碳中和背景下生活垃圾生物质炭的利用—低NOx解耦燃烧.pdf
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1、乡镇生活垃圾的碳、氮含量较高,直接燃烧造成大量 CO2和 NOx的排放,通过热解后的生物质炭可以将燃烧烟气中的 NO 还原为 N2,利用碳资源的同时,可以降低 NOx的排放。以乡镇生活垃圾中四类(纸类、橡塑类、木竹类和纺织类)六种典型组分作为实验原料,在固定床反应器上进行热解与解耦燃烧实验,在低碳排放的基础上,考察解耦燃烧对乡镇生活垃圾燃烧时 NOx排放的抑制作用。结果表明,当热解温度为 700,物料粒径为 1.62.5mm 时,热解气中还原性气体浓度较高,生物质炭对 NO 的还原率达到 60%以上。与传统燃烧和空气分级燃烧时 N 转化率相比,解耦燃烧的 NOx减排率分别为 44.1%和 18
2、.1%,具有明显控制 NOx排放效果。因此,基于热解的乡镇生活垃圾解耦燃烧是一种有效控制 NOx排放的方式,有利于乡镇生活垃圾的清洁高效转化与利用。关键词:乡镇生活垃圾;热解;生物质炭;解耦燃烧;NOx排放中图分类号:X705文献标识码:AUtilization of domestic waste biomass char in the context of carbonneutralitylow NOx decoupled combustionWANGXin-kun1,2,ZHANGJie-han2,CHENZhao-hui2,*,FANHui-ling1,YUJian2,*,GAOShi-
3、qiu2(1.State Key Laboratory of Clean and Efficient Coal Utilization,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)Abstract:Thecarbonandnitrogencontentoftownshipwasteishigh,anddirectcombustioncausesalargeamoun
4、tofCO2andNOxemissions.ThebiomasscarbonafterpyrolysiscanreducetheNOinthecombustionfluegastoN2,whichcanreduceNOxemissionswhileusingcarbonresources.Using6typicalcomponentsin4kindsofruralsolidwaste(including paper,plastic,wood and textile)as experimental materials,the pyrolysis and decouplingcombustione
5、xperimentsarecarriedoutinafixed-bedreactortoinvestigatetheeffectofdecouplingcombustiononNOxemission.Theexperimentalresultsshowedthatwhenthepyrolysistemperaturewas700andtheparticlesizewere1.62.5mm,theconcentrationofreducinggasinpyrolysisgaswashigherandthereductionrateofNOinthecharreachedover60%.Bycom
6、paringtheNconversionofdecouplingcombustionwiththatofnormalcombustionandairstagedcombustion,theNOxemissionreductionratesofthedecouplingcombustionwere44.1%and18.1%,respectively.Therefore,thedecouplingcombustionofruralsolidwastebasedonpyrolysisisaneffectivewaytocontrolNOxemission,whichisconducivetothec
7、leanandefficienttransformationandutilizationofruralsolidwaste.Key words:ruralsolidwaste;pyrolysis;biomass;decouplingcombustion;NOxemission近年来,随着中国经济发展和乡镇建设的不断加快,截至 2021 年,生活垃圾年产量超过 2.4 亿吨,乡镇生活垃圾产量超过 1 亿吨,选择高效的乡镇生活垃圾处理方式有利于解决中国当前面临的生活垃圾产量大、处理复杂的困境,同时也是符合中国乡村振兴的有效策略1,2。常用的生活垃圾处理方式,如卫生填埋和堆肥存在占用土地、渗滤液污染
8、、肥效低且难以利用等问题,在生活垃圾处理中的比例逐渐下降3,4。根据国家统计局发布的2021 年城市建设统计年鉴5,2021 年生活垃圾热转化技术的累计处理量超过 1.2 亿吨,占全年处理总量的 50%以上,无害化处理率高达 95%,生活垃圾的热转化技术将占据中国垃圾处理市场的主导地位。固体废弃物的热解是常用热转化技术,在生活垃圾上也有广泛的应用,罗永浩等6发现,生活Received:2022-11-25;Revised:2023-01-14*Correspondingauthor.E-mail:,.TheprojectwassupportedbytheNationalNaturalScien
9、ceFoundationofChina(21878310).国家自然科学基金(21878310)资助第51卷第8期燃料化学学报(中英文)Vol.51No.82023年8月JournalofFuelChemistryandTechnologyAug.2023垃 圾 典 型 组 分 的 热 解 气 中 含 有 较 多 的 HCN、NH3等 NOx前驱体,这些前驱体与少量氧接触后易被氧化为 NOx,同时热解气中的 H2、CH4、CO 等还原性气体可以在一定程度上降低 NOx的排放。Ates 等7认为,乡镇生活垃圾中的塑料等高分子聚合物参与热解时,热解油中重质组分较多,乡镇生活垃圾热解产物的利用率低、
10、资源化程度有限。燃烧作为生活垃圾的另一种处理方式,由于其主要成分为织物和塑料(聚酰胺和聚氨酯等含氮化合物)8,燃烧时易形成氮氧化物,造成酸雨、光化学烟雾等环境污染。解耦燃烧作为一种低NOx燃烧方式,利用热解气和生物质炭的还原作用可以将烟气中的 NOx还原为 N2,达到降低空气污染的目的,同时实现了碳资源的转化与利用,是中国碳中和愿景下具有广泛前景的生活垃圾处理方式911。其利用了原料热解后半焦的还原作用,将燃烧烟气中的 NO 转化为 N2,实现 NO 减排。也可理解为解耦燃烧将热解和燃烧这两种复杂的热化学反应分步进行,原料热解后产生挥发分(热解油和热解气)和半焦,挥发分在空气作用下进行燃烧,产
11、 生 的 烟 气 中 氮 的 化 合 物 主 要 以 NO的形式存在,当通过半焦碳层时,利用碳的还原可以 将 NO 转 化 为 N2,同 时 热 解 产 生 的 H2、CH4、CO 等还原性气体也可在一定程度上降低 NO 的排放,因此,解耦燃烧被认为是一种有效的固体废弃物低 NO 排放的技术。Dong 等12通过稻壳的单一解耦燃烧,实现了 NOx减排 36%。由于生活垃圾成分复杂,解耦燃烧在乡镇生活垃圾的适应性及 NOx减排效果仍值得探讨。热解作为解耦燃烧的重要反应阶段,热解产物的气固分配以及气固产物性质对解耦燃烧的NOx减排效果有重要影响13,14,其中,热解温度和粒径是影响热解过程及产物性
12、质的主要因素1518。因此,探究乡镇生活垃圾在不同热解条件下热解气和生物质炭的产率和性质,有利于生物质碳资源的利用,同时控制乡镇生活垃圾的解耦燃烧过程,实现燃烧过程中的低 NOx排放。本研究选取了四类(纸类、橡塑类、木竹类和纺织类)中典型的六种生活垃圾组分作为实验原料,以固定床热解实验为基础,分析不同温度和粒径条件下的气固相产率与性质,通过生物质炭对NOx的还原性实验,达到生物质炭资源化的目的,同时研究解耦燃烧应用于乡镇生活垃圾低 NOx燃烧的可行性;同时对比传统燃烧和空气分级燃烧,确定解耦燃烧的 NOx减排优势;此外,通过调整三次风流量确定 NOx的析出规律和减排率,以期实现乡镇生活垃圾的低
13、 NOx排放燃烧。1实验部分 1.1 实验原料根据中国各区的乡镇生活垃圾分类4,除去金属类、灰土类等不适合热转化处理的垃圾外,将其中纸类、橡塑类、木竹类和纺织类作为本次实验对象,根据中国主要城市乡镇生活垃圾排放比例配置模型化合物19,结合乡镇生活垃圾实际排放情况,以木屑和稻壳作为木竹类物质,其他物料及比例分别为塑料棉布稻壳木屑纸板化纤布=4030101055,各物料的工业分析与元素分析见表 1。表 1 原料的工业分析与元素分析Table1ProximateandultimateanalysesofsamplesMaterialProximateanalysiswad/%Elementalana
14、lysiswdaf/%AVFCCHNSO*Plastic9.7682.897.3587.026.281.520.065.12Cotton8.3688.533.1248.287.511.770.1242.32Ricehusk15.1766.8517.9851.426.810.340.1441.28Wood5.2180.0414.7557.347.290.390.4134.57Paper7.0184.768.2345.515.760.400.3547.98Chemicalfiber0.2787.1012.6361.064.341.560.1532.88*:bydifference,ad:airdr
15、ybasis;daf:dryandashfreebasis 1.2 解耦燃烧过程模拟与实验设计模拟解耦燃烧的主要过程如图 1 所示,解耦燃烧主要涉及热解和燃烧两个阶段,下层原料在惰性气氛下热解生成热解气,热解气中 NOx的前驱体与少量氧接触时生成 NOx,向上逸散过程中通过生物质炭层,由于 CO 反应比 NOC 反应更容易发生,因此,生物质炭表面被不断氧化形成活性位点。1166燃料化学学报(中英文)第51卷N2NOx precursorFlue gasPyrolysis gasRaw materialsChar图1解耦燃烧过程示意图Figure1Diagramofthedecouplingco
16、mbustionprocess生物质炭和热解气燃烧产生的烟气通过生物质炭层时发生反应,如式(1)(3)。其中,C*、C(N)、C(O)分别为生物质炭表面游离位点、表面氮和表面氧。生物质炭层可以还原烟气中的部分 NOx10,同时原料热解产生的热解气中的还原性成分对半焦燃烧过程中产生的 NOx也有一定的还原作用,以CO 为例,如式(4)所示。因此,通过热解实验筛选较优气固产物的条件对保证解耦燃烧的 NOx减排效果具有一定意义。NO+2C*C(N)+C(O)(1)C(N)+NO N2+C(O)(2)2C(N)N2+2C*(3)CO+NOchar CO2+1/2N2(4)固定床热解装置如图 2(a)所
17、示,主体反应器为长 900mm,内径 30mm 的石英管,内部有 40 目的石英筛板。实验前通入 N2(200mL/min)排尽管路内空气,反应炉升高至设定温度后投料,热解时间为 30min。热解产生的气体由气袋收集,使用气相色谱仪(Agilent3000A,U.S.)进行成分测定。筛板上的剩余固体为生物质炭。为了确定热解产物产率结果的可靠性,进行了乡镇生活垃圾热解的重复实验,实验结果表明,半焦产率、热解油产率和气体产率的相对误差分别小于 1%、2%和1%,符合质量平衡要求。(a)(b)N2132N21O2156789 103FI3FI3FI11126547ABAB84图2热解(a)和燃烧(b
18、)实验装置示意图Figure2Schematicdiagramoftheexperimentalapparatusofpyrolysis(a)andcombustion(b)(a)1:Massflowmeter;2:Temperaturecontroller;3:Heatingelectricfurnace;4:Fixedbedreactor;5:Condensingtube;6:Coldhydrazine;7:Acetone;8:Wetflowmeter;9:NaHCO3;10:Color-changingsilicagel;11:Airbag;12:Meteorologicalchroma
19、tograph(b)1:Gascylinder;2:Massflowmeter;3:Rotorflowmeter;4:Outertube;5:Innertube;6:Heatingelectricfurnace;7:Temperaturecontroller;8:Fluegasanalyzer;,:gasimportorexport燃烧装置如图 2(b),反应器是两段式固定床石英管,包括外反应管(长 900mm,内径 30mm)和内反应管(长 550mm,内径 24mm),上下各设有40 目石英砂烧结板,用来放置热解生物质炭和原料。模拟传统燃烧时只在位置通入空气,空气分级燃烧在和位置通入空气,
20、解耦燃烧在位置通入氮气,通入 O2含量为 26.3%的 N2和 O2混合气体(为保证整体氧含量一致),通入空气。传统燃烧和空气分级燃烧的投料质量为 0.5g,解耦燃烧时在下层筛板放置 0.5g 原料在一次风作用下热解,上层筛板放置 0.5g 原料热解后产生的生物质炭,整个反应相当于 0.5g 物料的燃烧。解耦燃烧过程如下:本实验为模拟解耦燃烧的实际过程,将原料和热解半焦分层布置,原料放置在下层,质量为 0.5g,热解半焦放置在上层,质量为 0.5g原料热解后的热解半焦(根据热解实验结果,半焦产率一般为 40%,因此,半焦质量一般为 0.2g),下层的原料在位置(N2)气体的作用下热解,热解产生
21、的挥发分在位置(O2含量为 26.3%的 N2和O2混合气体)气体作用下进行燃烧,产生的燃烧烟气在气流作用下向上抬升,通过内管的半焦层,同时在位置(空气)的作用下再次充分燃烧,结合第8期王欣坤等:碳中和背景下生活垃圾生物质炭的利用低 NOx解耦燃烧1167半焦的还原作用实现解耦燃烧。当温度控制器显示的温度到达实验设计温度时,向反应器内加料,均在固定燃烧温度下进行。不同条件下的实验进行三次以上,实验结果取平均值,误差在 2%以内。燃烧后烟气通入红外烟气分析仪(SDLModel3080)进行成分和含量的检测,实验发现,0.5g 原料燃烧 10min 后烟气中CO2体积分数小于 0.1%,认为反应结
22、束,不同燃烧方式的时间控制为 10min。1.3 数据处理(1)热解产物产率(2)N 转化率 1.3.1 热解产物产率生物质炭 Ychar(%)、热解油 Ytar(%)、热解油中轻质组分 Ylight(%)、热解气 Ygas(%)、各气体组分 Yi和热解水 Ywater(%)的产率由式(5)(9)计算:Ychar=McharMraw100%(5)Ytar=MtarMraw100%(6)Ygas=MiVi1000VmMraw100%(7)Yi=ViMraw100%(8)Ywater=100YtarYgasYchar(9)式中,Mraw(g)、Mtar(g)和 Mchar(g)分别代表原料、热解油
23、、热解生物质炭的质量,Vi和 Mi分别表示热解气中组分 i 的体积和摩尔质量,i 为热解气的气体成分,Vm为标准摩尔体积(22.4L/mol)。1.3.2 N 转化率本实验主要以 xN判断 NOx的排放情况,由于燃烧过程主要产生燃料型 NOx,且以 NO 为主,因此,将烟气分析仪显示的 NO 体积分数作为计算氮转化率的依据。N 的转化率根据式(10)计算:xN=MNO/30mWN/14(10)式中,m 为样品质量(g);WN是样品中氮的质量分数(%);MNO为烟气中 NO 的质量,MNO的计算如式(11):MNO=3022.4wt2t1CNOVdt(11)式中,t1和 t2分别是实验开始和结束
24、的时间(min),V 是烟气流量(L/min),可近似为测量总入口的气体流量,CNO是烟气分析仪测得的NO 的体积分数(106)。2结果与讨论 2.1 粒径对生活垃圾热解产物的影响本实验在 700 下研究了粒径对热解产物产率的影响,结果如图 3(a)所示。生物质炭产率随着粒径的增大先减小后增加,气体产率一直增大。粒径为 0.81.6mm 的物料热解过程中易黏结团聚,堵塞部分孔径,影响挥发分的析出过程,生物质炭产率较高。粒径从 1.62.5mm 增大到3.24.0mm,物料内外表面的温差增大,导致内部挥发分逸出过程的传质速率降低20,21,生物质炭产率增大 1.6%;同时粒径的增大导致挥发分在内
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