煤粉摻燒多組分固廢的燃料型NOx污染物釋放特性

摘要：采用管式爐及煙氣分析儀等作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以煤粉、輪胎、污泥及其混合物為研究對(duì)象，在空氣氣氛下進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，研究混合物在不同摻燒比例下的燃料型NO_x釋放特性。結(jié)果表明，在100～800℃溫度范圍內(nèi)，當(dāng)輪胎越多時(shí)，NO_x的瞬時(shí)釋放峰值越小；當(dāng)污泥越多時(shí)，NO_x的瞬時(shí)釋放峰值越大；當(dāng)輪胎和污泥同時(shí)增多時(shí)，NO_x的瞬時(shí)釋放峰值較大，但小于煤粉與污泥摻燒的工況。

關(guān)健詞：管式爐；燃燒；多組分固廢；NO_x釋放特性

引言

輪胎及污泥的處理問題，關(guān)系到環(huán)境保護(hù)和人體健康，已是我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展面臨的重要課題。目前，最徹底的處理方法是將輪胎和污泥作為燃料進(jìn)行燃燒的焚燒法，具有固廢物質(zhì)減量大、對(duì)環(huán)境危害小、資源化利用程度高等特點(diǎn)，已成為主流的輪胎及污泥處理方法之一[1]，因此研究輪胎及污泥與煤粉混燃時(shí)的污染物排放情況至關(guān)重要。本文采用管式爐和煙氣分析儀作為實(shí)驗(yàn)儀器，研究煤粉、輪胎、污泥及其混合物在相同溫度范圍內(nèi)不同比例下燃燒時(shí)釋放出的NO_x濃度情況，分析混合物本身物性帶來的燃料型NO_x生成的影響，可為火力發(fā)電廠鍋爐多組分固廢混燃時(shí)的污染物控制提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及NO_x生成

本實(shí)驗(yàn)使用煙煤、廢舊輪胎膠粉（簡(jiǎn)稱“輪胎”）和干污泥粉末作為實(shí)驗(yàn)樣品，三者均經(jīng)過研磨篩選，其粒徑大小相似，均為60目左右，煤粉、輪胎、污泥的元素及工業(yè)分析如表1、表2、表3所示。

實(shí)驗(yàn)過程中，NO_x的生成途徑主要分為快速型、熱力型、燃料型3類。其中，快速型NO_x在低氧環(huán)境下的高燃料燃燒區(qū)產(chǎn)生，僅占NO_x總排放量的1%，因此一般將其忽略[2]。熱力型NO_x主要是空氣中的N在高溫下氧化生成，約為NO_x總排放量的30%。熱力型NO_x的生成主要受溫度（T）影響并呈正相關(guān)，當(dāng)T＜1300℃時(shí)其生成量較小，當(dāng)T＞1300℃時(shí)每升溫100℃，其反應(yīng)速率增大6～7倍，因此熱力型NO_x的生成環(huán)境為1300℃以上[3]。燃料型NOx主要受燃料中的N元素含量影響，其生成原理是，在燃燒過程中，燃料中的N與空氣中的O結(jié)合氧化生成，N含量越大，燃料型NO_x量越高[4]。

綜上所述，在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，NO_x的生成以燃料型NO_x為主，主要受混合物本身物性的影響。

2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的主要設(shè)備為管式氣氛爐SLG1100-60，其加熱部件為電阻絲，擁有40段的自動(dòng)化溫度控制系統(tǒng)，分為上下2個(gè)殼體，開啟拆卸方便，可控硅控制，爐膛一分為二，由上下2個(gè)半圓組成，均采用AL2O3高耐熱材料，風(fēng)力從爐殼間穿過，起到冷卻作用。該爐具有爐內(nèi)溫度環(huán)繞均勻、殼體溫度低、安全性高、高速升降溫、用電負(fù)荷小等特點(diǎn)，其正常工作中額定電壓為220v，功率為3kw，最高溫度可達(dá)1100℃，安全升溫速率為0～10℃/min，可在室溫至1100℃的溫度范圍內(nèi)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行燃燒，并對(duì)燃燒后的煙氣排放進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及記錄，進(jìn)而研究材料的污染物釋放特性。管式氣氛爐設(shè)備如圖1所示。

本實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)量裝置主要有空氣氣瓶、質(zhì)量流量計(jì)、管式爐、煙氣分析儀等。空氣在質(zhì)量流量計(jì)控制下進(jìn)入管式爐，為混合物燃燒提供足夠的O2；燃燒后的煙氣經(jīng)過煙氣分析儀，實(shí)時(shí)顯示并記錄煙氣成分；將記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Origin進(jìn)行處理。測(cè)量裝置如圖2所示。

3實(shí)驗(yàn)方法

3.1 準(zhǔn)備階段

在進(jìn)行煤、輪胎、污泥及其混合物的實(shí)驗(yàn)之前，先將3種樣品置于90備的干燥箱內(nèi)干燥48h以上；再將樣品在電動(dòng)研磨設(shè)備中進(jìn)行研磨，并用60目篩進(jìn)行過濾，以保證其粒徑尺寸一致；最后將樣品放入不透光的棕色玻璃瓶，置于常溫干燥處保存。

3.2 實(shí)驗(yàn)階段

首先，準(zhǔn)備好燃燒使用的混合物燃料，每次取樣品質(zhì)量為0.5g1mg；其次，開啟管式爐爐蓋，將稱好的樣品水平放置在反應(yīng)瓷舟上，扭動(dòng)螺栓打開法蘭，取出爐塞后，將盛有樣品的瓷舟迅速推至管式爐的中心恒溫區(qū)，塞入爐塞；最后，打開空氣罐，讓空氣流入管式爐，待氣體流速穩(wěn)定后，設(shè)置管式爐升溫速率為10℃/min，設(shè)置溫度區(qū)間為100～800℃，運(yùn)行試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中每隔相等的時(shí)間間隔，在出口處將煙氣分析儀與橡膠管連接，實(shí)時(shí)測(cè)量出口煙氣并記錄其成分；當(dāng)出口不再有煙氣釋放時(shí)，關(guān)閉煙氣分析儀，取出樣品，清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)；進(jìn)行多次試驗(yàn)以保證本實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次偏差均不大于5%，結(jié)果表現(xiàn)準(zhǔn)確性良好。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 煤粉和輪胎混合燃燒結(jié)果及分析

在設(shè)定溫度下測(cè)量了煤粉和輪胎的混合物燃燒時(shí)的NO_x瞬時(shí)釋放情況，釋放曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著輪胎所占百分比的增加，NO_x釋放曲線逐漸左移，且NO_x的瞬時(shí)釋放值越來越小。由熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，與煤粉相比，輪胎的著火點(diǎn)和揮發(fā)分的析出較早，其中的N會(huì)以NH3、HCNO及HCN的形態(tài)析出[5]，易與O2結(jié)合生成NO_x，因此隨著輪胎所占百分比的增大，NO_x初始釋放溫度變低，NO_x的瞬時(shí)釋放峰向左移。又由元素分析可知，與煤粉相比，輪胎的N含量較小，因此混合物的燃料型NO_x生成量隨著輪胎占比的增大而減小，NO_x的瞬時(shí)釋放值減小。

4.2 煤粉和污泥混合燃燒結(jié)果及分析

在設(shè)定溫度下測(cè)量了煤粉和污泥的混合物燃燒時(shí)的NO_x瞬時(shí)釋放情況，釋放曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著污泥所占百分比的增加，NO_x釋放曲線逐漸向低溫區(qū)移動(dòng)，且NO_x的瞬時(shí)釋放值越來越大。由熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，與煤粉相比，污泥的著火點(diǎn)和揮發(fā)分的析出較早，燃盡時(shí)間較遲；又由元素分析可知，與煤粉相比，污泥的N含量大得多。因此，隨著污泥所占百分比的增大，NO_x初始釋放溫度變低，NO_x的瞬時(shí)釋放峰值左移得愈發(fā)明顯，混合物的燃料型NO_x生成量增多，NO_x的瞬時(shí)釋放值增大。

4.3 煤粉、輪胎和污泥混合燃燒結(jié)果及分析

在設(shè)定溫度下測(cè)量了煤粉、輪胎和污泥的混合物燃燒時(shí)的NO_x瞬時(shí)釋放情況，釋放曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著輪胎和污泥所占百分比的增加，NO_x釋放曲線開始左移，且NO_x的瞬時(shí)釋放值逐漸增大。由熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，輪胎和污泥的著火點(diǎn)較低；又由表1、表2、表3對(duì)比分析可知，污泥中的N成分占比遠(yuǎn)大于煤粉和輪胎。因此，在綜合作用下，隨著輪胎和污泥摻燒比例的增大，NO_x初始釋放溫度變低，在摻燒15%輪胎15%污泥時(shí)，NO_x的瞬時(shí)釋放峰值有了較為明顯的左移，混合物的燃料型NO_x生成量增多，NO_x的瞬時(shí)釋放值增大，但增幅小于煤粉和污泥混燃的工況。

結(jié)論

綜上所述，在煤粉、輪胎、污泥及其混合物的摻燒實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度范圍為100～800℃時(shí)，隨著輪胎摻燒比例增大，NO_x的瞬時(shí)釋放峰值減小；隨著污泥摻燒比例增大，NO_x的瞬時(shí)釋放峰值增大；隨著輪胎和污泥摻燒比例同時(shí)增大，NO_x的瞬時(shí)釋放峰值增大，但小于煤粉摻燒污泥的工況。該結(jié)果說明，在100～800℃溫度范圍內(nèi)，若在煤粉摻燒污泥的同時(shí)加入一定量的輪胎，則有助于減少燃料型NO_x的生成。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

李子涵（1996—），男，漢族，江蘇連云港人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)槿剂匣烊肌㈠仩t運(yùn)行優(yōu)化。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-11