京津冀地區民用潔凈煤燃燒及排放特性

王東升，白向飛，劉明銳，丁 華，王 晨

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

我國北方地區農村居民冬季取暖是灰霾天氣的主要來源之一[1-3]。農村居民冬季炊事和取暖多以家庭為單位，大部分以煙煤散煤為燃料，采用直燃直排的方式[5-7]。散煤質量差、燃燒效率低，民用爐具規模小、數量大，未安裝煙氣除塵和脫硫裝置，散煤燃燒產生的污染物給人類生活帶來危害[8-9]。推廣使用民用潔凈煤和潔凈型煤是解決農村散煤散燒問題的有效手段之一，京津冀及周邊地區鼓勵推廣使用民用潔凈煤和潔凈型煤，取得了一定的效果。但在民用潔凈煤使用過程中存在無煙煤難點燃、易斷火、蘭炭不耐燒等問題，這主要是由于無煙煤與蘭炭的燃燒特性不同。

國內學者在煙煤燃燒特性、煙氣污染物成分研究方面取得了一定成果。劉生玉等[10]采用固定床熱解反應器、熱解-紅外聯用儀和熱重分析儀，考察了高揮發分煙煤的熱解、燃燒特性，結果表明，熱解段揮發分快速釋放是高揮發分煙煤燃燒過程中產生大量黑煙的主要原因。白剛等[11]研究了不同變質程度煤的燃燒階段特性參數，通過熱重試驗得到不同變質程度煤燃燒階段溫度范圍，氣煤燃燒階段溫度為279～542 ℃，貧煤燃燒階段溫度為365～594 ℃。周志軍等[12]利用熱天平對低揮發分煤的燃燒特性和NOx轉化率進行研究，表明低揮發分煤的著火溫度較高，可燃性較差，低揮發分煤燃燒過程中NOx轉化率隨著氧氣濃度的增加而升高。而在無煙煤和蘭炭的燃燒特性和排放特性等方面的研究還較少。

本文選取代表性的民用潔凈燃料——無煙煤、蘭炭，利用熱重分析儀和民用煤燃燒試驗裝置，研究了無煙煤和蘭炭的燃燒性能的差異性，并建議采用蘭炭與無煙煤混合成型的方式改善民用潔凈煤的燃燒特性。

1 民用潔凈煤推廣現狀

京津冀地區民用燃煤每年需求量在4 000萬t以上[13]。經地方政府和型煤生產企業多年努力，民用潔凈煤和潔凈型煤生產推廣取得了一定成效，截至2016年底，河北省改造新建的型煤生產企業達到205家，總產能超過2 500萬t，民用潔凈煤配送體系建設實現了縣—鄉—村三級聯合配送。2015年，京津冀地區民用潔凈煤和潔凈型煤供應量近500萬t，2016年由于北京、天津及周邊廊坊、保定部分地區劃為禁煤區和煤改電、煤改氣政策的頒布實施，民用潔凈煤和潔凈型煤的生產推廣受到影響，實際供應量比2015年大幅降低，總量不足300萬t。

2016年，山東省濟南、德州、淄博、聊城、濰坊等地開始大力推廣潔凈型煤，配套建設了諸多煤炭加工廠和三級配送體系。另外，河南、內蒙、山西等地區也紛紛出臺推廣民用潔凈煤的政策。

2017年9月頒布的《京津冀及周邊地區2017—2018年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動計劃》規定，包括北京、天津、唐山等在內的“2+26”城市逐步開展以電代煤、以氣代煤工作。該行動計劃對于京津冀地區城市周邊村鎮的民用潔凈煤生產和推廣工作有較大影響。

從經濟性和長期穩定供應等方面綜合考慮，民用潔凈煤具有一定優勢。同時，廣大農村地區冬季采暖仍需使用燃煤，民用潔凈煤有較大市場。

2 民用潔凈煤燃燒特性

低硫、低揮發分、高發熱量的無煙煤和蘭炭是優質的民用潔凈燃料。無煙煤具有難點火、燃燒持久等特點，蘭炭具有易點燃、不耐燒、燃燒時間短等特點。選取代表性的無煙煤、蘭炭以及無煙煤與蘭炭混合制成的型煤，測試其煤質指標，并通過熱重燃燒試驗對比3種燃料的燃燒特性差異。

2.1 煤質特性

蘭炭、無煙煤與混合型煤的工業分析、全硫和發熱量結果見表1，微量有害元素含量測試結果見表2。由表1可知，3種樣品均具有低灰、低揮發分、特低硫、高發熱量的特點，揮發分、全硫和發熱量指標滿足GB 34171—2017《商品煤質量 民用型煤》和京津冀地區潔凈煤地方標準的要求。由表2可知，微量有害元素磷、氯、砷、汞、氟含量均較低，符合GB 34171—2017對微量有害元素限值的要求。

表1樣品工業分析、全硫和發熱量
Table1Proximateanalysis,totalsulfurandcalorificvalueofsamples

樣品工業分析/%MadAdVdafFCdw(St,d)/%Qgr,ad/(MJ·kg-1)Qgr,d/(MJ·kg-1)蘭炭5.3212.807.9173.970.3527.2728.91無煙煤2.9215.1911.0375.450.3128.0928.93 混合型煤2.6216.6410.5874.540.3028.0628.81

表2有害元素含量測試結果
Table2Resultsofharmfulelementscontent

樣品As含量/(μg·g-1)F含量/(μg·g-1)Cl含量/%P含量/%Hg含量/(μg·g-1)蘭炭1480.0390.0140.006無煙煤11160.0220.0360.047混合型煤1730.0210.0120.038

注:測定基準為干燥基。

2.2 燃燒特性

采用德國耐馳公司的STA449F3熱重分析儀對2種樣品進行燃燒試驗。燃燒試驗初始溫度為30 ℃，以20 ℃/min升溫速率升至1 000 ℃，反應氣氛為空氣，氣體流量為100 mL/min。蘭炭、無煙煤和混合型煤熱重燃燒TG和DTG曲線如圖1所示。熱重燃燒試驗結果見表3。

圖1 熱重燃燒TG和DTG曲線Fig.1 TG and DTG curves of thermogravimetric combustion

樣品著火溫度/℃最大燃燒速率/(%·min-1)最大燃燒速率對應溫度/℃燃盡溫度/℃燃燒殘余率/%蘭炭44912.9252057312.43無煙煤50416.1955260116.73混合型煤48213.7054659615.44

由表3可知，蘭炭的著火溫度為449 ℃，無煙煤的著火溫度為504 ℃，蘭炭較易點燃；燃燒溫度相同時，蘭炭的燃燒失重和質量變化速率均高于無煙煤，最大燃燒速率對應的溫度和燃盡溫度均低于無煙煤，表明蘭炭比無煙煤燃燒快、燃燒持續時間短。摻入蘭炭的混合型煤的著火溫度、燃盡溫度介于蘭炭和無煙煤之間。添加蘭炭有助于改善無煙煤的燃燒特性。

蘭炭和無煙煤的混合型煤能夠兼顧蘭炭和無煙煤的燃燒特性。因此，潔凈型煤加工過程中建議在無煙煤中摻入一定比例的蘭炭，低硫、低揮發分的蘭炭不僅能解決優質低硫無煙煤需求緊缺的問題，還能改善單一無煙煤和蘭炭的缺陷，兼顧著火特性和燃燒持久性。由于蘭炭和無煙煤的成型特性不同，在型煤加工過程中需綜合考慮燃燒特性和黏結劑成本，進一步優化蘭炭與無煙煤的配比。

3 民用潔凈煤排放特性

3.1 試驗設備

利用煤炭科學技術研究院有限公司設計搭建的民用煤燃燒評價試驗裝置進行排放特性測試。民用煤燃燒評價試驗裝置適用于各類型民用爐具，能測試不同民用煤的燃燒性能并監測煙氣污染物濃度，試驗裝置如圖2所示。配套的污染物排放監測設備有手持式熱電偶、煙塵煙氣分析儀YQ3000C、手持式煙氣分析儀KM-940、測煙望遠鏡QT201A。

圖2 民用煤燃燒評價試驗裝置Fig.2 Civil coal combustion test device

3.2 試驗方法

在相同引火介質和操作方法下，分別進行蘭炭、無煙煤和混合型煤的燃燒試驗。單個樣品燃燒評價試驗周期為24～48 h，每隔10 min測試1組數據，燃燒過程包括引燃、加煤、燃燒、封火等工況。

煙氣污染物測試指標包括顆粒物濃度、煙氣組分(SO2、NOx)和林格曼黑度等。按照GB/T 16157—1996《固體污染源排氣顆粒物濃度與氣態污染物采樣方法》、HJ/T 57—2017《固定污染源廢氣 二氧化硫的測定 定電位電解法》、HJ/T 693—2014《固定污染源廢氣 氮氧化物的測定 定單位電解法》、HJ/T 398—2007《固定污染源排放 煙氣黑度的測定 林格曼煙氣黑度圖法》分別測量各指標。其中，煙氣組分SO2、NOx測試結果取全部數據的算術平均值，實測濃度應換算成基準氧含量下的濃度(基準氧含量按9.0%計算)。

3.3 煙氣污染物測試結果

煙氣污染物監測結果見表4。蘭炭、無煙煤和潔凈型煤燃燒排放的煙氣顆粒物質量濃度均低于30 mg/m3，混合型煤的顆粒物質量濃度略高于蘭炭和無煙煤；煙氣成分SO2含量均低于40 mg/m3，NOx含量均低于140 mg/m3，其中，無煙煤的煙氣成分含量最低；3個樣品的林格曼黑度均為0級。

表4煙氣污染物監測結果
Table4Resultsoffluegaspollutants

樣品顆粒物質量濃度/(mg·m-3)煙氣成分含量/(mg·m-3)SO2NOx林格曼黑度/級蘭炭25.8631.14130.810無煙煤22.8413.21108.580混合型煤28.3622.61127.210

GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》中重點區域鍋爐大氣污染物排放限值要求:顆粒物濃度≤30 mg/m3；煙氣成分中SO2濃度≤200 mg/m3，NOx濃度≤200 mg/m3；林格曼黑度≤1級。

由表4可知，蘭炭、無煙煤和混合型煤燃燒排放煙氣的顆粒物濃度、SO2和NOx濃度、林格曼黑度等數值均達到國家標準限值要求，是農村居民燃煤的理想清潔燃料[14]。

4 結 論

1)民用潔凈煤和潔凈型煤的生產推廣應用取得了一定成果。雖然受煤改電、煤改氣政策影響，但廣大農村地區對清潔燃煤仍有巨大需求，需繼續加強煙煤散煤的管控和民用潔凈煤的供應工作。

2)蘭炭的著火溫度為449 ℃，無煙煤的著火溫度為504 ℃，蘭炭的燃燒失重和失重速率均高于無煙煤，表明蘭炭比無煙煤易點燃，燃燒持續時間短，無煙煤和蘭炭混合制成型煤能夠兼顧引燃特性和燃燒持續性。

3)蘭炭、無煙煤和潔凈型煤燃燒排放煙氣中顆粒物濃度均低于30 mg/m3，煙氣成分SO2含量均低于40 mg/m3，NOx含量均低于140 mg/m3，林格曼黑度為0級，是農村居民燃煤的理想清潔燃料。

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