秸稈壓制燃料在生物質(zhì)鍋爐的燃燒特性及排放控制方式

馬付明，高 威

(1.吉林石化公司動(dòng)力二廠，吉林 吉林 132000；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

資源與環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今時(shí)代的重大問(wèn)題，資源短缺、環(huán)境污染制約著社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步，傳統(tǒng)能源正逐步被新型能源所取代，生物質(zhì)燃料就是近年來(lái)關(guān)注度很高的一種新型燃料。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的秸稈資源是重要的生物質(zhì)燃料原材料，其具有生長(zhǎng)范圍集中、產(chǎn)出量大的優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)農(nóng)作物秸稈資源的能源化利用，能顯著降低資源壓力，減少秸稈田間焚燒造成的環(huán)境污染。《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于做好2022年農(nóng)作物秸稈綜合利用工作的通知》中強(qiáng)調(diào)：“推進(jìn)秸稈變能源降碳，助力“雙碳”工作。”要求在鄉(xiāng)村社區(qū)、園區(qū)及公共機(jī)構(gòu)等推廣“成型燃料+生物質(zhì)鍋爐供熱”技術(shù)。為進(jìn)一步優(yōu)化秸稈成型燃料在生物質(zhì)鍋爐的燃燒品質(zhì)，增加資源利用率并降低排放污染，開(kāi)展了專項(xiàng)研究。

1 技術(shù)背景

以秸稈資源為代表的生物質(zhì)能是世界第4大能源類別，其能量來(lái)源是植物體中所含的葉綠體通過(guò)光合作用而吸收到植株內(nèi)部的能量，其包括除化石燃料外的全部來(lái)自動(dòng)植物中的可再生能源，具有儲(chǔ)備量大、分布廣泛、低污染排放、能夠再生的特征，生物質(zhì)能源約占全球一次能源的14%。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的秸稈利用政策日趨完善，各地結(jié)合中央關(guān)于秸稈綜合利用的政策開(kāi)展了秸稈回收補(bǔ)貼、作業(yè)補(bǔ)貼等多項(xiàng)激勵(lì)政策，根據(jù)我國(guó)2022年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈綜合利用率已達(dá)86%以上，秸稈利用市場(chǎng)主體進(jìn)一步壯大，秸稈的能源化利用技術(shù)日趨成熟。以秸稈為原材料制造生物質(zhì)能源，需與生物質(zhì)鍋爐技術(shù)相配套，生物質(zhì)能源的燃燒能滿足社會(huì)對(duì)于熱量和能源的供應(yīng)需求。現(xiàn)階段，部分生物質(zhì)鍋爐的應(yīng)用仍存在一定的不足，如能源利用率低，排放中含有過(guò)量的NOX、SO2和顆粒物等污染物，針對(duì)生物質(zhì)鍋爐的技術(shù)優(yōu)化和燃燒特性研究還需進(jìn)一步深入[1]。

2 秸稈壓制燃料的燃燒特性

2.1 成分測(cè)定與分析

秸稈壓制燃料是秸稈資源的能源化利用形式之一，其通過(guò)向秸稈中添加少量添加劑后利用高溫高壓設(shè)備將秸稈壓制成為密度更大的秸稈塊。秸稈壓制燃料能在一定程度替代傳統(tǒng)煤炭、木材等燃料能源，且具有可再生、重復(fù)利用特征。以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的玉米、小麥秸稈的壓制燃料為基礎(chǔ)，進(jìn)行成分的工業(yè)分析，混合秸稈材料制成的壓制燃料成分如圖1所示，可見(jiàn)其中含量最高的為碳元素和氧元素，分別達(dá)到總成分的46%和39%，此外還包含有一定量的氫和少量的氮元素及微量的硫元素。可見(jiàn)秸稈壓制制造成為的生物質(zhì)燃料，其特征是含氮、硫等元素比例很低，燃燒只會(huì)產(chǎn)生微少的NOX、SO2等有害物質(zhì)，對(duì)引起空氣污染的影響不大[2]。

圖1 混合秸稈材料制成的壓制燃料成分

通過(guò)對(duì)秸稈壓制燃料進(jìn)行成分測(cè)定，秸稈壓塊處理后其平均含水率低于3%，表示具有良好的易燃性和燃燒生熱能力。經(jīng)過(guò)燃燒測(cè)定后，秸稈壓制燃料的灰分僅為4%～6%，表明不可燃燒的成分較少，燃燒后廢棄物不多。由于混合秸稈壓塊制造的燃料含碳量為46%左右，與煤炭的含碳量(75%～90%)相比明顯偏低，而碳元素的含量與燃燒產(chǎn)生的熱量直接相關(guān)，因此，秸稈壓制燃料燃燒產(chǎn)生的熱量比煤炭低很多，但同時(shí)，由于其內(nèi)部含有的氮元素、硫元素與煤炭相比明顯更低，其燃燒產(chǎn)生的污染很少。

2.2 燃燒過(guò)程特性測(cè)定

按照生物質(zhì)燃料的綜合特征，其燃燒過(guò)程通常包括四個(gè)階段：第一階段散失內(nèi)部水分，第二階段壓制燃料開(kāi)始熱分解，第三階段燃料開(kāi)始燃燒，第四階段穩(wěn)定燃燒生熱。經(jīng)過(guò)對(duì)四個(gè)燃燒階段進(jìn)行溫度測(cè)試與統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)秸稈壓制燃料在各個(gè)階段可產(chǎn)生的最高溫度如圖2所示。

圖2 秸稈壓制燃料各燃燒階段的最高熱值

在燃燒過(guò)程中，第一階段和第二階段平均質(zhì)量損失較少，第三階段平均質(zhì)量損失最高，達(dá)到總質(zhì)量的50%以上，第四階段穩(wěn)定燃燒，熱量升高，但持續(xù)時(shí)間較短。總體來(lái)說(shuō)，與煤炭相對(duì)比，煤炭穩(wěn)定燃燒其平均溫度可達(dá)550～700 ℃，而秸稈壓制燃料的產(chǎn)熱能力相對(duì)較低。

2.3 燃燒過(guò)程中可能產(chǎn)生的有害物質(zhì)

秸稈壓制燃料作為生物質(zhì)燃料的一種，其內(nèi)部能量來(lái)源于農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程光合作用吸收的二氧化碳，通過(guò)將二氧化碳轉(zhuǎn)換成為有機(jī)物存于植株內(nèi)部作為能量，在生物質(zhì)鍋爐內(nèi)燃燒過(guò)程又將內(nèi)部的有機(jī)物分解成為二氧化碳釋放出來(lái)，本質(zhì)上講不會(huì)對(duì)空氣中的二氧化碳含量造成明顯影響。從秸稈壓制燃料的成分來(lái)看，與煤炭等礦物質(zhì)燃料相比，秸稈壓制燃料因成分較為簡(jiǎn)單，有害礦物質(zhì)少，燃燒過(guò)程污染相對(duì)較輕，主要污染物僅為NOX，且產(chǎn)生量較少。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，秸稈壓制燃料在生物質(zhì)鍋爐中的燃燒還會(huì)受到環(huán)境因素、鍋爐技術(shù)先進(jìn)性、人員操作規(guī)范性等因素影響，導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)量污染物。導(dǎo)致燃燒后污染物增多的原因包括：一是秸稈壓制燃料制作工藝不合格，原材料中混有大量的雜質(zhì)，如泥土、碎石、金屬碎屑等，可能導(dǎo)致燃燒過(guò)程產(chǎn)生不可控的污染物，同時(shí)，若秸稈壓制過(guò)程使用的添加劑不合格，也會(huì)造成燃燒過(guò)程產(chǎn)生其他污染物；二是鍋爐燃燒效率不足，若秸稈壓制燃料燃燒條件不充分，如氧氣不足、空氣循環(huán)不佳等，可能導(dǎo)致燃燒不充分，產(chǎn)生過(guò)量CO及粉塵；三是缺少排氣處理機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致燃燒后的有害物質(zhì)直接進(jìn)入大氣層。總體來(lái)說(shuō)，秸稈壓制燃料在不理想的環(huán)境燃燒會(huì)產(chǎn)生超過(guò)理想狀態(tài)的污染物量，此時(shí)產(chǎn)生的污染物包括NOX、CO、S02、PMl0、PM2.5等，此類污染物混合在空氣中，在陽(yáng)光照射下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可能引起臭氧層破壞等嚴(yán)重問(wèn)題[3]。

3 生物質(zhì)鍋爐燃燒排放性能優(yōu)化

3.1 排放標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)我國(guó)環(huán)保管理部門環(huán)辦函〔2009〕797號(hào)結(jié)合吉林(DB22/T 2581—2020)、天津(DB12/T 765—2018)等地近年來(lái)對(duì)生物質(zhì)鍋爐的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，生物質(zhì)鍋爐排放要求日趨嚴(yán)格，整合各地的排放標(biāo)準(zhǔn)，目前生物質(zhì)鍋爐排放應(yīng)滿足的合理標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 生物質(zhì)鍋爐主要污染物排放上限

3.2 降低排放污染物的方法

在生物質(zhì)鍋爐保持優(yōu)質(zhì)燃燒性能的前提下，還可采取針對(duì)性措施降低主要污染物燃燒后的生成量，使生物質(zhì)鍋爐的燃燒產(chǎn)物更加綠色環(huán)保。

3.2.1 NOX排放控制

NOX燃燒后的排放量主要可通過(guò)以下幾種方式進(jìn)行控制，一是優(yōu)化燃燒條件，可利用自動(dòng)控制技術(shù)調(diào)節(jié)空氣供給量，使燃燒過(guò)程分為低氧燃燒和富氧燃燒兩階段，低氧燃燒空氣供給量接近燃燒的理想狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生的NOX量很少，但也會(huì)產(chǎn)生較多的不完全燃燒現(xiàn)象，然后通過(guò)富氧燃燒階段將碳化物充分燃燒釋放熱量，此種方式成本較低，但燃燒效率也隨之降低；二是催化還原技術(shù)，是指在特定的燃燒溫度和催化劑作用下減少NOX的生成量，常用的催化劑包括NH3、液氨、尿素等，催化劑加入后可將燃燒生成的NOX轉(zhuǎn)化成為N2和H2O。此外，還可通過(guò)生物質(zhì)活性炭、臭氧氧化脫硝等技術(shù)減少NOX排放[4-5]。

3.2.2 SO2排放控制

SO2排放主要通過(guò)脫硫技術(shù)控制，隨著鍋爐技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)傳統(tǒng)鍋爐和生物質(zhì)鍋爐在脫硫技術(shù)上都實(shí)現(xiàn)了升級(jí)，傳統(tǒng)的脫硫技術(shù)主要依靠石灰作為主原料制造成為脫硫劑，當(dāng)燃燒產(chǎn)生的SO2進(jìn)入脫硫裝置后，會(huì)與石灰中的鈣元素發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成CaSOX，有效減少SO2進(jìn)入的量。但該類技術(shù)存在脫硫劑使用時(shí)間短，使用時(shí)間長(zhǎng)后脫硫能力下降，產(chǎn)生廢水、廢物需處理等問(wèn)題。近年來(lái)，新型脫硫技術(shù)得到更多應(yīng)用，例如利用氣液耦合器進(jìn)行脫硫，氧化還原反應(yīng)更徹底，使用壽命更長(zhǎng)，使脫硫效率和結(jié)構(gòu)壽命均延長(zhǎng)近1倍。同時(shí)，該設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)更為便捷，環(huán)保性更好。

3.2.3 顆粒物排放控制

秸稈壓制燃料在生物質(zhì)鍋爐燃燒，會(huì)因?yàn)槿紵龡l件不理想導(dǎo)致出現(xiàn)不完全燃燒或燃燒產(chǎn)物在熱反應(yīng)下生成顆粒物，盡管生物質(zhì)鍋爐燃燒秸稈壓制燃料等生物質(zhì)能源的顆粒物排放量?jī)H為傳統(tǒng)鍋爐燃燒煤炭的25%～30%，但其生成的顆粒物以PM2.5為主，PMl0相對(duì)較少，根據(jù)我國(guó)《GB 13271-014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，應(yīng)該為生物質(zhì)鍋爐配備有效的顆粒物處理設(shè)備，降低顆粒物排放進(jìn)入大氣的比例。傳統(tǒng)的顆粒物排放控制技術(shù)為布袋除塵器技術(shù)，既具有較高的除塵效率，且配套成本較低，但長(zhǎng)時(shí)間使用容易因高溫、雨雪等腐蝕而破損，維修和更換頻率較高；隨著生物質(zhì)鍋爐技術(shù)優(yōu)化，新型的氣旋串聯(lián)除塵設(shè)備逐漸被推廣應(yīng)用，不僅能有效去除粉塵，且安裝、更換、維護(hù)保養(yǎng)都相對(duì)容易，適合在新型鍋爐上普及。

3.2.4 煙氣黑度控制

煙氣黑度主要通過(guò)改善燃燒條件進(jìn)行控制，應(yīng)主要從兩方面對(duì)生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行升級(jí)，一是優(yōu)化鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)秸稈壓制燃料與空氣供給的科學(xué)匹配；二是優(yōu)化鍋爐硬件配套，利用傳感器檢測(cè)排氣質(zhì)量，增設(shè)煙氣回收二次燃燒功能，以提高碳化物的燃燒率。

4 結(jié)語(yǔ)

生物質(zhì)資源的高效利用已成為時(shí)代的必然需求，以秸稈作為基料制造的生物制燃料具有低污染、可再生、成本低等多種優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐與科學(xué)技術(shù)相融合，不斷提升秸稈壓制燃料在生物質(zhì)鍋爐中的燃燒質(zhì)量，在提高熱源利用的同時(shí)，降低燃燒產(chǎn)生的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)能源利用的綠色可持續(xù)。