生物質(zhì)燃燒過程氮和硫的遷移、轉(zhuǎn)化特性研究.pdf

1、目前，直接燃燒發(fā)電是最為成熟和應(yīng)用最廣的生物質(zhì)能源化利用技術(shù)。然而，盡管生物質(zhì)中的氮和硫元素含量要低于燃煤等化石燃料中的值，但是隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，其熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用過程中的氮氧化物和硫氧化物排放依然不容忽視。本文依托十二五國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“先進(jìn)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)示范”，以開發(fā)先進(jìn)的高效、低污染生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)為目的，采用熱重紅外聯(lián)用分析儀、固定床反應(yīng)裝置和0.5MW循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)對生物質(zhì)燃燒過程氮和硫的遷移、轉(zhuǎn)化機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)

2、的研究。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　 (1)選取國內(nèi)具有代表性的幾種農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)（稻草、麥稈、玉米桿、甘蔗葉、桉樹皮）為研究對象，對生物質(zhì)熱解過程中氮的析出特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在低溫?zé)峤鈼l件下(250℃)，生物質(zhì)中的氮便開始有明顯的析出，并且氮的析出大部分發(fā)生在400℃以前，當(dāng)熱解溫度達(dá)到900℃時，生物質(zhì)燃料中的氮僅有不到30％殘留在焦炭中。NH3和HCN是熱解過程中最主要的氣相含氮前驅(qū)物，且二者顯示出不同的析出特性

3、。慢速熱解條件下，稻草在低溫階段＜500℃)的主要含氮?dú)怏w為NH3，而在高溫階段，NH3基本停止析出，HCN仍然有較為明顯的生成?？焖贌峤鈼l件下，特別是在高溫條件下，HCN的生成量要明顯高于NH3的值，鑒于HCN是生成N2O的重要前驅(qū)體，推測生物質(zhì)燃燒過程的N2O排放從理論上不容忽視。
　　 (2)采用氨基酸作為含氮前驅(qū)物制備了生物質(zhì)模型焦炭化合物，并分析和研究了焦炭中的含氮結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，氨基酸和纖維素混合熱解過程發(fā)生了強(qiáng)

4、烈的耦合反應(yīng)。通過對生物質(zhì)模型焦炭化合物的XPS分析發(fā)現(xiàn)，不論是在含氮官能團(tuán)的種類，還是含氮官能團(tuán)各自所占的比例方面，生物質(zhì)焦都具有與低階煤焦類似的特性。
　　 (3)在條件可控的固定床反應(yīng)裝置上研究了對生物質(zhì)燃燒過程中NO和N2O的生成特性。雖然生物質(zhì)燃燒過程中燃料氮中的很大一部分轉(zhuǎn)化為NO，但同時也有相當(dāng)程度的N2O生成率。氮氧化物的生成大部分來源于揮發(fā)份氮，因此，生物質(zhì)燃料具備良好的爐內(nèi)脫硝潛力。在700℃～900℃的溫度

5、范圍內(nèi)，燃料氮向NO的轉(zhuǎn)化率先升高，在達(dá)到750℃后呈微弱的降低趨勢，而其對N2O的轉(zhuǎn)化率則是一直降低。NO和N2O的生成率均隨著氧濃度的增加而呈現(xiàn)出增加趨勢，并且在高溫條件下，上述增加的趨勢變的更為明顯。
　　 (4)相比煤焦，生物質(zhì)焦具有良好的還原NO活性，這對實(shí)際燃燒過程中降低NO排放具有重要的意義。研究結(jié)果表明，生物質(zhì)焦炭對NO的還原作用很大程度上受到焦炭物理化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)條件的影響。隨著焦炭制備溫度的升高，其對NO的還

6、原作用逐漸下降，而反應(yīng)溫度的升高則會明顯導(dǎo)致焦炭還原NO的能力增強(qiáng)。
　　 (5)以稻草為對象，深入研究了生物質(zhì)燃燒過程中硫的遷移、轉(zhuǎn)化機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，稻草熱解過程硫的析出主要發(fā)生在低溫階段(＜400℃)，且主要源于有機(jī)硫的分解。稻草焦具有很強(qiáng)的吸附SO2的能力，且吸附的硫主要與焦炭中的碳結(jié)構(gòu)結(jié)合形成較為穩(wěn)定的有機(jī)硫結(jié)構(gòu)，而不是直接與K、Ca等元素反應(yīng)生成無機(jī)鹽類。而在焦炭后續(xù)的燃燒過程中，大部分吸附在有機(jī)碳結(jié)構(gòu)上的硫能轉(zhuǎn)變

7、為無機(jī)硫酸鹽的形式固存在灰相中，而這一過程主要受控于焦炭中能參與硫酸鹽化反應(yīng)的K、Ca等無機(jī)元素的含量。
　　 (6)循環(huán)流化床爐內(nèi)良好的氣固相接觸條件大大強(qiáng)化了燃燒過程的自固硫作用。在本文的低溫燃燒模式下＜800℃)，能夠?qū)崿F(xiàn)生物質(zhì)燃燒SO2的零排放。提高過量空氣系數(shù)能大幅度的降低CO排放，但卻導(dǎo)致NO濃度的增加。過量空氣系數(shù)對N2O沒有明顯的影響。提高床層溫度會導(dǎo)致NO排放的而增加，但同時卻降低了N2O濃度。在高溫工況下，空