民用煤燃燒排放物的理化研究

武通浩

(山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)呂梁孝龍煤炭綜合物流園(有限公司)，山西 孝義 032300)

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 樣品采集地

本研究共采樣9 種煤炭，煙煤來自山西省的大同、長治和陽泉，河南省的平頂山，內(nèi)蒙古的鄂爾多斯，燃煤工具選用典型的家用爐型。共有 5組煙煤(塊煤)、2 組無煙煤(塊煤)、2 組蜂窩煤和 1組煤球，本研究主要討論不同煤種燃燒排放的細(xì)顆粒物的理化特征，原煤組分分析結(jié)果見表1。

表1 原煤的煤質(zhì)信息

1.2 儀器與設(shè)備

在模擬平臺就行研究所需實(shí)驗(yàn)[1-2]，具體實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)見圖1；對民用煤燃燒后的顆粒排放物進(jìn)行系統(tǒng)收集，并對其理化特性進(jìn)行全面科學(xué)分析。

圖1 采樣實(shí)驗(yàn)儀器

1.3 其他采樣監(jiān)測儀器

在本研究實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)用不同的檢測設(shè)備對相應(yīng)的燃煤排放物進(jìn)行科學(xué)檢測，其中測試范圍包括包括PM2.5質(zhì)量濃度、稀釋煙氣CO2濃度、煙道流速及流量等[3-4]，具體信息列于表2中。

表2 其他采樣設(shè)備監(jiān)測儀器

本研究在實(shí)驗(yàn)室模擬民用煤燃燒的過程中，使用蜂窩煤作為待測煤樣的點(diǎn)火材料，在室外點(diǎn)燃蜂窩煤，直至其不再產(chǎn)生可見煙霧。然后，在本實(shí)驗(yàn)中，將蜂窩煤放入用于燃燒民用煤的爐子中，加熱爐膛，并將爐子放入大的燃燒室中。同時(shí)，利用粉塵追蹤儀對細(xì)顆粒背景濃度進(jìn)行了約20分鐘的測量，結(jié)果表明細(xì)顆粒濃度小于5 μg/m3，因此本研究中蜂窩煤作為點(diǎn)火材料對民用煤樣燃燒的影響可以忽略不計(jì)。首先根據(jù)數(shù)據(jù)配置后，把測量好的煤倒進(jìn)燃燒爐內(nèi)；其次把在線污染氣體檢測設(shè)備打開，通過明燒和悶燒的過程，捕捉煤充分燃燒的火焰情況和產(chǎn)生的顆粒物濃度，數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)；最后按比例對民用煤燃燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行稀釋采樣，獲得準(zhǔn)確的采樣數(shù)據(jù)。

2 過濾樣品分析

2.1 熱光反射碳分析

采用熱光反射碳分析儀，對民用燃煤排放的細(xì)顆粒物中含碳成分的含量進(jìn)行定量測量[5]，每天進(jìn)行樣品測試前，儀器都應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。采用改良分析協(xié)議中規(guī)定的熱光反射法，EC和OC的分析采用從濾膜截取的面積為0.279 cm2的圓形濾膜。在純氦條件下進(jìn)行過程分析，樣品在130 ℃ (OC1)、260 ℃ (OC2)、460 ℃ (OC3)和560 ℃(OC4)下加熱5次，然后在3%O2存在下從560 ℃ (EC1)、700 ℃ (EC2)和800 ℃加熱，在不同溫度下產(chǎn)生的氣體在二氧化錳催化下生成CO2，最后在還原條件下轉(zhuǎn)化為CH4。用火焰離子檢測器測定碳含量。在純氦環(huán)境下，一些有機(jī)碳在加熱過程中被熱解成炭黑，并用氦-氖激光光度計(jì)檢測其含量。將樣品排列分組，從每組中隨機(jī)選擇一個(gè)樣品進(jìn)行二次檢測。如果第二次測得的總有機(jī)碳和總有機(jī)碳之和與第一次測得的總有機(jī)碳和總有機(jī)碳之和的相對偏差小于4%，總有機(jī)碳和總有機(jī)碳的相對偏差小于9%，則表明分析結(jié)果是有效的，本次實(shí)驗(yàn)測試的樣品是合格的。

2.2 離子色譜分析原理及質(zhì)量控制

表3 最低檢出限值

3 所選樣品燃燒排放特征分析

本研究采用了9種民用煤進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，對此排放物進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測。首先對所收集排放物中的碳組分的特質(zhì)進(jìn)行分析；其次，選取五種煙煤進(jìn)行分階段燃燒，對其中的OC/EC數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析相應(yīng)的[6]。碳組分特質(zhì)。

3.1 樣品中 TC、OC、EC 的排放特征

對九種不同民用煤原料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，隨后對各自相應(yīng)的排放物中細(xì)顆粒進(jìn)行分析，主要進(jìn)行碳組分分析，能夠得到一系列有價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)，列于表4中。

表4 九種不同民用煤碳組分析結(jié)果

3.2 7種碳組分的排放特征

對九種本研究所選用的民用煤所有樣品燃燒排放物進(jìn)行科學(xué)量化特征分析，結(jié)果數(shù)據(jù)列于表5中。7#、8#以及9#樣品中并未檢測到OC1，故而數(shù)值標(biāo)記為零，表明其數(shù)值低于儀器可檢測到的下線數(shù)值。

表5 全部樣品中碳組比例

對四種不同的民用煤(煙煤、無煙煤、蜂窩煤及煤球)進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，并對各自排放物進(jìn)行分析，所得結(jié)果數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 四種種碳組分所占平均比例

由表6數(shù)據(jù)可知，對比四種不同類型民用煤，煙煤經(jīng)燃燒后所排放的PM2.5中檢測到最多的含碳量，而且能夠發(fā)現(xiàn)煙煤燃燒的排放物中對大氣PM2.5中 EC、OC的貢獻(xiàn)較大。而其他三種煤中EC占PM2.5的百分比均低于大氣顆粒物中EC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

4 水溶性無機(jī)離子排放特征

本研究計(jì)算了9種民用煤排放的PM2.5中水溶性無機(jī)離子的平均百分比，收集研究了四種不同煤型(煙煤、無煙煤、蜂窩煤和型煤)燃燒后的產(chǎn)物，分析產(chǎn)物中九種不同類型能夠溶于水的無機(jī)離子(包括陽離子和陰離子)的特性。圖2為四種煙煤燃燒產(chǎn)物PM2.5中九種離子的具體分布情況[7]。

圖2 不同燃煤源全樣樣品中 9 種水溶性離子的平均比例

分析圖2結(jié)果可得到如下結(jié)論：

(4)統(tǒng)計(jì)四種不同煤型燃燒后排放煙中PM2.5中硝酸根離子/硫酸根離子，其比值均低于1；而四種煤型燃燒排放的氮氧化物也不盡相同，煤球含量最高，蜂窩煤含量次之，煙煤中含量為第三，無煙煤含量最低。

5 無機(jī)元素的排放特征

對九種民用煤燃燒排放后產(chǎn)生的細(xì)顆粒物中無機(jī)元素進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)和分析，主要發(fā)現(xiàn)存在19類無機(jī)元素，而其中13種重金屬元素含量整體較少，本節(jié)將分兩個(gè)方面進(jìn)行討論：無機(jī)元素、重金屬元素，具體量化統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別列于圖3和表7中。

5.1 無機(jī)元素占 PM2.5的百分比

(1)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出PM2.5中無機(jī)元素的占比在不同煤型中并不相同，煤球中無機(jī)元素百分比高于煙煤和無煙煤，但少于蜂窩煤。柱狀圖中可以看出7#民用煤然后后排放的無機(jī)元素占 PM2.5的比例最高(1.8%)，1#民用煤比例最低(0.25%)。

圖3 無機(jī)元素占PM2.5的百分比

(2)根據(jù)13種重金屬元素鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鎵、砷、銣、銀、銫、鋇和鉍在民用燃煤重金屬排放總量中的百分比，9種煤樣中鐵、砷和鋇的含量相對較高，鐵、砷和鋇的總量占重金屬總量的在59.89%～81%，同時(shí)銀、銫、鉍和鈷的含量較低，銀、銫、鉍和鈷的總量占0.51%～2.30%其他六種重金屬元素占總重金屬含量的15.98%～41.89%。

5.2 無機(jī)元素的相對含量

因?yàn)镻M2.5中無機(jī)元素的百分比較低，因而本研究討論重金屬元素之間、其他無機(jī)元素之間的相對含量。

表7 重金屬元素的相對含量

6 結(jié) 論

本研究利用實(shí)驗(yàn)室模擬采樣測試系統(tǒng)和民用煤燃燒模式的實(shí)驗(yàn)室模擬，采集了4種民用煤(9種煤樣)，并采用分階段的方法對對四種不同煤型進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，以收集各自對應(yīng)的燒排放中的細(xì)顆粒物。采用科學(xué)方法量化統(tǒng)計(jì)不同燃煤源燃燒后產(chǎn)生的排放物的中微量元素、水溶性無機(jī)離子、有機(jī)碳和元素碳等數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)得到不同煤型的燃燒產(chǎn)物污染特征。得到的結(jié)論如下：

(1)四種煤型中煙煤燃燒后收集的排放物中PM2.5中總碳比例最高，占比范圍為46.75%～70.13%，而無煙煤該項(xiàng)數(shù)據(jù)范圍為11.01%～18.12%之間，蜂窩煤此項(xiàng)數(shù)據(jù)范圍則為10.11%～21.98%之間，煤球的數(shù)據(jù)是17.92%；

(2)對九種民用煤燃燒后的PM2.5中19種無機(jī)元素含量占比含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，的百分比為煤球>煙煤、煤球>無煙煤，煤球低于蜂窩煤。通過對比19種無機(jī)元素分別占不同燃煤源的百分比，占比在不同煤型中并不相同，煤球中無機(jī)元素百分比高于煙煤和無煙煤，但少于蜂窩煤。柱狀圖中可以看出7#民用煤然后后排放的無機(jī)元素占PM2.5的比例最高(1.8%)，1#民用煤比例最低(0.25%)。鑒于此，需要多角度、多層次綜合評價(jià)加工過的煤炭的質(zhì)量，不能單指標(biāo)一維地得出結(jié)論。