水葫芦和大薸的生物质颗粒在O2/CO2气氛下燃烧的烟气排放特性

岳涵鸿，饶 月，张 霞，孟俊全，孙高凯，陈 蓉

(云南农业大学 机电工程学院，云南 昆明 650201)

水葫芦在印度、非洲、南美等地被发现，是多年生水生杂草，也被认为是地球上产量高、生长快的植物之一，容易造成河道堵塞，影响航运通行[1-2]。但近年来，在污水植物修复的研究中，由于水葫芦具有极强的富集氮、磷及有害重金属的能力，所以它被广泛应用到污水治理的工作中[3-4]。水葫芦不仅在净化水体方面有着得天独厚的作用，治理污水后的水葫芦可以制备为成型燃料作为能源物质燃烧[5]。从水葫芦生长过程的净化水体到后期的制成可再生的能源，真正实现水葫芦最大化的利用。

目前，国内外学者对生物质在O2/CO2气氛燃烧后的污染物特性进行了大量研究，李胜利[6]等的研究表明，在相同的氧气浓度下，与空气气氛相比，三种藻类总的 SO2生成量均得到了不同程度的降低，小球藻的降低幅度为 58%，浒苔和马尾藻分别为 47%和 86%，这也充分证明藻类生物质在 O2/CO2气氛中燃烧是降低 SO2排放的一个有效途径。王文鼎[7]通过管式炉研究煤混生物质在 O2/CO2气氛下燃烧生成 SO2特性，发现 O2/CO2气氛能明显降低 SO2生成。Artur[8]等研究分析了油饼、油菜秸秆和桦木木屑燃烧时NO排放结果，表明在不同气流量的条件下，NO的排放量有很大的不同。

从这些研究中可以看出，现阶段国内外在生物质燃烧烟气排放方面的研究主要集中在农业和林业废弃物，而对水葫芦等水生生物质燃烧烟气排放特性的研究较少[9-11]。本文选择了水葫芦和大薸两种水生生物质燃料作为研究对象，研究其烟气排放特性，大薸在污水治理上的能力和水葫芦相近，且也具有繁殖速度快，生长迅速等特点[12-15]。本文在自建燃烧试验台上燃烧水葫芦和大薸两种颗粒燃烧，分析在助燃气体为氧气浓度为21%的O2/CO2气氛下燃烧时温度和气流量对其烟气排放的影响，为水生生物质在能源方面的研究提供了参考。

1 试验部分

1.1 试验装置

试验系统，主要由电阻炉(最高工作温度1 000 ℃)、温控器、气体过滤装置、烟气分析仪等构成。工况三为颗粒长度不同(2.5、2、1.5、1 cm)，温度700 ℃，气流量3 L/min，助燃气体为氧气浓度21%的O2/CO2气氛。试验过程中,从石英管下方通入气体作为反应气，当炉内温度升高到试验所需温度时，将水葫芦颗粒燃料迅速放入石英管中间的燃烧层，燃烧产生的烟气经过滤装置后接入MGA5烟气分析仪，在线记录CO、NO、NOx和SO2气体浓度，采样时间间隔为5 s。

1.2 试验材料

水葫芦取自云南省昆明市滇池，晾晒后经过打碎成2 mm的粉末。根据GB/T 28730—2012、GB/T 28731—2012、GB/T 28732—2012、GB/T 30733—2014、GB/T 30727—2014、GB/T 28733—2012等国家标准对三种原料主要进行了工业分析；收到基恒容低位发热量；并对碳、氢、氮、氧元素进行测定，其工业分析和元素分析见表1所示。在电子万能试验机(CMT6104)上将打碎的水葫芦粉末压缩成致密成型燃料。

表1 原料的工业分析和元素分析

1.3 数据处理方法

烟气中的各气体浓度通过MGA5烟气分析仪在线测量，在线每隔5 s取一次数据，记录燃料从开始燃烧到燃烧10 min时的数据，浓度单位为10-6。并对污染气体中的CO、NO、NOx和SO2四类气体进行分析。

通过对CO、NO、NOx和SO2四类气体浓度曲线积分可估算其排放总量[16]，形成：

(1)

式中：Ni为气体生成量，mg；Ci为实时体积分数，10-6；Vi为载气量，L/min；Mi为气体的摩尔质量，g/mol；t为采样时间间隔，s；k为采样点数量。

由NO、SO2气体排放量可分别求得燃料中N、S元素转化率：

(2)

式中：Xi为转化率，%；Ar为相对原子质量，ω为元素的质量分数，%；Mi为气体的摩尔质量，g/mol。

2 颗粒长度对两种颗粒燃料烟气排放的影响

图1为两种颗粒在不同颗粒长度下燃烧时CO的瞬时排放曲线，可以看出，两种颗粒长度分别为2.5、2、1.5、1 cm，在这四种颗粒长度工况参数下CO瞬时排放曲线相近，峰值出现时间与大小也相差不大。颗粒长度为2.5 cm和2 cm时，较长度为1.5 cm和1 cm时的瞬时排放峰出现时间有一定的延迟，水葫芦在不同颗粒长度下峰值出现时间接近，峰值大小却存在差异。水葫芦在颗粒长度为2.5 cm时峰值最大为163 990×10-6，长度为1 cm时峰值最小为115 872×10-6。大薸在长度为2.5、2与1.5、1 cm之间峰值出现时间相差50 s左右，在长度为2.5 cm时峰值最大为122 864×10-6，长度为1 cm时峰值最小为105 434×10-6。主要是由于两种颗粒长度减小，颗粒比表面积增大，单位体积内与氧气的接触面积增加，与此同时，燃料颗粒长度减小，燃烧时外表面形成的灰层就小，有利于氧气扩散，两者共同促进了颗粒燃料焦炭燃烧充分反应，所以长度较小的颗粒CO排放峰值较低。

图1 不同颗粒长度下CO瞬时排放曲线

图2为两种颗粒在不同长度大小下燃烧时NO和NOx的瞬时排放曲线。可以看出，水葫芦长度为2、1.5、1 cm时,NO和NOx气体峰值出现时间在200 s左右，长度为2.5 cm时，峰值出现时间晚50 s左右，大薸在长度为1.5、1 cm时，NO排放峰值出现时间为200 s左右，长度为2.5、2 cm时，峰值时间为225 s左右，长度为2.5、1.5、1 cm时，峰值时间在200 s左右，长度为2 cm时，峰值时间在250 s左右。两种颗粒在长度为1.5 cm时，NO与NOx排放曲线峰值最低，水葫芦分别为2 732×10-6和2 977×10-6，大薸分别为3 016×10-6和3 116×10-6。两种颗粒在长度为1 cm时两种气体瞬时排放曲线最靠左边，即燃烧速率最快，主要是其长度最小，比表面积最大，更易于氧气接触，燃烧更容易。水葫芦在长度为1 cm时，两种气体排放峰值最大，NO为4 852×10-6，NOx为5 000×10-6。大薸在长度为2.5 cm时，NO排放峰值最大，为4 859×10-6，长度为2 cm时，排放峰值最大，为4 976×10-6。

图2 不同颗粒长度下NO和NOx瞬时排放曲线

图3为两种颗粒在不同长度大小下燃烧时,SO2的瞬时排放曲线，可以看出两种颗粒在不同长度下燃烧时,SO2排放曲线均出现两个排放峰，水葫芦在长度为2.5cm时,第一峰值最大，为301×10-6，长度为2 cm时最小为175×10-6，长度在2.5、2、1 cm时第二峰值大小相近，为2 cm时，第二峰值最大为195×10-6，长度为2 cm时，第二峰值最小为115×10-6。大薸在长度为2 cm时,峰值出现时间最早，且峰值最大为364×10-6，长度为1 cm时,最小为250×10-6，在不同长度下大薸SO2第二排放峰出现时间相差不大，在长度为1 cm时,第二峰值最大为297×10-6，在长度为1.5 cm时,第二峰值最小为76×10-6。

图3 不同颗粒长度下SO2瞬时排放曲线

表2为水葫芦和大薸两种颗粒在不同长度下燃烧时的方差分析，从CO、NO、NOx和SO2四类气体均为P<0.05可知，颗粒长度对两种颗粒燃烧时这四类气体的排放量差异显著。

表2 粒径显著性检验表

图4展示了水葫芦和大薸两种颗粒燃料在不同长度下,CO、NO、NOx、SO2的排放总量Ni，四类物质的排放总量由公式(1)计算得出。可以从图4(a)看出，水葫芦和大薸CO排放量随长度的减小而减小，主要是燃料比表面积越大越容易与氧气接触，能使其燃烧更彻底。随着长度从2.5 cm减小到1cm，水葫芦CO的排放量由1 621 mg减小到1 002.9 mg，总体少排放了38%，大薸CO的排放量由1 248.1 mg减少到880.5 mg，总体少排放了29%。

图4(b)中，水葫芦和大薸NO的排放量均在长度为1.5 cm时最少，水葫芦为32.5 mg，大薸为37.6 mg，图4(c)中，两种颗粒NOx的排放量也在长度为1.5 cm时最小，水葫芦为51.0 mg，大薸为62.6 mg。图4(d)中，水葫芦SO2的排放量在长度为2 cm时最大，为4.4 mg，长度为1.5 cm时排放量最小，为2.3 mg，大薸SO2的排放量在长度为1 cm时最大，为6.4 mg，在长度为1.5 cm时最小，为2.9 mg。表3为两种颗粒不同颗粒长度下N、S转化率Xi，其转换率由式(2)计算得出。四类气体排放量和N、S转化率的差异可以看出，颗粒燃料长度在为1.5cm的氮氧化物和SO2等污染物排放量最少。

图4 不同颗粒长度下两种颗粒燃料气体排放量

表3 两种颗粒燃料N、S转化率 %

3 结 论

本文在氧气浓度为21%的O2/CO2气氛下分析温度、气流量和颗粒长度三种不同工况下CO、NO、NOx、SO2四类气体排放规律与排放量。主要得出以下结论：两种颗粒燃料长度的减小，能使颗粒的重量比表面积增大，使其越容易与氧气接触，燃烧更彻底CO排放总量越少，但不是颗粒长度越短污染物的排放量越少，较为合适的颗粒长度为1.5 cm，此时的氮氧化物和SO2等污染物排放总量最少。