生物质燃烧NO生成影响因素分析

生物质燃烧NO生成影响因素分析

陈帅

重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室  重庆市  400044

摘要：为探寻燃料类型、温度、氧量等因素对生物质燃烧NO生成影响，本文以几种新能源电厂普遍适用的典型生物质燃料为研究对象，包络：秸秆、木屑、稻壳以及甘蔗等，利用立式管式炉进行实验，实验结果表明：生物质燃料的N含量越高，NO的生成量越高；随着温度的升高，NO的生成量生成量越高，但受生物质燃料颗粒度的影响升高程度不同；氧气氧气含量越高，NO生成量越高；相比O2 /CO2，O2 /N2氛围下生物质燃料NO的生成量较高。

关键词：生物质燃烧；管式炉；NO生成特性；影响因素

引言

生物质能源作为唯一的可再生碳源，因其具有可再生性、环保性等优点，已经部分取代了石油、煤炭等化石能源，成为可再生能源利用的首选，成为世界范围内解决能源和环境问题的最佳途径之一。但是由于生物质燃烧的温度低、利用难度高，导致完全替代煤炭、石油来进行发现收到限制。相比与煤炭，生物质能源的燃烧特性具有较大差别，而对生物质燃烧NO生成影响因素的研究较少。为了深入研究生物质燃烧NO生成的机理及释放特性，本文利用立式管式炉燃烧系统，通过对燃料配比、温度、氧量的控制，来分析上述因素对生物质燃烧过程中NO生成的影响规律。

1. 实验材料和方法
   1. 实验设备

本次实验所用的立式管式炉燃烧系统是由反应炉、送气、火焰实时监测以及气体成分分析等四个系统构成。配气系统由3台 Alicat质量流量计组成。火焰实时监测由计算机来进行控制，能够实时监测炉膛内生物质的燃烧情况。采用 testo350 烟气分析仪来对气体进行分析。

1.2实验材料

本实验选用的生物质燃料分别为：稻壳、木屑、秸秆以及甘蔗渣，上述四种燃料是目前新能源电厂常用的4种典型生物质燃料且植物的类型也不尽相同。其中稻壳属于禾本植物；木屑属于木本植物；秸秆和甘蔗渣同属于草本植物。

在本次实验中为确保试验原料能够充分燃烧，4种生物质燃料样品为空气干燥基样品，且样品粒度均小于100μm。根据行业标准，样品的热值使用马弗炉进行测定，元素分析使用元素分析仪进行测定，分析结果如表1所示。

表1 工业分析及元素分析

1.3实验方法

管式炉内的燃烧气氛是由氮气、氧气和二氧化碳依据不同比例混合构成，通过质量流量计对各气体流量进行精准控制。在实验过程种，各样品的为同等质量，输入气体满足理论空气量，流量保持在20L/min。本次实验的最高温度为1000℃，通过烟气分析系统，获得NO生成曲线。

2. 结果讨论

2.1 不同生物质燃料对NO生成的影响

2.1.1 不同生物质燃料生成NO的特性

在900℃下，将稻壳、木屑、秸秆以及甘蔗渣等4种生物质样品在不同含氧量（氧气含量分别为30%和35%）下进行充分燃烧，NO的生成随时间释放量如表2和表3所示。

表2 30%含氧量下NO释放量

表3  35%含氧量下NO释放量

由表2和表3可知，在生物质燃烧主要发生于10-25s阶段，在该阶段N主要转化为 NO，NO的生成值较高且具有较大变化。稻壳、秸秆和甘蔗渣等三种生物质燃料能够在较短的时间得到充分燃烧，而木屑的燃烧速度则较为缓慢，因此，木屑燃烧NO生成曲线与其他三种燃料相比有显著差异。主要原因可能是由于本实验所选用的木屑样品是采用压制成型，导致颗粒的紧密度高，导致NO的产生具有滞后性。相比与其他三种生物质燃料，木屑的NO生成速率较慢，导致其生成的时间更长，也说明木屑燃烧的稳定性更强。由此可见，生物质燃料的类型不同，N0的生成量和生成速率具有存在显著差异。

2.1.2 生物质含氮量对NO生成的影响

   本次实验依据生物质燃烧NO的生成总量和生物质燃料中氮元素的转化率，来分析不同生物质燃料的含氮量对NO生成的影响。在900℃下，不同含氧量下4种生物质燃料氮向NO的转化率，如表4所示。在不同含氧量下，生物质的含

氮量对NO的生成量及氮的转化率具有明显的规律性。由表1可知，木屑、稻壳、甘蔗渣、秸秆等4种生物质燃料样品种的含氮量分别0.47%、0.52%、0.22%和0.66%，秸秆的含氮量最高、甘蔗渣的含氮量最低。由表4可知，4种生物质燃料NO的生成量也是秸秆最高、甘蔗渣最低，两者具有一致性。而氮向NO的转化率则是甘蔗渣最高、秸秆最低。由此可见，生物质燃料的氮含量越高，则生物质燃烧NO的生成量越高，而N的转化率则呈现相反趋势。导致此现象的主要原因是随着生物质燃料含氮量的增加，燃料氮及NH3 的分解会产生NH 2、NH等气体，与 NO 的反应也得到增强，使NO发生还原反应，而生成N2，降低了氮向NO的转化率。

表4 不同氧气含量NO的生成量及氮的转化率

2.2 温度和氧气量的影响

在富氧燃烧条件下，氧气量大小将直接影响NO的生成。在不同温度下，稻壳和秸秆的NO生成量随氧气量的变化如表5、表6所示。为了分析温度和氧气量对NO生成的影响，本次实验选用稻壳和秸秆两种生物质样品，将燃烧温度分别设定为800℃、900℃和1000℃。。

表5 不同氧气含量下稻壳燃烧NO生成率

表6 不同氧气含量下秸秆燃烧NO生成率

由表4、表5可知，随着燃烧温度的升高，生物质燃烧NO的生成量不断提升，但增长的趋势并不显著。主要原因是在800-1000℃之间，是NH3和NO发生还原反应的适宜温度区，同时随着温度的升高，还原反应的强度也增强，此外，稻壳和秸秆两种生物质燃料在燃烧过程中随着氧气含量的增加，NO的生成量显著增加。由此可见，在富氧燃烧条件下，环境中氧气含量过低对于NO的生成将产生不利影响，具有抑制作用。如果氧气含量过高，将使用NO生成量增加、但如果含氧量过低, 生物质燃烧的火焰温度将缺乏稳定性，故此，需要针对不同的生物质燃料配合合适的氧气含量，来保持NO具有较低的生成量，同时又能保证火焰温度的稳定性。

2.3 燃烧氛围的影响

本次实验选择稻壳和木屑样品在900℃下，分析了在30%O 2 /70%N2 和30%O2 /70%CO2 氛围下，CO和NO的释放量如表7和表8所示。

表7 稻壳在O2 /N2和O2 /CO2氛围下CO和NO释放量

表8 木屑在O2 /N2和O2 /CO2氛围下CO和NO释放量

由表7和表8可知，在O2 /N2和O2 /CO2氛围下，稻壳和木屑两种生物质燃烧NO生成近似相同，其燃烧阶段均可以划分为3各阶段，包括：前期挥发析出、中期NO大量生成、后期稳定燃烧等。此外，在O2 /N2氛围下，NO生成的最大值要高于O2 /CO2，由此可见，CO会抑制NO的生成。

在O2 /N2氛围下，由于两种生物质燃烧均不会产生CO，主要原因是由于氧气含量较高，生物质中的C全部直接被氧化生成CO2。在O2 /CO2氛围下，由于CO2的浓度较高，使CO2的生成得到抑制，而生成大量CO。

相比O2 /CO2，O2 /N2氛围下生物质燃料NO的生成量较高，主要原因在于在O2 /N2氛围下CO的生成量较低，燃烧环境属于氧化环境，NO的还原反应得到有效抑制，NO生成量较高。

结论

（1）生物质燃料氮含量越高, NO生成量越高, 但转化率却呈现下降趋势。

（2）燃烧温度和含氧量对 NO的生成有重要影响。在相同含氧量下, 燃烧温度越高，NO生成越高; 在相同燃烧温度下随着含氧量增加， NO 生成总量也逐渐增加。

（3）O2 /N2 燃烧氛围下CO含量较少, 反应均处在氧化性气氛, 而O2 /CO2氛围中CO的大量生成，属于还原性反应环境, 在此条件下，NO生成总量远低于O2 /N2氛围, 说明表明O2 /CO2对NO的生成具有明显抑制作用。不同生物质燃料氮含量在O2 /N2氛围与 O2 /CO2氛围中的NO生成特性规律基本相同, 但在 高N2 条件下,燃料氮向NO的转化率更高。

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