生物质燃料对烧结原料加热过程中氮氧化物排放的影响设计论文（可编辑）

生物质燃料对烧结原料加热过程中
氮氧化物排放的影响
冶金专业王宏涛 (099014238 )指导教师龙红明教授
摘要
生物质是指以木质素或纤维素及其它有机质为主的陆生植物、水生植物等。

我国是农业大国, 农林生产过程中产生的生物质品种繁多, 产量极大, 有着丰富
的生物质资源。

生物质热解后产生的主要成分是 CO 、H 、CH 等, 这些成分能
2 4
将 NO 还原为 N 。

将生物质用于烧结烟气减排氮氧化物 ,既避免能源浪费, 又
x 2
使环境得到保护。

研究以姑精和焦粉为原料、生物质为添加剂进行减排氮氧化物的实验。

在实
验过程中, 采用不同的实验组合条件, 如生物质的种类、生物质的用量等, 探究
生物质对烧结原料加热过程中 NO 排放特性的影响。

实验结果表明: 在过剩空
气系数α >1 的条件下, 生物质几乎不具有降低 NO 浓度的效果; 在过剩空气系
x
数α <1 的条件下, 生物质还原 NO 能取得比较好的效果 , 其中, 稻壳对姑精加
x
热过程 NO 浓度的降低幅度为 50.2 % ;采用的三种生物质对焦粉加热过程 NO
x x
浓度的降低幅度, 木屑降低 98.2 % , 橘皮降低 86.6 % , 稻壳降低56.6 % 。

因此,
在相同实验条件下,采用的三种生物质中,木屑降低 NO 排放的效果做好,橘
x
皮次之,稻壳最弱。

烧结过程产生的 NO 污染已成为我国冶金行业治理大气污染物排放的难
x
题。

利用生物质再燃来控制 NO 的排放,对于钢铁联合企业开辟能源新领域,
x
调整能源结构,促进环保效益,加快国民经济持续稳定发展有其重要的意义。

关键词: 生物质燃料;烧结原料; 氮氧化物排放
IAbstract
Biomass mainly refers to lignin, cellulose and other organic-based terrestrial
plants, aquatic plants. Our country is a large agricultural country, where a wide
variety of biomass, yield great and rich biomass resources is produced by agricultural
and forestry production process. The main component of biomass pyrolysis is CO, H ,
2
CHThese ingredients can reduce NO to NBiomass can be used to the emissions
4 x 2
of nitrogen oxides derived from sintering flue gas, which is good for avoiding energy
waste and protecting the environmentGuShan iron ore concentrates and coke powder is the raw material and biomass
is the addition. They are brought to the experiment of the reduction emissions of
nitrogen oxides. During the experiment, using different combinations
of experimental
conditions, such as the types of biomass, biomass dosage, explores the influence of
biomass to NO emission characteristics of the sintered materials heating process. The
x
results show that: in the condition of the excess air coefficient α1, biomass has
almost no effect of reducing the NO concentration; in the condition of the excess air
x
coefficient α1, biomass reduction of NO can achieve better results. Rice husk
x
reduces NO concentration rate of 50.2 % in the GuShan iron ore concentrates heating
x
process. Biomass reduces the NO concentration in the coke powder heating processx
Sawdust decreased 98.2 %, cellulite decreased 86.6 % and rice husk decreased 56.6 %Therefore, under the same experimental conditions, in terms of the effect of reducing
NO emissions, sawdust is best, cellulite followed by sawdust and rice husk is
x
weakestNO pollution produced by sintering process has become a big problem to control
x
air pollutant emissions in the metallurgical industry in China. Iron and steel
enterprises will gain benefits from using biomass reburning to usher new areas of
energy, to adjust energy structure, to promote the environmental benefits and
accelerate the sustained and stable developmentKey Words: biomass fuels; sintered materials; nitrogen oxide emission
1
第一章文献综述
1.1 研究背景和意义
1.1.1 行业背景
工业企业和交通运输设施排放的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等废气污染物
给我国空气环境造成了影响。

20世纪80年代以来, 国家颁布了主要行业大气污染
排放标准, 并将烟粉尘排放控制作为污染防治的重点。

进入21世纪后, 在采用了
先进的除尘措施后, 工业企业排放烟粉尘大幅削减, 二氧化硫、氮氧化物酸性废
[1]
气污染物成为大气防控的重点。

近年来 , 随着国家对火电、有色冶炼、钢铁等
行业废气脱硫的严格要求, 脱硫设施的陆续投入运行, 二氧化硫排放量有所下降,
但氮氧化物排放总量却随着能源消费和机动车保有量增加而迅速增加, “十二五”
期间, 国家将氮氧化物纳入了污染排放总量控制指标。

据环境保护部公布的统计
数据,2011 年上半年, 氮氧化物排放量1 206. 7 万t , 同比上升6.17 % ,与“十二
五”计划的2011 年减排1.5 % 的目标相差较大 ,氮氧化物污染成为当前最突出的
环境问题。

NOx 通过各种间接方式危害人体健康,破坏生态环境。

大气中 NOx 和挥发性有机物 VOC 达到一定浓度后,就会产生光化学烟雾;NOx 还会在大气臭氧层
与 O3 反应消耗 O3 , 形成“臭氧空洞” , 臭氧层破坏将引发人的眼睛
疾病和皮肤癌;
[2]
另外,NOx 和 SO2 的共同作用导致酸雨形成。

并且, 国外发达国家 , 酸雨形态
已由硫酸型酸雨向硝酸型酸雨转化,硫氮比已由过去的 2:1 ,转变为现在的1:1 ,
日本的硫氮比还出现了逆转。

正是基于上述情况,发达国家酸雨治理的重点由
SO2 治理逐渐向氮氧化物治理的方向发展。

目前, 中国氮氧化物排放量还没有一个非常准确的统计数据, 据估计,2008 年约是2 000 万t , 如果不加严格控制的话,2020 年, 大约增加到3 000 万t , 增长
[3]
趋势非常明显, 从区域分布来讲, 排放主要集中在中东部。

从行业来看, 氮氧
化物排放最大的是火电行业, 占到40 % 左右, 第二大就是交通运输, 也达到25 % ,
[4]
其他工业企业排放占比20 % 。

工业企业中, 钢铁行业排放氮氧化物分别约占总
排放量的6 % ,我国钢铁企业大多分布在东部及沿海地区,因此在钢铁行业推进
氮氧化物控制十分必要。

1.1.2 钢铁生产企业氮氧化物排放情况
[1]
钢铁联合企业生产工序包括采选矿、烧结球团、焦化、炼铁、炼钢和轧
钢工序, 各工序排放氮氧化物 NO 情况如表 1-1。

根据钢铁工业统计, 近几年
x
我国主要钢铁企业工序NO 排放情况如表 1-2 。

按照国内钢铁企业烧结矿、焦炭、
x
2 铁水和钢材量与粗钢通常比例,计算工序排放NO 比例如表 1-3。

x
表1-1 钢铁工业各工序NO 排放
x
工艺阶段主要NO 排放源主要燃料
x
烧结球团烧结机头、竖炉、回转窑混合煤气、煤粉、焦粉
焦化焦炉、管式炉焦炉煤气
炼铁热风炉高炉煤气
炼钢钢水保温及烤包混合煤气
轧钢加热炉、退火炉焦炉煤气、混合煤气、天然煤气
表1-2 近几年主要钢铁企业工序废气NO 排放情况kg
x
项目烧结球团焦化炼铁炼钢轧钢
吨产品排放 0.3-0.8 0.18-1.1 0.08-0.34 0.03-0.10 0.12-0.38
平均值 0.55 0.64 0.21 0.065 0.25
表1-3 主要生产工序废气NO 排放比例情况
x
项目烧结球团焦化炼铁炼钢轧钢
用量与粗钢的比例 1.5 0.3 1.05 1.0 0.9
计算权重值 0.32 0.06 0.22 0.21 0.19
吨产品排放量/kg 0.55 0.64 0.21 0.065 0.25
计算吨钢排放量/kg 0.176 0.038 0.046 0.014 0.048
占总排放比例/% 54.66 11.80 14.29 4.35 14.91
从表 1-3 可见: 烧结球团工序排放废气 NO 占企业生产主工序排放量总和
x
的一半,有学者根据对烧结过程物质和能量流分析,烧结排放 NO 占钢铁主工
x
[5]
序的 48 % ,因此, 烧结工序烟气氮氧化物控制是钢铁生产企业氮氧化物减排
的重点。

1.1.3 烧结烟气特点
[6]
烧结烟气的特点如下 :
l 烟气量大: 漏风率高40 %-50 % , 每生产 1 t 烧结矿, 大约产生 4 000-6 000
3
m 烟气;
2 烟气温度较高:随烧结工况变化,烟气温度一般在 120-180 ℃;
3 烟气粉尘浓度高: 粉尘主要以铁及其化合物为主, 由于使用不同的原料
还可能含有微量重金属元素;
4 含湿量大: 为了提高烧结料层的透气性, 混合料在烧结前加水制粒, 按
体积比计算,水分含量一般在 10 % 左右;
5 含有害气体: 烟气中含有一定量的 SOx 、NOx 、HCl 和 HF 等, 它们遇水
后将形成酸雨,腐蚀金属构件。

此外,还含有对人体健康危害极大的二恶英;
3 6 含 SO 浓度相对较低: 随着原料硫负荷等因素的变化, 国内企业一般在
2
3
1 000-6 000 mg/m ,且机头各个风箱的 SO 浓度差异很大;
2
7 不稳定性:由于烧结工况变化,烟气量、烟气温度、SO 浓度等经常发
2
生波动,且变化频率高。

烧结烟气是烧结混合料点火后, 随台车运行, 在高温烧结成型过程中所产生
的含尘废气, 烧结烟气中含有大量的 NO 和粉尘。

据统计, 烧结过程的 NO 排
x x
放量约占钢铁企业排放总量的 40 %-60 % , 控制烧结机生产过程 NO 的排放是钢
x
铁企业控制污染的重点。

我国钢铁企业由于受资金和脱硝技术问题困扰, 烧结烟
[7]
气脱硝研究和应用基本上还处于起步状态。

因此, 开展烧结脱硝技术研究,是
我国钢铁企业发展与环境污染治理和谐发展的必由之路。

1.2 国内外烧结脱硝研究现状
1.2.1 烧结脱硝现状
[8]
烧结烟气 NO 排放约占 NO 总排放量 10 % ,并且由于烧结工艺及原料成x x
分和配比的不稳定性, 致使烟气流量大, 成分复杂, 温度在 80-180 ℃之间变化,
同时在高温烧结过程还会产生多种污染物 , 烧结烟气中的浓度一般在 200-310
3[9] 3[10]
mg/m ,也有报道说其浓度达到过 700 mg/m ,这些特点在一定程度上增加了烧结烟气的处理难度。

由于烧结烟气中 90 % 以上的 NO 为 NO , 因此,NO 向
x
[11]
N 的转化是脱除 NO 的关键步骤。

烟气脱硝的方法有很多,根据脱除产物的
2 x
[12]
形态可分为湿法、半干法和干法。

比较各种脱硝的方法,干法脱硝工艺简单,
无污染和无废酸处理问题, 并且经过净化的烟气可由烟囱直接排放, 因此采用的
[13]
比较广泛。

目前发展比较成熟的技术主要有选择性非催化还原SNCR 和选择
性催化还原SCR 。

但是,和燃煤烟气不同, 烧结烟气很难直接采用该技
术。

这
主要是因为烧结烟气的温度较低 <200 ℃难以达到 SNCR 和 SCR 方法的窗口温
度,其次就是烧结烟气流量大、浓度低,当采用 SNCR 方法处理时加入的还原
剂不能发挥有效的作用。

目前国外的烧结烟气脱硝技术主要有活性炭焦吸附
法、循环流化床法、高能辐射- 化学法、半干喷雾法和奥钢联的 MEROS 烟气净
化技术等。

近几年,我国对脱除烟气中 NO 技术的重视程度开始增加,但环保x
[14-16]
措施主要是用在燃煤电厂 ,在铁矿石烧结烟气方面的应用几乎是空白。

1.2.2 烧结过程 NO 生成机理
x
钢铁厂烧结过程中的 NO 主要来源于烧结过程中燃料燃烧的产物。

一般情x
况下燃烧过程中产生的氮氧化物主要是 NO 和 NO , 这二者统称为 NO 。

烧结烟
2 x
气中的 NO , 主要是由烧结固体燃料及含铁原料中的氮和空气中的氧在高温烧结
x
时产生的,烧结过程 NO 来源主要有两部分 ,一是烧结点火阶段,二是固体燃
x
料燃烧和高温反应过程。

4 [17]
在燃料燃烧的过程中,生成 NO 的途径有以下三个方面 :
x
1 热力型 NO (Thermal NO ) ,它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的
x x
NO , 约占总 NO 排放量的 20 % 左右。

当燃烧温度低于 1 500 ℃时, 几乎观察不
x x
到热力型 NO 的生成反应, 只有当温度高于 1 500 ℃时,NO 的生成才陡然明显
x x
起来。

影响热力型 NO 生成量的主要因素是温度、氧浓度以及在高温区停留时
x
间。

2 燃料型 NO (Fuel NO ) , 它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分
x x
解而又接着氧化生成的 NO 。

煤燃烧时约 75 % ~90 % 的 NO 是燃料型NO 。

因
x x x
此,燃料型 NO 是煤燃烧时产生的 NO 的主要来源。

燃料型 NO 的生成机理非
x x x
常复杂,其生成和破坏机理至今仍不是完全清楚。

这是因为燃料型 NO 的生成
x
和破坏过程不仅和煤种特性、煤的结构、燃料中的氮受热分解后在挥发分和焦炭
中的比例、成分和分布有关, 而且大量的反应过程还和燃烧条件如温度和氧及各
种成分的浓度等密切相关。

3 快速型 NO (Prompt NO ) ,由费尼莫尔Fenimore 于 1971 年通过试验
x x
发现的, 即在燃料过浓时 , 碳氢化合物燃料燃烧, 在反应区附近会快速生成 NO 。

x
它是燃料燃烧时产生的烃CH 等撞击燃烧空气中的 N 分子而生成 CN 、HCN ,
i 2
然后 HCN 等再被氧化成 NO 。

快速型 NO 只有在比较富燃的情况下, 即在碳氢
x x
化合物 CH 较多, 氧浓度相对较低时才发生, 其生成量很小, 一般在总 NO 排放
x
量的 5 % 以下。

因它的生成速度快, 就在火焰面上形成, 欲降低快速型NO ,只
x
要保持足够的氧量供应便可以。

[18]
日本钢铁厂的研究表明:烧结过程中几乎没有热力型NO 和快速型NO , x x
但有燃料型NO , 生成的NO 主要以NO 为主 , 只有微量的NO 存在。

而燃料型NO
x x 2 x
的生成受到燃料氮含量及氮的存在形态、燃料粒度、空气中氧含量、烧结混合料
中物质成分等的影响。

煤炭中的氮含量一般在0.5 %-2.5 % , 称为燃料氮, 它们以氮原子的状态与各
种碳氢化合物结合成氮的环状化合物或链状化合物,如喹啉C H N 和芳香
胺
5 5
7
C H NH 等, 煤中氮有机化合物的C-N 结合键能[25.3-63×10 J/mol] 比空气中氮
6 5 2
7
分子N≡N 的键能94.5×10 J/mol 小得多,在燃烧时很容易分解出来。

因此从氮
氧化物生成的角度看,氧更容易破坏C-N 键而与氮原子生成NO 。

烧结燃料中的含氮有机化合物首先被分解成氰HCN 、氨NH 等中间产
3
物, 它们同挥发分一起析出, 称之为挥发分氮; 析出挥发分氮以后, 仍残留在焦
炭中的氮化合物为焦炭氮。

然后 ,HCN 、NH 与其它中间产物进一步反应生成
3
NO 。

在后续的燃烧过程中,挥发分氮和焦炭氮分别燃烧生成NO 和N 。

煤燃烧
x x 2
时由挥发分生成的NO 占燃料型NO 的 60 %-80 % , 由焦炭 N 所生成的
NO 占到
x x x
[19]
20 %-40 % 。

在固体燃料氮的转化过程中, 生成的NO 大部分大约90 % 是NO 。

x
燃料氮在燃烧过程中的迁移如图 1-1。

5 N
2
挥发分氮
燃料氮
焦炭氮
NO
x图1-1 燃料氮在燃烧过程中的转化过程
1.2.3 烧结脱硝工艺
NO 是物质燃烧过程中产生的,对NO 排放的控制主要从以下三方面进行:
x x
烧结原燃料控制、烧结过程控制和烧结烟气脱硝。

其中原料控制是基础条件, 烧
结过程控制是有效手段, 烧结烟气脱硝是最终保障。

日本、美国等发达国家从20
世纪80年代开始对烧结过程NO 控制开展了相关研究。

而国内因之前重视不够,
x
对烧结烟气脱硝技术的研究目前还处在起步阶段。

1 烧结原燃料控制
要绝对减少烧结过程NOx 的排放量, 应尽可能减少焦粉中或其他烧结燃料带
入的氮。

[20]
中南大学潘建根据试验所用焦粉的XPS 拟合曲线的峰值特征, 推断出焦粉
中的N 主要以吡咯五元环官能团形式存在, 且由于吡咯五元环相对不稳定, 因而
焦粉中的燃料氮较易释放 ; 但不管焦粉中的有机N 以何种形式存在 ,NO 生成速
率都将随燃料N 含量增加而增加 ,NO 的排放量亦将提高 ; 通过实验研究发现 ,
粒度细小于0.5 mm 或粒度较粗大于5 mm 的焦粉在燃烧时, 其NO 的生成浓度
都要低于其他粒级NO 生成浓度。

[21]
KoichiMorioka 发现在烧结原料中添加Ca-Fe 氧化物对NOx 脱除起
一定的作
用, 这种作用随着反应温度的升高和氧气浓度的降低更加明显。

[22]
Chin-Lu MO 等人研究在烧结料中添加碳氢化合物可以显著减少NO ; 稻壳和糖类物质在料层中有良好的渗透性,并降低燃烧带高温持续时间。

添加1 % 的
2
糖,NOx 含量从223 ppm 降低到160 ppm ; 生产率从37.5 t/m ? 24h 提高到45.4
2
t/m ? 24h ; 烧结矿转鼓指数ISO+6.3 mm % 保持不变, 低温还原粉化率从31.5 %
降到27.3 % 。

2 烧结过程脱硝技术
烧结过程脱硝技术是通过控制操作条件或者在烧结过程中加入某种添加物来减少NO 的一种方法。

x
控制燃烧过程NO 生成的技术主要有烟气再循环法。

烟气再循环技术是一部
x
分热废气被再次引入烧结过程的循环的技术。

热废气再次通过烧结料层时, 一方
面降低混合气中的氧浓度, 起热量吸收体的作用, 不致使燃烧温度变得过高, 从
而抑制氮氧化物的生成; 另一方面, 其中的氮氧化物能够通过热分解被部分破坏,
6 废气中的CO 在烧结过程中再次参加还原还可降低固体燃耗。

[23]
陈彦广等人依据煤的解耦耦合燃烧原理和烟气返回脱硝技术,研究发现: 返回烟气中引入1 %~4 % 的H 、CO ,脱硝率分别可达10 % ~40 % 、10 % ~35 % , 2
脱硝率与H 、CO 引入量近似成正比关系 ; 返回烟气中引入NH , 也可起到脱硝
2 3
作用。

NH 在低温400~600 ℃时先被氧化成NO ,在620~660 ℃时作为还原剂还
3 x
3
原NO ,引入0.15 % 的NH 可使600 mg/m 的NO 降低33 % 。

x 3 x
[20]
潘建等人研究表明:烧结过程NO 的排放浓度始终保持在一个稳定的较高
浓度水平 , 提高烧结碱度或烧结料层厚度有利于降低NO 排放
浓度。

综合烧结工
艺参数对NO 排放行为的影响和目前烧结技术的发展趋势来看, 高料层烧结已是
目前发展的一个重要方向, 而铁酸钙是高料层烧结时烧结矿中的主要矿物成分之
一, 充分发挥烧结过程形成的铁酸钙催化NO 还原的作用是减少烧结过程NO 排放
的有效且实用的方法。

铁酸钙催化NO 还原服从多相催化的吸附活化物理论,在
铁酸钙催化剂活性部位发生NO 分子吸附、离解、表面活性物的重组和产物脱附
的反应 , 两种反应的共同作用下, 降低了NO 还原的表观反应活化能 , 加快了反
应速度。

与常规烧结工艺流程相比, 可降低NO 排放浓度近4 % , 还可改善烧结产
量和质量指标。

[24]
3 烧结烟气脱硝技术
1 选择性非催化还原技术SNCR
选择性非催化还原技术的脱硝效率一般为30 %-40 % 。

该技术的工业应用是
从20世纪70年代中期日本的一些燃油、燃气电厂开始的; 欧盟国家的一
些燃煤电
厂从80 年代末也开始SNCR 技术的工业应用 ; 美国的SNCR 技术在燃煤电厂的工
业应用是在90 年代初开始的。

目前世界上燃煤电厂SNCR 工艺的总装机容量在5
GW 以上。

SNCR 烟气脱硝技术是用NH 、氨水、尿素等还原剂喷入燃烧室内与NO 进
3 x
行选择性反应, 不用催化剂, 因此必须在高温区加入还原剂。

还原剂喷入燃烧室
温度为850~1 100 ℃的区域 , 还原剂迅速热分解成NH 并与烟气中的NO 进行
3 x
SNCR 反应生成N ,该方法是以燃烧室为反应器。

NH 或尿素还原NO 的主要反
2 3 x
应如下: 4NH +4NO+O →4N +6H O1-1
3 2 2 22NO+CONH22+1/2O2→2N2+CO2+2H2O 1-2
由于SNCR 工艺需要的反应温度太高850-1 100 ℃ , 因此该技术不适用于钢
铁厂烧结烟气脱硝。

2 选择性催化还原技术SCR
从技术的成熟性角度来说,选择性催化还原法SCR 由于具有较高的脱硝效
率最高可达 90 % , 目前在日本、德国、北欧等国家和地区的燃煤电厂得到广泛
应用。

在我国,越来越多的燃煤电厂已认可并开始广泛使用该技术,效果良好。

7 考虑到钢铁厂烧结烟气的实际状况烟气量波动大、含湿量高、粉尘成分复杂与
燃煤锅炉烟气的不同,只有在燃煤电厂中使用的烟气脱硫脱硝技术成熟,同时,
也需要在设计时结合钢铁厂烧结烟气的实际状况来进行优化, 在钢铁厂烧结烟气
的处理才有可能使用成功。

在 SCR 工艺中,将氨喷入烧结烟气中,在催化剂的作用下发生反应。

主要的化学反应方程式如下:4NO+4NH +O →4N +6H O 1-3
3 2 2 2
6NO +8NH →7N +12H O1-4
2 3 2 2
烟气中的 NO 主要由 NO 和 NO 组成,其中 NO 约占 NO 总量的 95 % , x 2 x
NO2 约占 NOx 总量的 5 % 。

因此,式 3 被认为是脱硝反应的主要反应方
程式 ,
它的反应特性为: ①NH3 和 NO 的反应摩尔比为 1;②脱硝反应中需要 O2 参与
反应; ③典型的反应温度窗口为 320-400 ℃。

脱硝反应的产物是氮气和水, 为了使脱硝反应得以进行, 需要持续不断的氧
气供应, 而氧气可以用来自钢铁厂烧结机的烧结烟气。

在反应温度较高时, 催化
剂会产生烧结或结晶现象; 在反应温度较低时, 催化剂的活性会因为硫酸铵在催
化剂表面凝结堵塞催化剂的微孔而降低。

SCR 的一次性投资较高 , 根据脱硝效率的不同要求 , 投资费用存在一定的
差别。

一般来说,在脱硝效率为 75 % 时,SCR 催化剂需要布置两层;当脱硝效
率要求在 50% 以下时,一层催化剂即可满足脱硝要求。

催化剂占整个 SCR 脱硝
系统的投资比例达到 30 %-40 % 。

可依据钢铁厂烧结烟气的实际状况, 确定最终
的脱硝效率, 以便设计和布置相应的催化剂层数, 达到最大限度节省投资和运行
成本的目的。

SCR 系统的最大优点是脱硝效率高 , 系统运
行稳定 ,可以满足严
格的环保标准。

此外,烟气脱硝技术还有臭氧氧化吸收法、高锰酸钾氧化吸收法、ClO2 氧
化吸收法、电子束法等,但目前还处于试验阶段,未有成熟的工业应用。

除了上述三种过程以外, 利用生物质的燃烧进行脱硝也是一种工艺。

生物质
资源是指以木质素或纤维素及其它有机质为主的陆生植物、水生植物以及人畜禽
粪便等。

我国是农业大国,农林生产过程中产生的生物质品种繁多,产量极大,
有着丰富的生物质资源, 诸如稻壳、秸秆、玉米芯、锯木屑、碎木块、甘蔗渣等。

近年来在一些经济发达的地区, 农民大量使用优质高效燃料, 而将农作物秸秆直
[25]
接在农田焚烧,既浪费了能源,又污染了环境。

[26]
生物质的热解是生物质燃烧的第一步反应。

热解有两种加热方式 :缓慢
加热和快速加热。

缓慢加热可制取大量焦炭; 而快速加热可用于制备液体和气体。

对于再燃烧过程, 生物质的热解可以理解为快速热解。

生物质在受热时先进行一
级分解,产生焦炭、一次焦油和一次气体;在高温时,一次焦油发生二次分解 ,
产生二次焦油和二次气体, 液体产量下降, 气体产量迅速增加, 见图1-2 。

焦油
8 [26]
产率在 550-600 ℃时达到最大值 , 随着温度升高, 焦油的产率迅速下降,而
[27]
CO 、CH 和 H 的产率迅速上升。

由此可判断出当温度超过 550-600 ℃时, 一
4 2
次反应已经完成, 二次反应产生大量的 CO 、CH 和 H 等, 其中 CO 产量增加很
4 2
快,因为此时随着温度的升高,发生了气化反应。

只有温度超过 500 ℃时,H
2
[28]
才会析出。

随着温度进一步升高,H 的含量继续升高,这一方面与高温阶段
的脱氢反应有关,伴随着大分子断裂成小分子都有一定的 H 析出;另一方面由
2
初期反应生成的焦炭脱氢生成,而 CH 、C H 、C H 的含量会逐渐降低。

在一
4 2 4 2 6
定的温度范围内,CH 、C H 、C H 的含量会达到最大值, 这个温度范围受到其
4 2 4 2 6
他因素的影响 , 并且与生物质的种类密切相关。

对于木材 , 在 750 ℃时,CH
4
达到析出高峰; 当炉膛温度超过 750 ℃后,CH 、C H 、C H 的含量会逐渐降低,
4 2 4 2 6
[29]
H 含量升高的速度加快 ;对于橄榄油残渣, 在 550-600 ℃时,C H 、C H 的
2 2 4 2 6
[27]
含量达到最大值。

CO 的变化要复杂一些, 由于生物质种类不同, 变化规律也
[27]
不同,但是当温度超过 800 ℃以后,CO 的含量将随着温度的升高而降低。

2焦炭
二次焦油
一次二次
生物质一次焦油
分解分解
二次气体 (CO 、一次气体 (CO 、 CO 、
2
分解
H 、CH 等)
2 4H 、CH 等)
2 4
图 1-2 生物质热解过程示意图
[26]
生物质的热解气体成分因其组分的差异而不同。

生物质热解产物中最主
[30]
要的碳氢化合物是CH 、C H 、C H 、C H , 含氮组分是HCN 和NH 。

表1-4
4 2 2 2 4 2 6 3
为稻壳、木屑、橘皮三种生物质的成分及其快速热解气体组分。

再燃烧
过程中,
生物质热解是快速热解, 热解的主要产物是 H 、CO 、CO 、CH 、C H 、C H 、
2 2 4 2 2 2 4
C H 、C H 、C H 、焦炭、焦油和灰分等。

2 6
3 6 3 8
表1-4 生物质的元素分析及热解850 ℃气体组成
元素分析生物质热解气体组成脱水后
项
目 C /% H /% O /% N /% S /% FC /% H /% CO/% CH /% C H /% C H /% CO /%
ad ad ad ad ad ad 2 4 2 4 2 6 2
稻壳 40.09 5.54 33.24 0.52 0.14 12.68 11.75 37.4 18.35 4.14 1.12 27.23 木屑 45.15 5.76 42.01 0.39 0.03 15.07 8.93 30.31 15.25 2.52 1.82 41.17 橘皮 45.64 6.40 32.92 1.2 0.05 13.45 10.86 36.21 9.85 3.80 1.06 38.22 将生物质作为燃料, 喷入锅炉内, 还原在主燃区产生的NO 。

生物质燃
烧后
x
产生的主要成分是CO 、H 、CO 、CH 等 , 这些成分对NO 的还原 , 主要经过以
2 2 4 x
[31]
下几种途径 :
9 4CH +6NO→4HCN+6H O+N 1-5
4 2 22NO+2CO→2CO +N 1-6
2 2
2H +2NO→N +2H O 1-7
2 2 2
此外,生物质燃烧产生的灰分中含有较高浓度的碱金属 Na 、K 等, 会形成附加组分,增强 NO 的还原反应。

x1.3 烧结烟气脱硝存在的问题
“十二五”规划中, 对钢铁行业排放氮氧化物从排放标准和总量控制两个方面
进行要求, 长远看来, 对于大型钢铁企业烧结工序, 单纯靠燃料、烧结过程控制
减排已经难于满足要求, 采用高效、经济、适用的烧结烟气脱硝技术成为我国烧
结烟气氮氧化物减排的发展趋势。

烧结烟气脱硝技术基本可分为脱硫脱销一体以及单独脱硝技术两种类型, 就
我国实际推广应用而言存在如下问题:
1 现行的GB9078?1996 《工业炉窑大气污染物排放标准》中没有NO 排放
x。