生物质燃烧中主要污染物防治技术优化

减少有害的烟气排放可以通过避免这些物质的形成（一次减排措施）或通过相关设备将这些物质从烟气中除去（二次减排措施）来实现。

7.6.2.1　一次减排措施

一次减排措施的目标是防止或最大限度地减少燃烧室内有害物质的生成。一次减排措施主要用于减少NOx排放和由于不完全燃烧造成的污染物如CO、VOCs等的排放。生物质的不完全燃烧通常是由生物质燃料和空气混合不均、生物质燃料在炉内停留时间不足、燃烧温度不足或总过量空气量低等引起的。因此，无论是新造锅炉还是现有锅炉，都可以通过以下方法进一步改进。

（1）改变燃料成分：减少有害排放的一种方法是减少燃料中导致这些排放的元素的含量。减少生物质中特定元素的含量的可能性是有限的。不过，秸秆的洗涤浸出已被证明可以显著降低氯和钾的含量，从而降低二恶英和呋喃的排放水平。

（2）改变燃料的含水量：生物质燃料往往具有较高的含水量。来自森林的新鲜木材可能含有高达60%的水。燃料中水分含量高会降低热值，使燃烧室难以达到足够高的温度。生物质干燥通常成本太高，经济上不太可行，除非可以以非常低的成本获得另一种工艺产生的余热以干燥生物质。或者可以将生物质暴露在阳光和风下，露天干燥生物质也是一种廉价而简单的替代方法。

（3）改变燃料颗粒尺寸：燃料颗粒尺寸与燃尽时间密切相关。生物质燃烧应用的燃料可能从整个原木到细木屑不等。小颗粒因拥有较大的比表面积而燃烧速度更快，燃烧更完全。大颗粒的尺寸可以用破碎机等来缩小。特殊的锤式破碎机可用于制造毫米大小的粉状颗粒。然而，只有在收益大于额外投资和能源成本的情况下，减小颗粒尺寸才具有吸引力。

（4）空气分级燃烧：优化一次风、二次风和三次风的配比，包括新锅炉投入运行时或锅炉进行重大改造后的验证性试验。此外，氮氧化物排放也受到空气分级的显著影响。空气分级通过分离挥发分分相燃烧，改善了挥发分和燃烧空气的混合情况，既减少了不完全燃烧造成的效率损失，又减少了NO排放。在第一阶段，一次空气的加入主要用于燃料的干燥和脱挥发分。这一阶段过量空气系数小于1，气体主要由CO、H2、烃类、CO2和H2O组成。在第二阶段，提供足够的二次空气，以保证气体完全燃烧并降低排放。第二阶段优化了可燃气体和空气的混合情况，减少了所需的空气量，从而使得火焰温度更高和燃尽更好。空气分级也可从NO形成机理上减少燃料氮的排放。挥发分中含有NH3和HCN，如果有足够的O2，则可转化为NO。但是，在富燃料的条件下，NH3和HCN会与NO反应形成N2。因此，可以通过优化第一阶段的过量空气系数来减少NO的排放。

（5）燃料分级和再燃：这是在生物质燃烧应用中减少NOx排放的另一关键技术。在燃料分级的第一阶段，一次燃料以大于1的空燃比燃烧，产生NOx浓度相对较高的烟气。在第二阶段，在没有额外空气供应的情况下，引入二次燃料到烟气，形成富燃料区，在此区域，第一阶段的NOx与二次燃料的NH3和HCN反应，以和空气分级燃烧相同的方式降低NOx排放水平。这种方法的另一个作用是NOx通过与HCCO（酮烯基）和CHx自由基反应而转化回HCN。这种燃烧方式也被称为再燃。在燃料分级的最后一个阶段，提供足够的二次空气以实现完全燃尽。

（6）控制总过量空气系数：尾部氧气浓度是燃料湿度的函数，其设定值与湿度成正比，氧（干）浓度的典型值一般设置在7%～11%之间。

（7）在格栅或燃烧区调整燃料的停留时间，即通过调整炉排运动速度或针对相应燃料颗粒大小和粒度分布选择适当的悬浮燃烧区，或优化燃烧室的设计。

（8）优化固定床温度：预热的一次空气需要对燃料干燥和脱挥发分过程供热，此外固定床上必须有足够的空气以使焦炭燃尽，综合以上两个特点优化固定床温度。

（9）控制挥发分的燃烧温度（＞850℃）：在焚烧炉中要求燃料必须至少在850℃燃烧2s，对生物质锅炉也建议如此。

在任何情况下，锅炉的自动控制系统都对锅炉的安全高效稳定运行有重要影响，应该仔细优化控制系统算法以实现生物质锅炉的最佳性能。控制算法应考虑以下参数及其之间的关系。

（1）烟气中O2与CO浓度、燃料湿度：这可为更精确地估算O2浓度设定值提供基础，但该技术需要在线测量CO浓度和燃料湿度。

（2）炉内多点温度测量：这样可为锅炉换热面的换热过程提供信息，从而反映炉内结渣和沾污的有关信息。(www.xing528.com)

（3）直接测量燃料和空气质量流量：这样可更准确地计算其他参数，如一次空气与二次空气的比例。

（4）将燃料湿度纳入总风量设定值的计算中，以实现锅炉内气体最佳停留时间的计算和设置。

（5）对于炉排炉系统，炉排下的一次风分布和烟气再循环（如果有的话）应与床内反应各区域（干燥、脱挥发分和焦炭燃烧）的演变相关联，以避免非均匀燃烧并限制飞灰含碳量。

7.6.2.2　二次减排措施

当烟气离开燃烧室，则主要采用二次减排措施来降低污染物排放，主要涉及颗粒、氮氧化物和二氧化硫的排放。其他污染物如HC1、重金属、PCDD/F的排放也可以通过二次减排措施来降低，但目前工业应用较少，这里不做详细介绍。

1.颗粒物控制技术

在大多数生物质燃烧应用中，颗粒物排放显著，必须采用二次减排措施以使其满足排放要求。由于排放的颗粒物中有许多不同尺寸的颗粒，因此，也有不同的颗粒控制技术，使用的装置包括沉降室、旋风分离器、静电除尘器、布袋除尘器和洗涤器。沉降室是一个大的隔间，里面的气体速度降低，颗粒物会在重力作用下沉降。沉降室集尘效率低，占地面积大，但设计简单，投资和维护费用低。旋风分离器则采用离心力的原理分离颗粒，带有颗粒的气体通过切向注入旋风分离器而进行旋涡运动。由于离心力，颗粒漂移到气旋的墙壁，然后滑落到一个容器中，气体则从气旋的顶部离开气旋。旋风分离器比沉降室具有更高的收集效率。为了提高旋风分离器的收集效率，可通过减小旋风分离器的直径来提高旋风分离器的离心力。为了保持容量不变，可以并联放置多个小旋风分离器，称为多气旋系统。多气旋系统的缺点是建造成本更高，压降也更大，会消耗更多的能源。在能够承受的压力损失下，多气旋系统一般只能去除粒径大于10μm的颗粒。为了去除更细的颗粒，需要使用静电除尘器或布袋除尘器。在静电除尘器中，粒子首先负载电荷，然后暴露在电场中，在电场中它们被吸引到收集电极上。对收集电极表面进行定期振动清洗，使收集到的颗粒落入容器中。值得指出的是，静电除尘器在去除具有高电阻的颗粒时存在一定问题，比如干燥秸秆燃烧产生的飞灰，在这种情况下，织物过滤器则是首选。在织物过滤器中，烟气必须通过由特殊纤维编织而成的紧密织物，过滤器通过振动或压缩空气定期清洗。布袋除尘器是一种常见的织物过滤器，可以高效地去除细小颗粒，但由于冷凝塔的存在，布料往往对温度和污垢很敏感。对于木质生物质，通常使用旋风分离器进行粗分离，用静电除尘器或布袋除尘器进行细分离。在洗涤器中，会产生一层由小液滴组成的薄雾，烟气通过这些小液滴流动，颗粒会与水滴碰撞并被水滴带走。这些液滴被收集到容器的底部，形成一股需要清理的废水流。洗涤器的优点是它还能同时通过气体吸收去除SOx、NOx和HC1，缺点是存在腐蚀问题和污水处理的额外成本。

2.NOx控制技术

由于一般生物质中氮含量很少，因此生物质燃烧过程中的氮氧化物排放水平通常较低。对于氮含量相对较高的生物质燃料（例如秸秆），主要的排放控制措施通常足以达到排放限值要求。NOx二次减排措施包括选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）。在这两种方法中，都将还原剂（通常为氨或尿素）注入烟气中，将NOx还原为N2。在SCR方法中，铂、钛或钒等的氧化物催化剂适用于氨的温度范围为220～270℃，用于尿素的温度范围为400～450℃。此外，已开发SNCR工艺来避免催化剂的使用。将还原剂在850～950℃的温度下注入烟气中时，还原反应可以在没有催化剂的情况下进行。SCR和SNCR方法均可实现约90%的NOx还原率。但是，良好的混合和温度控制至关重要，否则氨将排放至大气中或转化为NOx。

3.SOx控制技术

通常，由于生物质的硫含量较低，大多数硫释放到气相中时可被飞灰捕获，并通过颗粒物控制技术除去。但是，对于某些类型的生物质（如芒草、草和稻草），SOx的排放量可能很大。从烟气中去除SOx的常用措施是用含有石灰石或石灰的浆液洗涤烟道气。SOx溶解在此浆液中，并与石灰石或石灰反应，生成亚硫酸钙（CaSO3），然后进一步被氧化为硫酸钙（CaSO4），硫酸钙是一种可出售的工业化学品。石灰石也可以直接注入燃烧室以去除SOx。

4.二恶英的控制

在某些情况下，生物质燃烧可能产生二恶英，生物质燃烧产生的二恶英通常较少。已有研究表明二恶英的形成量与燃料中氯含量没有绝对直接关系。部分针对异常高含氯量生物质的研究表明，二恶英的排放量也可以很高。生物质燃烧过程中二恶英的形成机理还没有完全研究清楚。如果产生的二恶英超过限值（0.1 ng/Nm3在11%O2基准下），则建议在用袋式除尘器对颗粒进行捕获前注入活性炭来吸附。