民用方型蜂窩煤燃燒采暖的減排效果及經濟性分析

李志敏，焦銘澤，PRABIN Shrestha，劉 誠，薛春瑜，劉廣青

(1.北京化工大學 化學工程學院，北京 100029；2.內蒙古鑫泓慶能源科技發展有限公司，內蒙古 呼和浩特 010100)

0 引 言

隨著《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》的推進，煤改氣、煤改電等清潔取暖形式取得了顯著效果。同時，在推進清潔取暖進程中也面臨一些挑戰。對于經濟較發達、居住較集中的城鎮來說，改變傳統的燃煤取暖方式，實現集中供暖相對比較容易。同時由于投入成本高、取暖效果差、財政補貼難以持續以及農村地區經濟發展條件、資源稟賦與居民生活習慣等諸多原因，在部分居住分散的欠發達農村地區實現清潔供暖困難重重。當前我國清潔取暖背景下，大部分農村地區仍以燒散煤取暖為主，煤改氣、煤改電等新型清潔能源替代煤的取暖形式在農村地區的實際推廣效果并不理想[1]。我國北方農村地區居民冬季大量使用燃煤分散取暖，排放大量污染物，危害環境和人體健康[2-3]。散煤污染嚴重的根源在于無法實現煤炭清潔高效利用。從我國能源格局、能源基礎及配套設施條件、居民采暖習慣和需求等角度出發，我國農村地區推廣使用低成本-低排放的潔凈型煤替代散煤仍是現階段我國實現農村清潔取暖最經濟有效的舉措之一[4]。

潔凈型煤可以顯著降低大氣污染物排放，是改善農村地區清潔取暖的現實有效途徑之一[5]。目前各地在潔凈型煤應用和推廣實施過程中，主要推廣的潔凈型煤包括煤球、蘭炭和無煙煤等。煤球存在點火困難、燃盡率低等問題；而蘭炭、無煙煤資源較少、價格較高，居民對政府補貼依賴性大。此外，由于居民使用的傳統民用燃煤爐質量與性能參差不齊、熱效率低、燃煤燃燒特性與爐具設計不匹配問題普遍存在，目前潔凈煤實際推廣使用區域減排效果并不明顯[6-7]。現行的燃料適配爐具在應用中面臨諸多挑戰。因此，尋找合適的清潔燃料和配套爐具是解決上述問題的關鍵。

蜂窩煤燃燒機理主要通過多個通風孔發生，具有減排潛力[8-10]。前人關于蜂窩煤的研究多集中在圓柱形蜂窩煤上，居民實際取暖中常見蜂窩煤也為圓柱形，煤餅厚度為70 mm，一般為12孔或19孔。然而實際取暖中發現，多個圓柱形蜂窩煤上下堆積時，蜂窩煤的通風孔不易對齊，影響燃燒時空氣供給導致燃燒效果不佳。為解決上述問題，可將居民常用圓柱形蜂窩煤改成方形結構，通過四角定位，確定各蜂窩間通風孔的定位。這些固定的多孔結構加大了氣-固反應面積，促進燃料充分燃燒，且可以隨時調整用火面積，方形結構也便于使用和加工運輸。方型蜂窩煤作為一種成本較低的新型民用型煤，其燃燒排放相關研究較少，實際應用缺乏系統評估。王晨龍等[11]、張道明[12]研究了幾種方型蜂窩煤的排放特征，僅考慮煤質成分和不同操作階段對污染物排放特征的影響，對其燃燒機理和配套爐具內部結構的影響缺乏系統分析。此外，關于蜂窩煤的研究大多以基于稀釋通道法的實驗室測試為主，實驗室污染測試結果能反映排放規律，但無法真實反映民用爐具的性能與污染排放情況，其性能與實驗室結果偏差較大。燃料特性、爐具和運行工況等都會影響蜂窩煤燃燒污染物的排放特性，在不同燃燒場景下污染物排放濃度差異極大，因此有必要對其影響因素進行系統研究。

針對上述問題，筆者通過模擬居民實際使用工況，研究了內蒙古呼和浩特某地區研發和推廣的2種方型蜂窩煤的污染排放特征，分析了燃料特性、爐具結構及操作方式對污染物排放的影響，以散煤為基準對減排效果和經濟性進行系統評估。本研究有助于為我國暫不具備新型清潔能源取暖方式替代條件的北方地區清潔取暖新技術開辟路徑，為方型蜂窩煤及其配套專用爐具規?；M入市場提供理論支撐。

1 試 驗

1.1 測試燃料與爐具

試驗燃料選用內蒙古鑫泓慶能源科技發展有限公司研發的無煙煤方型蜂窩煤、煙煤方型蜂窩煤以及當地推廣的散煤，以新疆褐煤為主。3種燃料的工業分析和元素分析見表1。

表1 燃料的工業分析和元素分析

方型蜂窩煤專用爐具結構如圖1所示，采用橫向推進式進料，配有三次供風口，空氣從爐膛底部的通風口進入。散煤爐具采用居民常用的傳統直燃爐具和改進爐具，改進爐具相對于傳統直燃爐具配有二次供風。

圖1 方型蜂窩煤專用爐具結構

試驗設置4種爐具與燃料的組合：① 方型蜂窩煤專用爐具+無煙煤方型蜂窩煤(Spe.+AHB)；② 方型蜂窩煤專用爐具+煙煤方型蜂窩煤(Spe.+BHB)；③ 散煤傳統爐具+散煤(Tra.+XRC)；④ 散煤改進爐具+散煤(Imp.+XRC)。

1.2 樣品采集與檢測

本研究基于煙道直接采樣法的測試系統，采用分階段測試法，對點火、添煤、旺火和封火等不同燃燒典型階段來模擬用戶使用全過程。

煙氣樣品采集系統主要由顆粒物收集裝置和氣態污染物收集監測裝置2部分組成，如圖2所示。使用真空泵(嶗應3072型)以1.5 L/min恒定流量采集煙氣，通過旋風切割器將煙氣中PM2.5分離后收集到石英濾膜上。同時，使用德國MRU GmbH公司的多功能型煙氣分析儀(MRU NOVA PLUS)在線檢測煙氣中氣態污染物NOx、CO、CO2的實時質量濃度和煙溫，采樣流量為1.0 L/min。真空泵及顆粒物檢測儀采樣前后均使用美國A.P.Buck公司的M-30皂膜流量計標定。

圖2 采樣系統示意

用于采集顆粒物的濾膜提前在溫度450 ℃馬弗爐中焙燒6 h，恒溫恒濕24 h稱重，前后2次稱量誤差不超過0.000 05 g。每個燃燒測試完畢后及時更換新濾膜，采樣后濾膜遮光保存。

為研究3種燃料的固硫情況，測試其固硫率。在相應爐具中加入適量煤，燃燒前稱重煤。點火后約30 min達到大火階段，燃燒10 h左右封火，第2天稱量煤灰質量，并對煤灰進行元素分析，獲得固硫率。

1.3 試驗指標

燃料燃燒過程中排放的PM2.5質量濃度可依據采樣前后濾膜質量差值和煙氣流量計算得出；氣體污染物質量濃度由多功能型煙氣分析儀實時記錄。

煙氣中污染物排放因子采用碳平衡法[13]計算。原理是燃料燃燒過程中消耗的碳總量等于以氣態和顆粒物形式排出的碳總量。已有研究表明，95%以上的碳排放轉化為CO2和CO，其余顆粒物和CH4等有機排放物中的碳轉化在計算中可忽略。煙氣中目標污染物的排放因子為

(1)

式中，EF(X)為煙氣中目標污染物基于燃料質量的排放因子，g/kg；Cf為燃料中的碳質量，g；Ca為燃盡灰渣中的碳質量，g；K為不完全燃燒系數，是排放物CO中碳與排放物CO2中碳的質量比，無量綱；M為燃料質量，kg；fC-CO2為燃煤中碳轉換為CO2的轉化系數，為CO2與碳的摩爾質量比，無量綱；Cm(x)為煙氣中目標污染物質量濃度，mg/m3；Cm(CO2)為煙氣中CO2質量濃度，mg/m3。

固硫率R計算公式為

(2)

式中，SA為煤燃燒后灰渣的全硫質量分數，%；A為煤燃燒后灰渣質量，g；SC為煤燃燒前的全硫質量分數，%；C為煤燃燒前質量，g。

2 結果與討論

2.1 污染物排放特征

污染物實時排放濃度監測有助于了解燃料燃燒過程污染物排放變化趨勢。采用分階段測試方法，實時測試4種爐具與燃料組合方式的污染物質量濃度，如圖3所示。

圖3 不同爐具燃料組合污染物實時質量濃度

由圖3可知，3種燃煤在相應爐具燃燒產生的污染物排放濃度發生明顯變化。同種燃料在不同燃燒階段污染物排放趨勢不同，不同燃料在相同燃燒階段污染物排放特征大致相同。整個燃燒過程中，方型蜂窩煤專用爐具燃燒穩定，污染物排放濃度波動較小，而使用傳統爐具燃燒散煤的污染物排放濃度波動較大。

在點火階段，4種爐具燃料組合的CO質量濃度達到峰值，這是由于點火初期爐膛溫度較低，燃料處于不完全燃燒(加熱和部分熱解)階段，CO排放較高，隨著燃燒強度增加和時間推移CO排放量緩慢減少。在旺火階段，燃燒越來越充分，CO質量濃度降低，同時CO2質量濃度增加。旺火階段爐膛溫度越來越高，燃料在高溫、富氧條件下燃燒，NOx質量濃度急速上升達到峰值。

在封火階段，由于爐門關閉，爐膛內供氧不足，不充分燃燒使得CO質量濃度小幅回升，最后由于燃料燃盡，NOx和CO2質量濃度逐漸下降。該研究燃煤爐具排放特征與LI等[14]研究一致。

基于4種燃料爐具組合類型的污染物實時質量濃度，計算了其以燃料質量為基準的污染物排放因子，如圖4所示。

圖4 不同爐具燃料組合污染物排放因子

由圖4可知，無煙煤方型蜂窩煤和煙煤方型蜂窩煤基于單位燃料質量的PM2.5排放因子分別為0.09 和0.43 g/kg、CO排放因子為51.61和38.35 g/kg、NOx排放因子為0.72和0.63 g/kg。從整體看，2種方型蜂窩煤燃燒的3種污染物的排放因子均小于散煤，減排效果顯著。方型蜂窩煤相對于散煤的PM2.5排放因子降低了79.62%～96.58%；CO排放因子降低了84.35%～89.56%；NOx排放因子降低了46.27%～65.19%。與無煙煤方型蜂窩煤相比，煙煤方型蜂窩煤的PM2.5排放因子是其4.78倍，可見無煙煤方型蜂窩煤PM2.5排放顯著降低；而煙煤方型蜂窩煤的CO和NOx排放因子分別為無煙煤方型蜂窩煤的74.31%、87.50%，可見煙煤方型蜂窩煤的CO和NOx減排效果較好。對于散煤來說，在2種爐具中燃燒3種污染物排放因子相差不大，說明散煤搭配改進爐具的污染物減排效果不明顯。

對比分析了文獻中與本文性質相似的燃料在不同爐具中燃燒的污染排放結果，具體見表2。

表2 前人研究污染物排放因子結果

對比表2和圖4可知，上述文獻得到的蜂窩煤的3種污染物排放因子與本研究試驗結果略有差異。王晨龍等[11]、張道明[12]采用直接采樣法測試了內蒙古呼和浩特推廣的幾種方型蜂窩煤，其測試爐具與本研究選自同一地區的蜂窩煤反燒爐具，爐具結構差異不大，由于其選用的燃料含氮量略高于本研究，故NOx排放因子高于本研究。反燒爐可使整個燃燒過程中燃料揮發分充分燃燒，提高N元素向燃料型NOx的轉化，從而導致PM2.5排放減少，NOx釋放量增大，因此PM2.5排放因子低于其他研究，NOx排放因子高于其他研究。郝國朝等[15]、陳國偉等[16]、梁云平等[17]采用稀釋通道系統對蜂窩煤排放進行研究，發現不僅爐具結構造成PM2.5排放增高，測試方法也導致PM2.5排放因子與本研究的差異。GE等[18]測試的蜂窩煤的PM2.5排放因子與本研究相近，燃料是否充分燃燒是影響CO排放量的主要因素。CHEN等[19]采用的爐具為最傳統的未改進的煤爐，導致其PM2.5和CO排放遠高于本研究，其余文獻在實測過程中使用的爐具均為改進的較清潔的蜂窩煤專用爐具，即使燃燒方式不同，也可保證燃料在爐具內盡可能充分燃燒，故CO排放因子相差不大。本研究中，無煙煤方型蜂窩煤的PM2.5排放因子低于上述研究，上述研究所測試燃料的揮發分相差不大，可見將蜂窩煤由圓柱形改為方形以及本研究中方型蜂窩煤專用爐具的獨特結構可有效降低顆粒物排放，無煙煤方型蜂窩煤相比于煙煤方型蜂窩煤對方型蜂窩煤專用爐適應性更好，PM2.5減排潛力更高。

2.2 污染排放影響因素分析

方型蜂窩煤專用爐具采用長方形燃燒室結構、橫向推進燃燒方式，三次進風供氧設計，使燃料的干燥預熱、揮發分析出、固定碳燃燒、燃盡成渣等燃燒過程更充分、可控、穩定。方型蜂窩煤采用上點火燃燒方式，可使干燥預熱、熱裂解產出的揮發分和可燃氣體，在二次、三次配風的作用下完全燃燒。

上點火方式使方型蜂窩煤燃燒時從上到下逆向燃燒，而后轉為由下往上順向燃燒。當蜂窩煤的上方成功引燃后，經二次風、三次風助燃，很快產生了一個燃燒劇烈的空氣高溫層。高溫層因熱傳導逐漸由上向下移動，對蜂窩煤本體溫度提升有積極影響。高溫層向下傳熱點燃了下一層蜂窩煤，產生了大量揮發分和可燃性氣體。同時，由于一次風從爐底經過蜂窩煤孔道發生多種化學反應，當煤體燃燒到一定程度，高溫層會在蜂窩煤間橫向傳遞，增加了燃燒反應的停留時間，這是燃燒更充分的主要原因。故在高溫層向下移動傳熱的作用下，發生了蜂窩煤橫向和縱向的混合燃燒，先析出大量揮發分，后發生以燃燒固定碳為主、部分可燃性氣體為輔的反應。高溫層移動到底層時，在一次風的作用下，燃燒更充分。高溫層由于熱對流又逆向從下往上蔓延燃燒，這時固定碳幾乎燃盡，直至頂部固定碳燃盡為止，整個燃燒過程停止。

方型蜂窩煤燃燒各類污染物減排效果影響因素分析：揮發分含量、析出速度和燃燒方式是影響PM2.5污染物排放的關鍵因素[20]。大多數顆粒物質及其碳成分可能來源于煤中揮發性化合物的不完全燃燒。揮發分析出控制PM2.5排放，2種方型蜂窩煤的揮發分均低于散煤，無煙煤方型蜂窩煤的揮發分低于煙煤方型蜂窩煤。煤中揮發分含量降低和加入黏結劑會導致煤粒之間的黏結指數增加，減少燃燒過程中顆粒物排放[21]。同時方型蜂窩煤專用爐具的橫向平推式進料方式使方型蜂窩煤在爐膛中排成2層，且堆積的蜂窩煤間具有通暢的通風孔，可以達到上下煤層同步燃燒，不僅加大了氣-固反應面積，還延長了揮發分的停留時間，促進了燃料充分燃燒。因此，相比散煤搭配散煤爐具、方型蜂窩煤搭配專用爐具的PM2.5排放因子更低。散煤改進爐具相對于傳統爐通風效果更好，揮發分燃燒更充分，故散煤改進爐具后相對于傳統爐具的PM2.5排放因子低。同時，一部分燃料即將耗盡時，用戶可將爐箅向前推進，蜂窩煤側向燃燒以引燃下一組，使得燃盡的爐渣與燃料橫向分離，減少了燃燒過程中對爐內環境的干擾，利用蜂窩自然引風助燃，降低了煙囪高度，有效避免了加煤時因燃燒狀態改變而造成嚴重的顆粒物污染。

產生CO主要是由于燃燒不充分[22]。方型蜂窩煤的多孔性燃燒結構有效增加了氣-固反應面積，使燃料燃燒更充分，特別是生物質黏合劑的使用可有效提高燃盡率。同時爐具供風對CO影響很大[23]。散煤在改進爐具中的CO排放因子略低于傳統爐具，原因在于改進爐具的通風結構相對于傳統爐具略有改善，提高了爐具的燃燒效率。而方型蜂窩煤在專用爐具中燃燒的CO排放因子明顯低于散煤在2種散煤爐具中燃燒，這是由于方型蜂窩煤專用爐具上部、下部、內部三次配風，配有三次進風口及橢圓形爐口設計，比散煤爐具供風效果更佳，充分提高了方型蜂窩煤在爐膛內的燃燒效果，因此CO排放很低。4種燃料爐具組合類型的校正燃燒效率如圖5(a)所示。由圖5(a)可知，方型蜂窩煤專用爐具的燃燒效率高于散煤爐具，可達97%以上，燃燒更完全，散煤改進爐具相對于傳統爐具的燃燒效率略高，這與上述結論一致。

圖5 燃料燃燒時的煙氣校正燃燒效率和煙氣溫度

NOx生成主要由于燃料N的轉化，不僅與燃料中N含量相關，還與燃燒溫度相關[24]。在高溫富氧條件下，燃料N極易轉化為NOx，且轉化率很高[25]。從煤質分析可知，3種燃料N含量相近，對NOx生成影響不大。由于方型蜂窩煤專用爐具的水套式結構是在燃燒區域內進行熱交換，低溫條件能有效抑制NOx產生。同時爐膛溫度在焦炭燃燒階段急劇上升，耗氧量隨之增大，而方型蜂窩煤專用爐具的橫向進料方式和方型蜂窩煤本身較大的比表面積都可使燃燒更均勻，火焰傳遞速度更穩定，NOx排放大大減少，故方型蜂窩煤在專用爐具中燃燒NOx的排放因子低于散煤在散煤爐具燃燒。3種燃料燃燒時的煙氣溫度如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，在方型蜂窩煤的整個燃燒階段，較低的燃燒溫度限制了NOx揮發，很難與氧氣發生氧化反應，大大降低了燃燒煙氣中NOx排放。

無煙煤方型蜂窩煤、煙煤方型蜂窩煤和散煤的固硫率分別為61.55%、70.76%和20.93%。方型蜂窩煤相比散煤的固硫效果較好，這是由于蜂窩煤燃燒穩定、爐膛溫度較低，固硫劑與SO2反應形成硫酸鹽后，未出現逆反應分解重新釋放SO2。硫釋放與空氣量存在一定關系，空氣量一定時，固硫劑能氧化燃燒生成SO2釋出，當空氣量加大時，對硫的釋放影響不明顯。方型蜂窩煤在封火狀態下，由于缺氧、溫度相對較低，很少有SO2排出。

2.3 經濟性分析

內蒙古呼和浩特是方型蜂窩煤的示范推廣區，地方政府支持使用清潔能源及改進的供暖爐，以實現清潔供暖。按供暖面積100 m2計算，方型蜂窩煤專用爐具和散煤傳統爐具的市場價格分別為1 000～2 000元和100～500元，2種爐具均包含烤火爐和水暖爐。經調研本研究用于測試無煙煤方型蜂窩煤和煙煤方型蜂窩煤的市場價格為600～750元/t，考慮到方型蜂窩煤原料來源廣泛，添加劑不同，調研后價格取為500～900元/t；本研究的散煤是新疆褐煤，考慮到其他種類散煤以及市場價格波動，選取散煤價格為500～800元/t。

計算參數選擇如下：① 我國農村住宅建筑取暖熱負荷100 W/m2，取暖面積按100 m2計，每日取暖時間取10 h，每年平均采暖時間為4個月，取120 d；② 根據先前測試結果取蜂窩煤專用爐具的綜合熱效率為85%，普通燃煤爐具綜合熱效率為65%。

計算得到假定條件下每個取暖季總用能負荷約12 000 kWh。2種燃煤取暖方式經濟性分析見表3。

表3 2種燃煤取暖方式經濟性比較

方型蜂窩煤生產原料來源廣泛，可充分利用各地礦場的末煤、煤泥配煤以及成本低、特性不同的煤炭，科學配比固硫劑、生物質黏結劑等，大大降低了型煤生產成本。由表3可知，在居民整個采暖季，方型蜂窩煤與散煤取暖的運行費用接近，采用方型蜂窩煤配合專用爐具的取暖方式減輕了用戶的支出成本和政府財政補貼壓力。

3 結 論

1)相對于散煤來說，方型蜂窩煤與配套專用爐具組合可有效降低污染物排放，PM2.5排放可減少90%以上，CO排放降低將近90%，NOx排放減少50%以上。

2)與無煙煤方型蜂窩煤相比，煙煤方型蜂窩煤的PM2.5排放因子是其4.78倍，而煙煤方型蜂窩煤的CO和NOx排放因子分別為無煙煤方型蜂窩煤的74.31%、87.50%。可見無煙煤方型蜂窩煤的減排優勢主要體現在PM2.5方面，煙煤方型蜂窩煤的減排優勢主要體現在CO和NOx方面。

3)無煙煤方型蜂窩煤和煙煤方型蜂窩煤的固硫率分別為散煤的2.94倍和3.38倍。方型蜂窩煤的固硫效果相比散煤更好，可降低SO2排放。

4)采用“上點火、橫向進料，橫縱混燒”的方式能使方型蜂窩煤在整個燃燒過程中均勻、穩定燃燒，大幅減少了污染物排放。

5)燃料適配爐具是一種清潔的取暖方式，將潔凈煤炭和配套清潔爐具作為實現我國北方地區清潔供暖工作的關鍵補充形式。對于無法實現“雙替代”的地區，如一些人口密度低、居住分散的農村和山區，采用低成本的“方型蜂窩煤配合專用爐具”的清潔取暖技術路徑不僅可以減輕政府對用戶的財政補貼壓力和用戶運行成本壓力，又能滿足當下我國北方地區農村清潔取暖的環保需求，可有效解決由于低效燃燒造成的農村環境污染問題。