淺論生物質在與煤混燃過程中的固硫作用

【摘 要】對生物質與煤混燃過程中的固硫作用、影響因素等進行了介紹。生物質灰中堿金屬的存在使其具有一定程度的固硫作用，雖受生物質種類、溫度、粒徑等因素影響，但與煤混燃仍可降低SO2排放量，減輕燃煤的環保壓力，有一定的社會、經濟效益。

【關鍵詞】生物質；煤；混燃；固硫作用

隨著日趨嚴格的《火電大氣污染物排放標準》頒布實施，各級政府相繼加大了火電污染物排放的治理力度，尋找降低污染物排放的新技術、新方法現已成為探索重點之一。具有低氮、幾乎不含硫的生物質能源受到國內外學者的關注、研究，生物質與煤混燃可降低硫、氮等污染物的排放量，但對生物質在與煤混燃過程中的固硫作用目前尚存在不同的觀點。

一、影響硫排放量的因素

燃燒過程中的硫排放量一般可用下式表示：

硫排放量=燃料量×燃料含硫量×硫轉化率×（1－脫硫效率）

由上式可知：硫排放量與入爐燃料中含硫量成正比。當入爐燃料含硫量下降時，硫排放量相應降低，生物質燃料幾乎不含硫，其硫含量遠小于燃煤中的硫含量，所以煤與生物質混燃可有效降低SO2排放量。但對于混燃過程中硫轉化率是否下降，目前尚有爭議：有學者認為由于混合燃料的含硫量與SO2排放濃度不存在明顯的線性關系，故生物質在與煤混燃過程中的固硫作用可以忽略；[1] H. Spliethoff等[2]則認為硫轉換率隨生物質的加入而下降，且灰中硫含量隨生物質灰中堿金屬含量的不同而不同，故生物質具有一定固硫作用。

二、生物質的固硫作用

一般認為生物質具有固硫作用是由于以下原因：[3，4]

（一）生物質灰中含量較高的堿金屬、堿土金屬可以與煤燃燒過程中生成的硫氧化物反應，最終生成硫酸鹽，從而產生固硫作用，抑制SO2的排放，其反應方程式為：

（二）生物質揮發分含量高于燃煤，故其著火溫度較煤低，氧氣在燃燒初期主要供于生物質燃燒從而限制了部分SO2的生成。

（三）生物質本身具有對SO2有較強的吸附能力的木質素和腐植酸延緩了SO2的析出。

（四）煤中加入含硫量較低的生物質后，使混合燃料中硫的含量下降，從而導致SO2的生成量減少。

三、固硫作用的影響因素

與其它固硫劑相同，影響煤固硫作用的因素對生物質在混合燃燒過程的固硫作用同樣也有影響，但影響程度略有不同，且由于堿金屬在生物質中存在形式、含量及生物質組織結構的差異，不同生物質的固硫作用有時還會表現出相反結果。同時，生物質和煤之間還有可能存在相互作用[5]，同一種生物質在與不同煤即使在相同的混燃條件下，固硫作用也不盡相同。

（一）堿金屬對固硫作用的影響：堿金屬可與SO2反應生成硫酸鹽從而起到固硫作用，但不同的堿金屬的固硫程度存在差異性：與鈉、鉀等堿金屬相比，SO2更易和鈣、鎂等堿土金屬反應生成硫酸鹽。CaO的固硫作用在整個燃燒過程中均表現較強，且溫度變化對其的影響也較小，MgO的固硫作用則受溫度影響較大，其固硫效果在低溫階段時最為明顯。[6]另外，生物質灰中堿金屬氯化物，如NaCl，還能夠改善固硫劑的吸收性能，增強固硫劑的吸收能力。[7]

（二）溫度對固硫作用的影響：溫度對固硫作用的影響主要為幾方面原因：一是堿金屬與SO2生成硫酸鹽的反應過程受溫度影響，另一是隨溫度升高，硫酸鹽分解對固硫作用的削弱，第三則是煤中硫的析出量及析出速度隨溫度的升高而增大，固硫作用相對減弱。隨燃燒方式、生物質種類的不同，固硫效果隨溫度變化的形式也略不同。有實驗結果顯示，生物質型煤的固硫效果隨溫度的升高呈下降趨勢，循環流化床混燒時固硫效果隨溫度變化呈起伏變化，這與生物質灰中堿土金屬、堿金屬、氯含量有關，氯元素可以和堿金屬形成易揮發的堿金屬氯化物而將堿金屬從燃料中帶出，從而影響堿金屬的固硫作用，最終表現為生物質與煤混燃的固硫效果呈起伏狀態，但總體來說，溫度越低，固硫效果越明顯。

（三）混燃比例對固硫作用的影響：一般來講，生物質在混合燃料中的比例越高，相同溫度條件下固硫作用越強。其主要原因為生物質比例越高，生物質灰中堿金屬含量越高，從而使得參與固硫反應的堿金屬量相對增加，固硫效果增強。但由于生物質灰中堿金屬間的比值與固硫效果間存在相關關系，及其它元素對固硫作用的影響，生物質含量與固硫效果間不存在明顯的線性關系，不同生物質種類間也存在差異性。

（四）其它影響因素：固硫作用一定程度受燃料粒徑大小的影響：一方面粒徑大小對硫脫除率有影響，由于焦炭顆粒內的傳質對有機硫脫除反應隨燃料粒度的增大而增強，使得有機硫的脫除率隨著煤粒度的增大而降低，但煤粒度的大小對無機硫脫除率的影響不明顯[5]；另一方面，當燃料粒徑較大時，其在燃燒過程中易沉積在底部，不能充分與上升的SO2氣體混合反應，從而使得固硫作用減弱。

過量空氣系數的變化對固硫作用也有影響，其原因是雖然在燃燒初期，生物質的燃燒消耗了部分氧氣，但隨過量空氣系數的增大，SO2生成量增多，排放濃度相應增加。另外，生物質的存在可混合燃料的灰渣具有更發達的微觀孔隙結構，能有效防止固硫劑孔隙堵塞，延長SO2氣體與堿金屬的接觸時間，增加反應幾率，使反應向有利于固硫作用的方向進行。[8]

受生物質種類的多樣性、煤中全硫分賦存形態的差異、煤自身固硫作用、混燒過程中可能存在的抑制或協同作用等因素影響，生物質在混燒過程中的固硫作用還尚未形成統一的認識，準確、可靠的固硫模型的建立和標準化還需要大量的基礎研究。

四、結論

受生物質能源利用經濟半徑、生物質存儲、混燒技術等因素制約，生物質與煤混燒方式的大規模推廣使用尚需時日，而且由于生物質中的灰分較低，并受生物質自身特性、溫度等因素影響，生物質的固硫作用并不是單一的增減關系，不能顯示統一的規律性，而是隨生物質種類、混合比、燃燒方式等條件的不同而略有差異，但生物質與煤混燃在降低SO2的排放量，減輕燃煤的環保壓力方面仍有其自身優勢，具有一定的社會、經濟效益。

【參考文獻】

[1]XIE Jian-jun， YANG Xue-min， ZHANG lei， etc. Emissions of SO2， NO and N2O in a circulating fluidized bed combustor during co-firing coal and biomass [J]. Journal of Environmental Sciences， 2007， 19 (1): 109-116.

[2]H. Spliethoff， K.R.G. Hein. Effect of co-combustion of biomass on emissions in pulverized fuel furnaces [J]. Fuel Processing Technology， 1998， 54 (1-3):189–205.

[3]劉偉軍，孫慶濱，張維潔等 .生物質型煤固硫規律的研究[J].動力工程，1999，19(5):410-414

[4]閆曉，車得福，徐通模. 煤灰及各種礦物質對SO2排放特性的影響[J]. 燃燒化學學報，2005，33(3):273-276

[5]周仕學，郭俊利，劉夕華等. 高硫強粘結性煤與生物質共熱解脫硫脫氮的研究[J]. 山東科技大學學報，2000，19(2):33-37