納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒no的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種生物質(zhì)燃燒煙氣污染物控制方法，特別是涉及一種納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒過程NO排放的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物質(zhì)是一種可再生資源，具有資源量豐富，凈CO2排放為零等優(yōu)點。在能源危機和環(huán)境惡化雙重壓力下，生物質(zhì)利用技術(shù)得到了長足發(fā)展。其主要利用方式有熱化學(xué)利用包括燃燒、氣化、液化及生物化學(xué)利用包括制備生物乙醇、柴油和沼氣等技術(shù)。其中，生物質(zhì)燃燒是目前最為常見的利用形式。生物質(zhì)雖然具有較低的氮含量，但是燃燒過程中產(chǎn)生的NOx卻不容忽視，其中最主要為NO。排放到空氣中的NOx會形成酸雨或光化學(xué)煙霧，對人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和建筑設(shè)施造會成了巨大危害。目前，我國生物質(zhì)每年燃燒產(chǎn)生的NOx總量達951.3千噸，而且隨著生物質(zhì)燃燒設(shè)備的逐步推廣應(yīng)用，其燃燒產(chǎn)生的NOx逐年增加。因此，研宄生物質(zhì)燃燒NOx的控制技術(shù)具有現(xiàn)實的必要性和緊迫性。
[0003]目前對于生物質(zhì)燃燒過程中NOx的控制方法主要有空氣分級和燃料分級等，然而這兩種技術(shù)方法的脫硝效率的影響因素較多且工藝較為復(fù)雜。由于生物質(zhì)燃料種類不同，其成分含量有所差別，導(dǎo)致應(yīng)用上述兩種方法時，脫硝效率有所不同；不同的一次風(fēng)量、二次風(fēng)量和通入一、二風(fēng)和燃料的位置均會影響其脫硝效率。而且，應(yīng)用上述兩種方法時，需要精準(zhǔn)地控制燃燒過程，致使其工藝較為復(fù)雜。另外，加裝分級裝置會增加初始投資和運行成本。
[0004]近年來，研宄人員對Fe離子在燃燒過程中對NO的生成影響開展了深入的研宄。研宄人員針對燃料N的轉(zhuǎn)化以及燃料型NOx前驅(qū)物的生成與控制的研宄表明，F(xiàn)e離子能夠有效地降低燃料N轉(zhuǎn)化過程中生成的主要的N0x前驅(qū)物，如HCN/NH 3的生成，從而有效地減少燃燒過程中NO的生成。如Guan等發(fā)現(xiàn)Fe的化合物可以抑制含N燃料(如煤，生物質(zhì)等)熱解時HCN/NH^生成。進一步的研宄表明Fe 203能夠有效將HCN還原為N 2，在此機理的基礎(chǔ)上，使用一定量的Fe2O3與再燃燃料混合，可大幅度提高再燃的脫硝效率。在燃燒過程中，燃料N被氧化生成NO的同時，還伴隨著NO與HCN等的同相還原以及NO與焦炭的異相還原過程。不同的研宄表明，鐵及其化合物具有直接還原NO或催化還原NO的作用。Hayhurst等發(fā)現(xiàn)金屬鐵的粉末在一定程度上能夠把NO還原為N2;并且提出了 Fe還原NO的反應(yīng)機制。Gardon等及蘇亞欣等的實驗結(jié)果均表明，金屬鐵具有非常高效的直接催化還原NO的作用。蘇亞欣等還對甲烷在氧化鐵表面還原NO的特性與反應(yīng)機理進行了研宄，發(fā)現(xiàn)主要機理為:甲烷通過將氧化鐵還原為鐵，鐵進而直接還原NO。Zhao等發(fā)現(xiàn)Fe離子能夠催化NO在煤焦表面的還原。
[0005]綜上所述，目前主流的生物質(zhì)燃燒NO排放控制方法，例如基于分級燃燒的控制方法需要精準(zhǔn)地控制燃燒過程，且其脫硝效率有限。利用Fe離子在燃燒過程中控制NO前驅(qū)物的生成，則可直接減少燃燒后生成的NO。有關(guān)以鐵基物質(zhì)作為添加劑與生物質(zhì)簡易物理混合后在燃燒過程中降低NO排放的方法和技術(shù)卻甚少報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于:提供一種納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒NO的方法，該方法不同與常規(guī)的分級配風(fēng)和燃料分級，亦不同于再燃脫硝和煙氣脫硝等方法，該方法能夠有效控制生物質(zhì)燃燒過程中NO前驅(qū)物HCN的生成，可以在不加裝任何輔助設(shè)備的情況下，簡易有效地減少NO的排放。
[0007]本發(fā)明是通過以下具體技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒NO的方法，具體步驟為:(I)將納米鐵基添加劑與生物質(zhì)燃料混合，納米鐵基添加劑的加入量是生物質(zhì)量的0.5-4% (w/w)，(2)將納米鐵基添加劑與生物質(zhì)燃料混合均勻；(3)將混合好的生物質(zhì)燃料和納米鐵基添加劑的混合物送入鍋爐爐膛內(nèi)燃燒，燃燒所需的助燃氣體由送風(fēng)機送入燃燒器；(4)燃燒后混有納米鐵基添加劑的煙氣經(jīng)過鍋爐尾部排放至除塵器除去后排放。
[0008]所述的除塵器為靜電除塵器或布袋除塵器或濕式除塵器。所述的燃燒器包括實驗用的燃燒爐或工業(yè)電站鍋爐。所述燃燒氣氛為空氣或富氧空氣或純氧氣氛。所述的納米鐵基添加劑為Fe或Fe2O3或Fe3O4,粒徑為10nm 。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
(I)本發(fā)明工藝流程簡單，采用將納米鐵基添加基與生物質(zhì)燃料物理混合的方法，根據(jù)納米鐵基添加劑與NO的前驅(qū)物HCN或NO的還原反應(yīng)，簡易實現(xiàn)生物質(zhì)燃燒過程中NO的前驅(qū)物的抑制。
[0010](2)當(dāng)納米鐵基添加劑量達到2mg/100mg生物質(zhì)，900°C燃燒條件下，在管式爐中，NO的峰值最高可降低32.56%ο
[0011](3)納米鐵基添加劑來源廣泛，價格較為低廉，且本發(fā)明可不在額外增設(shè)系統(tǒng)設(shè)備或增加系統(tǒng)壓降條件下，實現(xiàn)NO的脫除，具有投資和運行成本低的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明在管式爐生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)中的實施例。
[0013]圖2為三種典型生物質(zhì)在900°C、納米Fe與Fe2O3添加劑量為lmg/100mg生物質(zhì)燃燒條件下管式爐中的NO排放特性比較:
其中:(a)為玉米秸桿，(b)為稻殼，(C)為鋸末；
圖3為三種典型生物質(zhì)在900°C、納米鐵基添加劑量為2mg/100mg生物質(zhì)燃燒條件下管式爐中的NO排放特性:
其中:(a)為玉米秸桿，(b)為稻殼，(c)為鋸末。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合具體實施案例，進一步闡述本發(fā)明。
[0015]本發(fā)明是基于以下技術(shù)方法與原理實現(xiàn)的:生物質(zhì)在燃燒過程中，燃料中的N首先部分轉(zhuǎn)換為揮發(fā)份N，包括HCN/NH3和焦油(焦油經(jīng)裂解后也轉(zhuǎn)化為HCN/NH 3)，然后在氧氣作用下HCN/NH3被氧化生成NO。NO前驅(qū)物HCN可被納米鐵基添加劑(若是Fe 203)還原為N2,機理如下式所示:2Fe203+3HCN — 4Fe+3C0+3N0+l.5N2。同時部分HCN經(jīng)氧化生成NO又被Fe或納米鐵基添加劑(若是Fe)直接將還原為N2，機理如下式所示:2Fe+3N0 — Fe203+1.5N2。
[0016]本發(fā)明的納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒NO的方法，具體步驟為:(I)將納米鐵基添加劑與生物質(zhì)燃料混合，納米鐵基添加劑的加入量是生物質(zhì)量的0.5-4%(w/w), (2)將納米鐵基添加劑與生物質(zhì)燃料混合均勻；(3)將混合好的生物質(zhì)燃料和納米鐵基添加劑的混合物送入鍋爐爐膛內(nèi)燃燒，燃燒所需的助燃氣體由送風(fēng)機送入燃燒器；(4)燃燒后混有納米鐵基添加劑的煙氣經(jīng)過鍋爐尾部排放至除塵器除去后排放。
[0017]如圖1所示:實施例由氣瓶1、流量計2、程序控溫式一維管式爐4、煙氣分析儀7組成。爐管兩端采用自行設(shè)計的剛體活夾裝置以確保在實驗過程中的快速密封。三種生物質(zhì)均由研磨機研磨成粉，粒徑均小于0.15_，并在干燥箱(85°C)中干燥10小時后裝入密封袋備用。所添加納米鐵基物質(zhì)為納米Fe2O3,粒徑為10nm ;納米Fe (純度為99.9999%)，平均粒徑為lOOnm。實驗前將管式爐升至恒定的溫度(700°0、800°0、900°0;打開氣瓶，調(diào)節(jié)流量計，使空氣流量穩(wěn)定在2L/min;最后，將已稱取好并平鋪于瓷舟(4)底部的實驗材料，送入爐中燃燒，然后快速將剛體活夾裝置封閉，用煙氣分析儀實時測量NO濃度。
[0018]如圖2所示，在900°C、納米鐵基添加劑量為lmg/100mg生物質(zhì)，通入空氣流量為2L/min燃燒條件下，玉米秸桿分別添加納米Fe2O3和納米Fe后，NO峰值降低了 18.71%和4.81% ;稻殼分別添加納米Fe2O3和納米Fe后，NO峰值降低了 20.93%和12.98% ;鋸末分別添加納米Fe2O3和納米Fe后，NO峰值降低了 18.66%和12.68%。結(jié)果表明:納米Fe作為添加劑時，也能將NO的峰值降低，但是其NO減排效果不如Fe203。這主要是因為兩者降低NO峰值的原理不同。Fe2O3主要是通過還原NO的前驅(qū)物HCN來抑制NO的生成，而Fe主要是直接將生成的NO還原為N2。在900°C溫度和空氣條件下，F(xiàn)e很快會被氧化，從而使參與還原NO的Fe減少，使降低NO排放的效果降低。另外，一部分燃燒生成的NO可能直接被空氣帶走，未與Fe充分接觸，發(fā)生反應(yīng)。
[0019]如圖3所示，在900°C、納米鐵基添加劑量為2mg/100mg生物質(zhì)，通入空氣流量為2L/min燃燒條件下，玉米秸桿、稻殼和鋸末的NO峰值分別降低了 28.02%、32.56%和27.12%。
【主權(quán)項】
1.一種納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒NO的方法，其特征在于，具體步驟為:(I)將納米鐵基添加劑與生物質(zhì)燃料混合，納米鐵基添加劑的加入量是生物質(zhì)量的0.5-4% (w/w)；(2)將納米鐵基添加劑與生物質(zhì)燃料混合均勻；(3)將混合好的生物質(zhì)燃料和納米鐵基添加劑的混合物送入鍋爐爐膛內(nèi)燃燒，燃燒所需的助燃氣體由送風(fēng)機送入燃燒器；(4)燃燒后混有納米鐵基添加劑的煙氣經(jīng)過鍋爐尾部排放至除塵器除去后排放。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒NO的方法，其特征在于:所述的除塵器為靜電除塵器或布袋除塵器或濕式除塵器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒NO的方法，其特征在于:所述的燃燒器包括實驗用的燃燒爐或工業(yè)電站鍋爐。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒NO的方法，其特征在于:所述燃燒氣氛為空氣或富氧空氣或純氧氣氛。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒NO的方法，其特征在于:所述的納米鐵基添加劑為Fe或Fe2O3或Fe 304，粒徑為10nm。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種納米鐵基添加劑控制生物質(zhì)燃燒NO的方法，具體方法為： (1)將納米鐵基添加劑與生物質(zhì)燃料混合，納米鐵基添加劑的加入量是生物質(zhì)量的0.5-4%（w/w）；(2)將納米鐵基添加劑與生物質(zhì)燃料混合均勻；(3)將混合好的生物質(zhì)燃料和納米鐵基添加劑的混合物送入鍋爐爐膛內(nèi)燃燒，燃燒所需的助燃氣體由送風(fēng)機送入燃燒器；(4)燃燒后混有納米鐵基添加劑的煙氣經(jīng)過鍋爐尾部排放至除塵器除去后排放。在一維管式爐中的實施例表明，在900℃時1-2mg/100g生物質(zhì)的添加條件下可有效減少生物質(zhì)燃燒NO排放20-30%。本發(fā)明在不加裝任何輔助設(shè)備的情況下簡易有效地減少NO的排放，同時可以有效降低投資和運行成本。
【IPC分類】C10L9/10
【公開號】CN104946339
【申請?zhí)枴緾N201510278505
【發(fā)明人】趙兵濤, 吳明洋
【申請人】上海理工大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年5月27日