小型家用爐技術現狀及檢測評價方法

程芳琴彭 皓吳海濱賈陽杰楊鳳玲

(1.山西大學資源與環境工程研究所,山西太原 030006;2.國家環境保護煤炭廢棄物資源化高效利用技術重點實驗室,山西太原 030006;3.山西瑞恩澤科技有限公司,山西太原 030006)

0 引 言

我國能源結構和經濟發展情況決定了燃煤中小型鍋爐將長期存在。城市主要采用集中供熱,而涉及面廣的北方小城鎮和農村受經濟、地理條件、生活習慣限制還無法實現集中供暖[1],采用小型民用煤爐進行家庭供暖及炊事是居民經濟可承受的選擇。但由于缺乏有效的技術和環保標準,現有的中小型燃煤鍋爐熱效率低,污染嚴重,燃燒產生的SO2、NOx污染環境,無法滿足環保要求。近年來新設計的正燒爐型也只考慮熱效率,對污染物排放要求低,隨著環保要求的日益嚴格,如何提高燃煤爐的燃燒效率,減少燃煤爐污染物排放,成為提高空氣質量,解決民生問題的關鍵。降低污染物排放必須加強原料煤控制和使用潔凈燃燒設備。針對燃煤,本課題組已研制出潔凈環保型煤,可有效降低煤燃燒過程中污染物的排放。因此,下一步應設計優化小型家用炊暖兩用爐,通過改變爐膛結構來降低污染物排放成為本文研究的重點。

1 國內外小型家用炊暖兩用爐現狀

1.1 國外小型家用炊暖兩用爐

由于資源分布不同,國外對家用煤爐的研究較少,僅有少量用于野炊但無法取暖的小型爐灶。煤炭資源豐富的南非對小型爐灶進行了一些研究,主要是燃燒原理和煙氣中粉塵、炭黑排放。Pemberton-pigott等[2]提出了自上而下的上點火方式的簡易爐設計,并在此基礎上,設計出一種帶有空氣預熱器的小型爐,同時提出了排放因子衡量燃燒性能的方法。通過燃燒比較,表明該結構爐具有節能減排效果,提高了南非的能源使用效率,改善了空氣質量;約翰內斯堡大學的Setar中心研制出一系列下吸式燃燒煤爐(BLDD),解決imbaula爐存在的點火階段煙氣排量大、CO排放高、燃燒不充分、燃燒效率低等問題[3]。以上都是針對燃燒效率、CO和煙塵進行的相關研究,鮮見小型煤爐煙氣中污染物排放和炊暖兩用爐的研究報道。

1.2 國內小型家用炊暖兩用爐

國內容量較大的燃煤鍋爐有較好的技術條件和管理措施進行煙氣治理,而中小型燃煤鍋爐的問題比較復雜,污染嚴重。王智展等[4]改進家用爐的燃燒熱效率為40%左右。強福德等[5]研制的家用炊事水暖煤爐的燃燒熱效率為57%左右。徐有寧等[6]研究了中小型煤爐燃燒情況,認為煤燃燒過程中降低NOx排放需要低溫缺氧條件,而降低煙黑的排放需要高溫條件,因此,同時降低這2種產物排放有一定難度。何京東[7]、路春美等[8]研究了中型多功能解耦燃煤爐不同通風部位對NOx和CO排放的影響,認為在煤氣發生區和底部同時通風得到的煙氣排放環保綜合結果最佳,并提出了適于中小型燃煤鍋爐低NOx燃燒的解耦燃燒技術和熱解氣再燃燒技術[9],設計了小型民用爐,消煙效果較好。集消煙、環保、能效為一體的小型兩用爐鮮有報道,小型爐由于爐膛小,采用低氮燃燒設計還較少,處在示范階段,沒有大規模應用。目前國內幾種爐型結構如圖1所示。

圖1 現有國內爐子結構Fig.1 Structure of coal furnace in China

1.3 國內新型環保小型爐的研究

隨著環保形勢的日益嚴峻,我國工業企業實現超低排放重點逐漸轉向燃煤散燒污染物排放。近兩年我國小型民用鍋爐技術發展較快,市場流通的民用鍋爐主要是炊暖兩用反燒爐,其結構不斷優化。設計改造鍋爐爐膛與鍋爐配風系統可大幅降低鍋爐煙氣污染物排放,提高鍋爐熱效率。鍋爐由爐膛主體、煙道、水套構成,鍋爐設置有正燒與逆向燃燒切換蓋板,當使用炊事功能時,將蓋板切換至正燒方式;取暖過程中采用逆向燃燒,煤經干餾進入焦炭還原層充分燃燒后,煙氣經換熱水套流入煙箱,利用分級燃燒的原理,可以大幅降低污染物排放,提高鍋爐熱效率。煙道采用雙回程煙道,具有較好的消煙效果,解決了鍋爐以型煤為原料穩定燃燒產生的污染問題,起火時間較短,但起火初期會有煙塵排出。

針對起火階段的冒煙問題,課題組將相變換熱技術引入小型燃煤鍋爐,設計的無煙相變鍋爐采用逆向燃燒技術。鍋爐中填充以換熱效率較高的相變材料,進行相變儲熱放熱,在鍋爐燃燒穩定過程中,將鍋爐燃燒化學熱量傳遞給相變材料,再由相變材料傳遞于水中進行流動散熱。在爐膛內燃燒不穩定的起火階段,相變材料儲存的熱量可以傳遞至爐膛,穩定爐膛內部燃燒,增加環保性能,即使用煙煤作為原料,燃燒污染物排放也能達到環保要求。

2 中小型爐燃煤方式及污染物排放限值

2.1 燃燒方式

煤炭燃燒過程非常復雜,分為煤干燥、煤熱解、煤燃燒及氣渣分離等階段[10],包括化學反應放熱、燃料運動及傳熱傳質、能量轉化等物理化學過程。國外學者對我國黑碳排放量進行估算,認為燃煤排放的黑碳占全部排放量的52%,其中87%來自于家用燃煤[11]。陳建華等[12]通過問卷調查、臺架試驗、衛星片解析等方法研究了北京市民用小煤爐污染物排放特征,認為污染物年排放量由大到小的順序為CO＞CmHn＞SO2＞TSP＞NOx,小煤爐排放 PM10占 TSP的比例為44%,PM2.5占 PM10的比例為32%。因此,民用小煤爐CO排放量極高。小煤爐污染源不容忽視。不同工藝下,煤燃燒生成的產物不同,主要有CO2、SO2、水蒸氣等[13]。對于大中型鍋爐來說,不同燃燒方式燃燒粉煤的NOx排放情況見表1[10]。

表1 不同燃燒方式污染物排放Table 1 Pollutant discharge of different combustion modes

2.2 燃煤污染物排放限制

歐盟部分國家燃煤鍋爐排放限值及型煤鍋爐排放限值見表2。

目前國內大多數鍋爐執行GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》(表3),但對于小型炊暖爐還沒有相應的標準,目前僅從燃煤原料進行控制,以解決小型燃煤鍋爐的污染問題。

表2 歐盟部分國家燃煤鍋爐排放限值Table 2 Emission standard of pollutant discharge for coal-burning boiler in some EU members

表3 我國燃煤鍋爐排放限值Table 3 Emission standard of pollutant discharge for coal-burning boiler in China

3 小型家用炊暖爐熱力及污染物評價方法

3.1 熱效率評價

國內鍋爐標準都是針對大中型鍋爐,小型家用爐由于價低、面廣關注較少,如清華大學吳愛貞等[14]建立了家庭兩用煤爐熱效率試驗方法,考慮建筑物熱耗系數,規定了試驗平臺的標準規格,但還存在底火無法控制問題,影響了測試效果?，F有產品都依照GB/T 16154—2005《民用水暖煤爐通用技術條件》、GB/T 16155—2005《民用水暖煤爐熱性能試驗方法》進行生產和熱性能試驗;安紅萍等[15]采用以上標準方法對民用爐進行試驗考察,建立一套完善考察系統。

對于市場流通的額定供熱量小于50 kW的水暖煤爐應滿足GB/T 16154—2005,規定了不帶炊事與帶炊事鍋爐的熱性能,包括熱效率、封火能力、上火速度、炊事火力強度等指標(表4)。

表4 民用水暖煤爐熱性能指標Table 4 Calorific properties standard of coal furnace

1)上火速度

上火速度計算公式為

式中,v1為上火速度,℃/min;TC1為鍋水升至沸點的溫度,℃;TC0為鍋水起始溫度,℃;t1為鍋水溫度升至沸點的時間,min;t0為鍋水起始時間,min。

2)炊事火力強度

炊事火力強度計算公式為

式中,PC為炊事火力強度,kW;GC1為蒸發鍋內初始水量,kg;GC2為蒸發停止后剩余鍋水量,kg;r為鍋水在平均蒸發溫度狀態的平均汽化潛熱,kJ/kg;t2為鍋水蒸發停止的時間,min。

3)采暖火力強度

為了驗證鍋爐的采暖效果,進行了采暖火力強度試驗,以Pn表示,計算公式為

式中,Gn2為采暖火力強度試驗期間總出水量,kg;Tn2為平均出水溫度,℃;Tj2為平均進水溫度,℃。

4)熱效率

熱效率計算公式為

式中,η為熱效率,%;Gr為試驗期間燃料消耗量,kg。

3.2 小型家用燃煤爐煙氣評價方法

3.2.1 國外小型家用燃煤爐評價方法

南非采用德國德圖公司生產的Testo-350XL便攜式煙氣分析儀測量鍋爐出口煙氣排放濃度。其燃燒效果好壞參照SABS標準(CO濃度≤3 800×10-6,CO和CO2體積比≤2%)。評價爐子燃燒性能時引入排放因子(EF)。排放因子至少考慮2種氣體(CO和O2),以過量空氣系數(EA)來修正CO的排放因子(COEF)。

式中,φ(O2)、φ(CO)為 O2和 CO 的體積分數,10-6。

式中,λ為Lambda系數。

由于煙氣瞬態的空氣稀釋對EF沒影響,在稀釋因素相對穩定,儀器響應時間大致相同的條件下,排放測試結果具有可比性,代表了燃燒過程本身。λ也可用于在同一時間煙氣中其他氣體和微粒的排放因子的計算。

3.2.2 國內小型家用燃煤爐評價方法

煙氣檢測參照GB 13271—2004《鍋爐大氣污染物排放標準》規定,在線檢測煙氣中的O2、CO、CO2、NO、NO2和SO2含量。為解決空氣稀釋對煙氣濃度的影響,國內引入EA評價爐子燃燒性能。排放因子考慮氧氣濃度O2,然后以EA和理論空氣過量系數來修正COEF。

實測過量空氣系數為

理論空氣過量系數

式中,O2基準值根據爐型和燃料確定,空氣過量系數為 1.8 時,O2基準濃度為 9.33%;GB 13271—2014中空氣過量系數為1.8時,O2基準濃度為9%。

污染物排放濃度折算值

式中,ρ′為污染物排放實測值。

由于小型燃煤爐CO排放量大,為大型鍋爐的10倍,對SO2、NOx的檢測影響較大,無法比較。因此該方法不適用于小型鍋爐,需通過優化找到可行的方法。

4 小型家用炊暖兩用爐評價試驗

4.1 爐型結構及設計原則

針對小型爐爐膛小、煤量少及型煤揮發分低、型塊強度高、難以燃盡等實際問題,根據北方小城鎮和農村居民的用火炊暖生活習慣及家庭經濟條件,結合潔凈燃燒原理,設計了新型環保NQ-18C小型炊暖爐。煤層在爐內缺氧的情況下干餾熱解,干餾氣逆向進入燃燒區燃燒后隨煙氣排出。此種爐膛結構利用干餾氣體還原性組分與高熱量,提高燃燒區燃燒溫度,降低燃燒區的氧化性,從而降低燃燒區與干餾區NOx、CO和煙黑的排放,減少煙塵排放,實現清潔燃燒。NQ-18C小型炊暖爐結構如圖2所示。

圖2 NQ-18C小型炊暖爐結構Fig.2 Structure of NQ-18C coal furnace

4.2 試驗裝置及方法

試驗所用爐子為設計的NQ-18C小型炊暖爐與普通市售鍋爐;炊事能力采用直徑10 cm的節能鍋與普通鍋,溫度測試熱電偶和水銀溫度計;煙氣分析測試采用TH-890B和testo350紅外煙氣分析儀測量。包括1套完整的帶供熱系統試驗裝置。搭建試驗裝置及平臺如圖3所示。

圖3 煙氣分析試驗裝置及平臺Fig.3 Flue gas analysis test equipment and platform

試驗參照GB/T 16155—2005《民用水暖煤爐熱性能試驗方法》進行設計,分為炊事部分與采暖部分,步驟如下。

1)點火期:試驗前檢查鍋爐系統,確保鍋爐系統內部水量充足;點燃鍋爐內引火物,引燃原煤,待鍋爐燃燒及供暖系統狀態穩定后,開始試驗。

2)炊事部分:采用市面上流行的節能鍋與普通鍋對鍋爐炊事能力進行測試,在節能鍋與普通鍋中分別加水10 kg,測量水溫T1;分別將鍋中水加熱至沸騰,記錄時間及沸騰后溫度。

3)采暖部分:① 爐體水溫升至75℃時,打開閥門向水桶內放水。同時觀察出水溫度變化,調節限流閥門,控制出水溫度在75～80℃。當出水溫度低于75℃時,關閉閥門停止放水。放水期間,每隔2 min記錄1次出水量和出水溫度,重復這一過程。②每隔10 min記錄1次進水溫度。③將煤爐調整至采暖穩定供熱狀態,按2)過程,進行90 min的額定供熱量試驗。計算此階段總出水量與平均出水溫度和平均進水溫度。④重復①、② 過程,當水套水溫在10 min內不能回升到75℃時,結束試驗,計算全過程的總出水、平均進出水溫度。⑤試驗前在煙囪距離鍋爐1 m處開口,便于煙氣探針放入煙囪中心處,試驗全過程采用德圖testo350測定鍋爐煙囪中煙氣,得到不同階段煙氣污染物排放情況,試驗后按照GB 13271—2014換算成標準含氧量下污染物排放情況。

4)封火試驗:采暖試驗,使其進入封火狀態;連續封火10 h后,啟封煤爐,觀察爐內狀態,確定鍋爐未熄滅,在不加入任何引火柴引火煤的情況下,可以恢復正常燃燒。

5)其他相關性能測試:連續試驗3個月,測試鍋爐使用的安全穩定性。

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 NQ-18C小型炊暖爐實用性試驗

利用設計優化爐型,建設一個帶負荷試驗平臺,平臺采用新型爐供5組暖氣,同時供3×2 m2水炕的示范鍋爐房,分別采用原煤、冷壓型煤和熱解型煤進行試燒試驗,室內溫度可達18～23℃。采用逆燃方式消除加煤時冒黑煙的現象,達到煙氣排放標準。

4.3.2 NQ-18C小型炊暖爐熱工檢測

不同原料的NQ-18C小型炊暖爐熱性能對比見表5。

NQ-18C小型炊暖爐設計采用做飯正燃、取暖逆燃,多級供風的低氮燃燒形式,并設計均勻供風裝置,設計結構緊湊,運行安全穩定。由表5可知,鍋爐在燃用原煤、型煤時各項指標均符合 GB/T 16155—2005《民用水暖爐熱性能試驗方法》要求。鍋爐上火速度塊,炊事火力強度大,額定供熱量大,熱效率高;排煙處空氣過剩系數低,煙道處排煙溫度符合要求;爐飛灰、爐渣含碳量低。

表5 不同原料的NQ-18C小型炊暖爐熱性能對比Table 5 Calorific properties comparison of NQ-18C coal furnace with different raw materials

4.3.3 不同爐型供熱性能檢測

正常運行下,相同能力的2種鍋爐分別使用不同的燒水鍋,盛水4 kg,水的初始溫度為22℃,當地大氣壓下水的沸騰溫度96℃,沸騰后維持30 min,不同爐型使用不同炊具的傳熱效果見表6。

表6 不同爐子的炊暖傳熱效果對比Table 6 Comparison of cooking and heating heat transfer effect with different coal furnace

由表6可知,用2種鍋爐燒水,節能鍋的吸熱能力是普通鍋的1.8倍左右,NQ-18C小型炊暖爐的供熱能力是普通市售鍋爐供熱能力的1.89倍,因此,設計鍋爐結構合理,實用性及炊事能力比市售鍋爐效果好。

4.3.4 NQ-18C小型炊暖爐煙氣檢測

對NQ-18C小型炊暖爐和市售鍋爐污染物排放進行測試,鍋爐燃燒過程中排煙溫度變化如圖4所示。

由圖4可知,NQ-18C小型炊暖爐燃燒過程中煙氣溫度控制比較好,整個階段均處于200℃以下,而市售鍋爐煙氣溫度不斷升高,說明NQ-18C小型炊暖爐布風面及受熱面布置合理,水路系統循環較快,熱量可以迅速傳遞給鍋爐水路系統,并穩定控制在一定范圍內,大幅降低煙氣帶走的熱量,達到節能效果。

圖4 鍋爐燃燒過程中排煙溫度變化Fig.4 Exhaust gas temperature change during boiler combustion

測試NQ-18C小型炊暖爐燃燒環保型煤時的污染物(SO2和NOx)排放情況如圖5所示。

由圖5可知,NQ-18C小型炊暖爐采用熱解燃燒技術并優化了布風系統與換熱系統,在燃燒環保型煤過程中,污染物排放量較低,滿足鍋爐大氣污染物新排放標準要求。

圖5 鍋爐煙氣SO2、NOx排放情況Fig.5 Flue gas pollutant emissions of coal furnace

5 結 論

1)NQ-18C小型炊暖爐設計采用做飯正燃、取暖逆燃,多級供風的低氮燃燒形式,并設計均勻供風裝置,結構緊湊,運行安全穩定。在燃用原煤、型煤時熱效率大于65%,煙道處排煙溫度200℃,爐飛灰、爐渣含碳量6.4%,符合 GB/T 16155—2005《民用水暖爐熱性能試驗方法》要求。

2)用NQ-18C小型炊暖爐和普通市售鍋爐燒水,節能鍋的吸熱能力均是普通鍋的1.8倍左右,NQ-18C小型炊暖爐的供熱能力是普通市售鍋爐的1.89倍,因此,設計鍋爐結構合理,實用性及炊事能力比市售鍋爐效果好。

3)NQ-18C小型炊暖爐在燃燒環保型煤時,SO2排放量小于200×10-6、NOx排放量小于300×10-6,具有燃燒效率高、污染物排放低,可連續安全穩定運行等優點,是目前無法集中供暖的民用供暖最經濟適用的方案。

[1]于雅澤,李崢嶸.北方典型小城鎮居住建筑供暖現狀調研[J].煤氣與熱力,2006,26(12):58-61.

YU Yaze,LI Zhengrong.Investigation and study on heating present states of residential buildings in Northern typical small towns[J].Gas&Heat,2006,26(12):58-61.

[2]PEMBERTON-PIGOTT C,ANNEGARN H,COOK C.Emissions reductions from domesticcoalburning:Practicalapplication of combustion principles[EB/OL].(2009-04-20)[2017-12-19].http://blog.newdawnengineering.com/website/library/Papers+Articles/SeTAR/20090420%20DUE% 20Emissions%20Reduction%20from%20domestic%20coal%20combustion%20Pemberton-Pigott%20Annegarn%20and%20Cook%20Final.pdf.

[3]IBRAIMO M,ANNEGARN H J,PEMBERTON-PIGOTT C.Modelling of bottom-lit down-draft(BLDD)clean-burning coal stove[C]//Domestic Use of Energy.Cape Town:Domestic Use of Energy,2014.

[4]王智展,王曉黛.家用煤爐的改進原則和方法[J].河南農業,1996(3):22.

[5]強福德,潘存忠,郭發森.家用炊事水暖煤爐的試驗研制[J].機械研究與應用,1999,12(3):47-48.

[6]徐有寧,張忠東,李靜海,等.抑制氮氧化物無煙燃煤爐內煤氣化過程[J].化工學報,2000,51(S1):122-125.

XU Youning,ZHANG Zhongdong,LI Jinghai,et al.The gasification process of NOx-suppressed and smokeless coal combustion stove[J].Journal of Chemical Industry and Engineering(China),2000,51(S1):122-125.

[7]何京東.煤炭解耦燃燒NO抑制機理實驗研究[D].北京:中國科學院過程工程研究所,2006.

[8]路春美,王永征.煤燃燒理論與技術[M].北京:地震出版社,2001.

[9]張慧明.談應用固硫型煤控制民用小煤爐大氣二氧化硫的污染[J].陜西環境,1996(4):11-16.

[10]尚校,高士秋,汪印,等.不同煤燃燒方式降低NOx排放比較及解耦燃燒應用[J].燃料化學學報,2012,40(6):672-679.

SHANG Xiao,GAO Shiqiu,WANG Yin,et al.Comparison of NOxreduction among different coal combustion methods and the application of decoupling combustion[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2012,40(6):627-679.

[11]陳穎軍.家用蜂窩煤燃燒煙氣中碳顆粒物和多環芳烴的排放特征[D].廣州:中國科學院研究生院(廣州地球化學研究所),2004.

[12]陳建華,薄以勻,李培省,等.北京市民用小煤爐大氣污染物排放特征研究[C]//第十屆全國大氣環境學術會議.南寧:[s.n.],2003.

[13]李海洋,謝芳,史永永,等.煤燃燒過程分析與建模及其應用于Texaco氣化爐模擬研究[J].現代化工,2012,32(7):98-101.

LI Haiyang,XIE Fang,SHI Yongyong,et al.Analysis and modeling of coal burning process and its application simuiation of Texaco gasifier[J].Modern Chemical Industry,2012,32(7):98-101.

[14]吳愛貞,李元哲,蔡啟林.家庭兩用煤爐熱效率實驗方法[J].節能與環保,1988(1):14-17.

[15]安洪萍,崔遠勃,張鑒銘,等.家用炊事水暖煤爐熱性能評價指標及其試驗方法[J].農業工程學報,1998,14(1):148-152.

AN Hongping,CUI Yuanbo,ZHANG Jianming,et al.Assessing indexes and testing method for thermal properties of household cooking and heating coal stoves[J].Transactions of the CSAE,1998,14(1):148-152.