹作為生物質本身揮發分含量較高，揮發分的燃燒主要集中在燃燒初期，揮發分的大量燃燒導致初期氧含量降低，從而進一步減少了SO2的排放量[8]。另外，生物質內含有一部分木質素和腐殖酸，木質素和腐殖酸具有較大的比表面積，可吸附一部分煙氣中的SO2氣體[9]。
2.3不同床溫條件下生物質混煤燃燒的SO2析出曲線
試驗原料選擇混合比例為8:2的褐煤—柳樹混合燃料，試驗床溫分別為900℃、950℃、1000℃，試驗用混合燃料質量均為40g。試驗結果如圖7所示。
如圖7，0~20s時間區段內3種溫度下混合燃料SO2排放量差異不明顯。20~40s時間區段內，900℃床溫下SO2排放量最低；950℃、1000℃床溫下SO2排放量差異較小。40~60s時間區段內，900℃、950℃床溫下SO2排放量差異減小，1000℃床溫下SO2排放量較其他兩種混合燃料差異明顯。60~80s區段內3種床溫下混合燃料SO2排放量逐漸接近。在0~80s時間區段內，3種床溫下SO2排放量均呈現上升趨勢。
如圖8，隨著床溫的升高混合燃料的最大SO2排放質量濃度呈現上升趨勢。0~20s時間區段內，燃燒初期由于所用混合燃料質量及混合比例均一致，導致3種床溫下SO2排放量差異不明顯。20~40s時間區段內，由于所選試驗溫度900℃、950℃相差不大，導致此時間區段內兩種床溫下的SO2排放量差異不明顯。40~60s時間區段內，1000℃床溫下SO2排放量明顯升高，分析原因是由于生物質燃燒形成的灰分一定程度上會阻塞焦炭孔，抑制SO2的析出，但是隨著溫度的升高，焦炭孔內部的壓力不斷增大，會吹散一部分附著在焦炭孔上的灰分，從而消弱了對SO2的抑制作用，導致排放煙氣中SO2含量上升。60~80s時間區段內進入燃燒后期，混合燃料燃燒趨于完全，3種床溫下混合燃料SO2排放量差異逐漸減小。
進一步分析，隨著床溫升高SO2排放量升高還有以下幾點原因：根據化學方程式的化學平衡原理，溫度升高導致燃料中可燃硫與O2迅速反應[10]，從而導致排放氣中SO2含量增高；另一方面，隨著溫度的升高某些在較低溫度處于穩定狀態的含硫化合物開始分解，也會使得煙氣內SO2含量上升[11-12]。
3結論
?。?）生物質的摻混一定程度上可以減少SO2的析出，生物質種類對混合燃料中SO2的析出影響較為明顯。對于秸稈類生物質葵花和玉米，混合燃料在燃燒前期兩種生物質SO2析出狀況基本相同，燃燒后期由于灰分的原因，葵花秸稈SO2析出量要高于玉米秸稈。
?。?）生物質摻混比例越大，煙氣中SO2含量越低。
?。?）隨著生物質摻混比的升高，煙氣內與混合燃料內S含量的比值呈現一個下降的趨勢，其比值隨著摻混比的升高出現了一定的規律。
?。?）本試驗所設溫度區間內，溫度越高，煙氣中SO2含量越高。
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