生物质液浆与煤雾化混烧过程细颗粒物的生成与影响机制

Biomass-fast-pyrolysis-produced slurry is a promising new type of biofuel developed recent years. As a slurry, it can be injected into coal-fired boiler via the ignition-nozzle set and co-burned with coal powder. PM2.5 emission is the reason blamed for the current Haze pollution in China. Research on its formation mechanisms during combustion is essential for its control. It is known that synergy effect is important for PM2.5 emission during co-combustion of different fuels, however, the corresponding knowledge for the case of co-firing of biofuel slurry and coal is still in absent. This project targets at the formation mechanism of PM2.5 during the co-firing of biofuel slurry and coal. A series of systemic combustion experiments would be applied along with the collection and analysis of the char, ash and PM products. The comparison on the PM2.5 emitted from two different co-firing methods for solid and liquid fuels would be conducted. The transformation of fuel mineral matter together with in-situ-produced char during co-firing process would also be illustrated. The detailed synergy between different fractions of biofuel slurry and coal during co-combustion on PM2.5 formation would be investigated. This research would be helpful for the development of biomass energy utilization and PM2.5 emission control in China.

生物质快速热解制液浆燃料是近年来国内外生物质能技术的重要发展方向。流体特质使其可以通过燃煤锅炉雾化点火装置进入炉膛从而实现与煤的混合燃烧。燃烧过程细颗粒物的生成机制是雾霾防治研究的重点。以往研究表明不同燃料的混烧会对其排放产生交互作用影响，而目前生物质液浆与煤混烧的相关影响机制仍不明确。本项目以生物质液浆与煤雾化混烧过程产生的细颗粒物为研究对象，拟开展一系列不同组分生物质液浆与煤的单独和混合燃烧实验，收集并分析不同燃烧阶段产生的焦、灰和颗粒物的物化特性，得出二者混烧过程细颗粒物的生成和影响机制。本项目将首次针对固液燃料两种不同混烧方式进行细颗粒物排放的对比，揭示生物质液浆与煤雾化混烧过程碳焦结构演变对矿物质迁移行为的影响，深入挖掘混烧过程不同燃料组分间交互作用对细颗粒物生成机制的影响。研究结果可填充细颗粒物排放研究领域的相关空白，为我国生物质能和细颗粒物防治技术的发展提供进一步理论支持。

生物质液浆燃料是国内外生物质能研究的重要方向。相较于原生物质，生物质液浆兼具能量品质高、低碳、可再生的优势，是燃煤电站锅炉的有效潜在替代燃料，满足清洁、低碳的能源战略需求。本项目针对生物质液浆燃料与煤在混烧利用过程颗粒物的生成排放开展研究，以期为生物质液浆燃料在电站锅炉中的清洁利用提供基础理论支持。研究表明给样模式（并行进样与混合液浆进样）对生物质液浆燃料与煤混烧利用过程颗粒物的生成排放产生重要影响。相较于单独燃烧产生颗粒物的理论计算值，并行进样混烧模式下排放的细颗粒物（PM2.5）更多，同时粗颗粒物（PM1-10）粒径分布峰朝更小尺度的方向迁移；而混合液浆进样模式下排放的超细颗粒物（PM0.1）更多，细颗粒物和粗颗粒物更少，同时粗颗粒物粒径分布峰朝更大尺度的方向迁移。而这种影响差别主要作用于燃料中的难熔矿物元素，与燃烧过程焦颗粒的破碎行为变化密切相关。由于易挥发组分活性基团与焦之间的交互作用，并行进样和混合液浆进样两种混烧过程均会促进易挥发矿物元素和半挥发矿物元素的挥发释放、继而凝结成核形成细颗粒物。对于难熔矿物元素，并行进样混烧过程生物质液浆组分高挥发分特性或对煤颗粒燃烧及破碎分解产生促进作用，从而降低粗粒径颗粒物的产生；而混合液浆进样过程，由于液浆对煤颗粒的包裹，混合液浆雾化过程或产生煤颗粒聚合体，使燃烧过程中焦颗粒的体积增大，破碎及燃尽时间边长，从而促进粗粒径颗粒物的产生。生物质液浆轻质组分与煤在不同混烧方式下的研究表明，其重质组分物质在混合液浆进样混烧模式下对颗粒物生成起到重要影响。重质组分中粘性较大的聚合物在制备混合液浆时易于粘附在煤颗粒表面形成颗粒集合体，并在燃烧过程中形成碳化外壳，迟滞分解及燃尽进程，从而影响颗粒物的生成排放。考虑到粗颗粒物易于捕集，本项目研究表明生物质液浆与煤制备混合燃料液浆混烧利用更有利于降低颗粒物的污染排放，达成低碳、清洁的能源战略目标。