燃煤型密集烤房污染物排放及脫硫除塵研究

陳振國(guó)，孫光偉，陳祥，譚本奎，楊楊，喬瑜，王博，黃經(jīng)春

1 湖北省煙草科學(xué)研究院，武漢市硚口區(qū)寶豐路6號(hào) 430030；

2 中國(guó)煙葉公司，北京市西城區(qū)廣安門外大街9號(hào) 100055；

3 湖北省煙草公司宜昌市公司，湖北省宜昌市沿江大道42號(hào) 443000；

4 湖北省煙草公司恩施州公司，湖北恩施市施州大道119號(hào) 445000；

5 華中科技大學(xué)，武漢市洪山區(qū)珞喻路1037號(hào) 430074

燃煤型密集烤房是我國(guó)烤煙生產(chǎn)的主要調(diào)制設(shè)備，煤燃燒后通過(guò)散熱設(shè)備加熱烤房?jī)?nèi)空氣，使煙葉脫水干燥，此過(guò)程需要消耗大量的熱量，每烤1 kg干煙約需要1.5 kg煤炭[1-2]，我國(guó)是世界烤煙生產(chǎn)第一大國(guó)，烤煙年產(chǎn)量維持在1.5×106t左右，每年烤煙需消耗煤炭約2.25×106t，由于缺少相應(yīng)的減排設(shè)備及措施，烤房燃煤產(chǎn)生的SO2、煙塵等污染物直接排放到大氣中，環(huán)境危害較重。隨著綠色發(fā)展理念的貫徹，實(shí)現(xiàn)烘烤環(huán)節(jié)低碳環(huán)保是亟待解決的問(wèn)題[3]，各地均加大了生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、熱泵等清潔能源烤房的研發(fā)，太陽(yáng)能由于單位面積能量密度低及晝夜交替現(xiàn)象難以作為單一熱源滿足烘烤需求，多作為輔助能源用于煙葉烘烤[4-5]；以醇基燃料[6-7]、生物質(zhì)顆粒[8-9]為代表的生物質(zhì)能烤房，使用成本較低、控溫性能較好得到迅速推廣，但受醇基燃料運(yùn)輸、存儲(chǔ)的安全性，生物質(zhì)顆粒原料來(lái)源等問(wèn)題制約，短期內(nèi)還不能完成對(duì)燃煤烤房的大面積替代；熱泵烤房由于其顯著的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢(shì)具有廣泛的應(yīng)用前景[10-13]，但目前其較高的造價(jià)及維護(hù)成本、電路改造等問(wèn)題限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此燃煤密集烤房一段時(shí)間內(nèi)仍將是我國(guó)主要的烤煙設(shè)備，降低燃煤密集烤房污染物排放和煤耗是目前急需解決的問(wèn)題。煙氣濕法脫硫除塵技術(shù)[14-15]在大型鍋爐供熱及火力發(fā)電等領(lǐng)域已十分成熟，但在密集烤房上的使用鮮有報(bào)道[16]。本文分析了燃煤密集烤房烘烤各階段污染物排放和熱損失規(guī)律，探討了脫硫除塵設(shè)備及自動(dòng)加煤對(duì)烘烤減排及能耗的影響，以期為燃煤密集烤房節(jié)能減排提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

污染物排放監(jiān)測(cè)及脫硫除塵試驗(yàn)于2017年在福建建寧（A）、貴州平壩（B）、河南禹州（C）、云南瀘西（D）、湖北利川（E）等五地開(kāi)展，選取當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)燃煤密集烤房10座，其中5座安裝脫硫除塵設(shè)備，剩余5座為對(duì)照烤房進(jìn)行污染物排放監(jiān)測(cè)，各烤房依據(jù)當(dāng)?shù)丶用毫?xí)慣人工加煤，每3 h左右加煤1次，每次加煤10 kg左右；自動(dòng)加煤試驗(yàn)于2018年在湖北利川試點(diǎn)開(kāi)展，設(shè)置三個(gè)處理：人工加煤、加煤機(jī)加煤、加煤機(jī)與脫硫除塵設(shè)備連用，各處理分別選取5座烤房進(jìn)行監(jiān)測(cè)，自動(dòng)加煤與人工加煤用煤相同，需砸碎控制煤塊直徑在5 cm左右，自動(dòng)加煤機(jī)購(gòu)自安徽中科自動(dòng)化股份有限公司，型號(hào)為ZKE5LBZ，試驗(yàn)配置及控制原理：自動(dòng)加煤裝置的漏斗內(nèi)裝煤量確定為60 kg，每當(dāng)自控儀在控制鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)，螺旋推進(jìn)器往燃燒室內(nèi)進(jìn)煤加煤1次，加煤時(shí)間設(shè)為3 min，每分鐘加煤量約1 kg。

各試點(diǎn)烤房均采用三段五步式烘烤工藝。各試驗(yàn)點(diǎn)用煤均為當(dāng)?shù)孛禾?，參考GB/T 213煤的發(fā)熱量測(cè)定方法[17]對(duì)各試驗(yàn)點(diǎn)煤樣進(jìn)行基礎(chǔ)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各試驗(yàn)點(diǎn)煤樣基礎(chǔ)分析Tab. 1 Basic analysis of coal samples at each test site

脫硫除塵處理：各試點(diǎn)常規(guī)燃煤密集烤房為對(duì)照，處理烤房加裝脫硫除塵設(shè)備，五連體烤房共用一套空壓機(jī)、蠕動(dòng)泵、漿液池，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其原理是石灰石-石膏濕法脫硫[18]，在密集型烤房的煙囪出口處加裝一個(gè)霧化噴嘴，利用煙道作為反應(yīng)器，通過(guò)向煙囪管道中噴Ca(OH)2漿液（濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%）來(lái)實(shí)現(xiàn)脫硫除塵，煙氣中的SO2與霧狀Ca(OH)2液滴發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而被吸收掉，煙塵則通過(guò)與霧狀水滴的慣性碰撞、攔截捕獲、核凝等機(jī)理除去[19-20]。

圖1 烤房脫硫除塵設(shè)備原理Fig.1 Principle of desulfurization and dust removal equipment

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

煙氣成分（CO、SO2）和流場(chǎng)參數(shù)（煙氣流速、煙氣溫度）測(cè)試采用手持式煙氣分析儀（OPTIMA 7，德國(guó)MRU煙氣分析儀）進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，煙氣成分和流場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量按照HJ/T 75—2001《火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煙氣進(jìn)行直接抽取式連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)位置位于換熱器或尾部煙道出口處，煙氣分析儀10 s記錄1次煙氣成分，測(cè)量時(shí)間2 min，煙氣成分和流場(chǎng)參數(shù)取2 min內(nèi)的平均值。煙塵濃度采用武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TH-880F微電腦煙塵平行采樣儀進(jìn)行采樣，采樣位置位于尾部煙道出口處，每組采樣時(shí)間為10 min，抽氣流量為30～60 L/min，煙塵濃度為該段時(shí)間內(nèi)的平均濃度。測(cè)定時(shí)間為工藝各轉(zhuǎn)火點(diǎn)穩(wěn)溫末期，取連續(xù)測(cè)量三次的平均值為該階段的排放量。

污染物排放濃度計(jì)算以《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[21]為參考，實(shí)測(cè)的污染物排放濃度按照以下公式折算為基準(zhǔn)氧含量排放濃度，基準(zhǔn)含氧量為9%。

其中：

C——污染物基準(zhǔn)氧含量排放濃度，mg/m3；

C`——實(shí)測(cè)的污染物排放濃度，mg/m3；

O2——基準(zhǔn)氧含量，%；

O2`——實(shí)測(cè)的氧含量，%。

烤房熱效率通過(guò)反平衡法計(jì)算得出（由于本研究主要關(guān)注爐膛及煙道部分的熱損失，排濕損失和烤房散熱損失未進(jìn)行測(cè)試，因此該熱效率為估算值），其計(jì)算公式如下[7]。計(jì)算中烤房排濕損失q排取30%，烤房散熱損失q散取12.5%，其他損失（如房體、煙葉升溫以及爐門向外輻射散發(fā)的熱量）q7??取5%[22-23]，以上均為參考值。

q2—排煙熱損失百分比，%；

q3—化學(xué)不完全燃燒熱損失百分比，%；

q4—機(jī)械不完全燃燒熱損失百分比，%；

q5—爐門漏風(fēng)散熱損失百分比，%；

q散—烤房散熱損失百分比（取12.5%），%；

q排—烤房排濕損失百分比（取30%），%；

q6—灰渣物理熱損失百分比，%；

q7??—其他損失（取5%），%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2016分析、處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 各試驗(yàn)點(diǎn)燃煤烤房排放現(xiàn)狀

圖2為各試驗(yàn)點(diǎn)烤房隨烘烤工藝進(jìn)程煙囪SO2、煙塵和CO排放濃度情況。福建建寧試驗(yàn)點(diǎn)、云南瀘西試驗(yàn)點(diǎn)、湖北利川三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)用煤屬于低硫煤，煤中硫含量分別為0.32%、0.25%、0.35%，SO2平均排放濃度分別為114.00 mg/m3、188.40 mg/m3、135.20 mg/m3。貴州平壩、河南禹州試驗(yàn)點(diǎn)煤中硫含量較高，分別為3.49%、2.84%，貴州平壩試驗(yàn)點(diǎn)SO2平均排放濃度為2404.40 mg/m3，而河南禹州試驗(yàn)點(diǎn)SO2平均排放濃度為252.80 mg/m3，貴州平壩單次加煤約為15 kg是河南禹州的3倍，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)煤層堆積較厚，相同時(shí)間內(nèi)釋放的SO2濃度較大，可見(jiàn)除燃煤含硫量外，加煤習(xí)慣對(duì)SO2排放濃度有較大影響。不同烘烤階段SO2排放濃度不同，除貴州平壩試驗(yàn)點(diǎn)外，各地隨烤房溫度的升高，SO2排放濃度升高。

圖2 各試驗(yàn)點(diǎn)烘烤各階段污染物平均排放濃度Fig.2 The average emission concentration of pollutants at each stage of curing at each test site

各試點(diǎn)每烤次煙塵排放濃度平均為65.52 mg/m3，湖北利川試點(diǎn)排放濃度較高，平均為139.80 mg/m3，與該試點(diǎn)用煤揮發(fā)分含量較高有關(guān)。不同烘烤階段煙塵濃度也存在一定差異，在中火期和大火期煙塵濃度明顯大于小火期，這主要是由于中火期、大火期助燃風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，加速煤塊燃燒，需提高加煤頻次或單次加煤量以保證烤房?jī)?nèi)熱量供應(yīng)，導(dǎo)致煙塵釋放濃度提高。CO污染物的產(chǎn)生主要是燃燒不充分導(dǎo)致的，整個(gè)烘烤過(guò)程排放濃度平均為3243.12 mg/m3，烤房溫度處于38℃～42℃小火期時(shí)CO排放濃度為整個(gè)周期最高值，當(dāng)烤房溫度達(dá)到48℃煙葉進(jìn)入大火期后，助燃風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，CO充分燃燒轉(zhuǎn)化為CO2。

2.2 各試點(diǎn)脫硫除塵設(shè)備運(yùn)行效果分析

表2為各試點(diǎn)烤房脫硫除塵設(shè)備運(yùn)行效果，從表中可以看出與對(duì)照烤房相比，安裝脫硫除塵設(shè)備烤房SO2、煙塵排放濃度大幅度降低，脫硫效率為72%～92%，除塵效率為75%～92%。福建建寧、河南禹州、云南瀘西、湖北利川等試點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行變黃期、定色期、干筋期各階段石灰水噴施流量分別設(shè)置為50、100、150 mL/min，貴州平壩試點(diǎn)由于煤中硫含量較高，SO2排放濃度較大，石灰水噴施量各階段為其他試驗(yàn)點(diǎn)的兩倍。

表2 脫硫除塵設(shè)備運(yùn)行效果分析Tab. 2 Operation effect analysis of desulfurization and dust removal equipment

2.3 自動(dòng)加煤機(jī)對(duì)烤房污染物排放及熱效率的影響

圖3為湖北利川試點(diǎn)人工加煤和自動(dòng)加煤機(jī)單次加煤后1 h內(nèi)污染物濃度變化情況，從圖中可以看出人工加煤污染物濃度成單峰分布，且峰值較大，加煤后20 min內(nèi)污染物排放達(dá)到最高值，SO2濃度為280 mg/m3，煙塵濃度為160 mg/m3，CO濃度為3300 mg/m3；加煤機(jī)自動(dòng)進(jìn)煤方式污染物排放較為穩(wěn)定，SO2、煙塵、CO排放濃度分別在90～110 mg/m3、40～60 mg/m3、500～1000 mg/m3范圍內(nèi)波動(dòng)，與人工加煤相比，SO2、煙塵、CO平均排放濃度分別降低了43.05%、41.90%、63.38%，采用加煤機(jī)自動(dòng)進(jìn)煤方式可有效降低污染物排放波動(dòng)，同時(shí)煤燃燒更加充分。

圖3 湖北利川試點(diǎn)人工加煤和自動(dòng)加煤機(jī)單次加煤后污染物濃度變化趨勢(shì)Fig.3 Change trend of pollutant concentration after single feeding of manual and automatic stoker at Lichuan test site of Hubei

表3為湖北利川試驗(yàn)點(diǎn)加煤機(jī)與人工加煤各項(xiàng)熱損失和熱效率對(duì)比，從表中可以看出，采用自動(dòng)加煤機(jī)加煤變黃期、干筋期q2排煙熱損失明顯降低，同時(shí)煤的燃盡率提高，降低了各階段q3、q4不完全燃燒熱損失；自動(dòng)加煤機(jī)與人工加煤相比整個(gè)烘烤過(guò)程平均熱效率提高了24.92%。

表3 湖北利川試驗(yàn)點(diǎn)不同加煤方式烤房熱損失對(duì)比Tab. 3 Comparison of heat loss at curing barn under coal feeing modes at Lichuan test site of Hubei

2.4 燃煤烤房不同減排措施污染物排放對(duì)比

圖4為湖北利川試點(diǎn)不同減排措施烤房整個(gè)烘烤過(guò)程中污染物排放濃度變化的箱線對(duì)比圖，可以看出與人工加煤相比，加煤機(jī)自動(dòng)進(jìn)煤SO2排放濃度控制在132 mg/m3以內(nèi)，平均降低36.09%，加煤機(jī)和脫硫除塵設(shè)備共同使用可使SO2排放濃度控制在30 mg/m3以內(nèi)，平均降低84.08%；加煤機(jī)自動(dòng)進(jìn)煤煙塵排放控制在87 mg/m3以內(nèi)，平均降低63.90%，加煤機(jī)和脫硫除塵設(shè)備共同使用可使煙塵排放濃度控制在15 mg/m3以內(nèi)，平均降低94.37%。

圖4 利川試點(diǎn)不同減排措施烤房污染物排放濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of pollutant emission under different emission reduction measures at Lichuan test site of Hubei

2.5 燃煤烤房不同減排措施成本分析

表4為不同減排措施烤房成本分析，投入設(shè)備以使用年限5年，每年每烤房烘烤5次煙葉計(jì)算，可以看出脫硫除塵設(shè)備每烤次增加成本81.55元；安裝自動(dòng)加煤機(jī)后，與普通燃煤烤房相比，每烤次設(shè)備成本增加120元，煤耗成本降低16.75%，用工成本降低83.33%，總成本降低28.85%；加煤機(jī)和脫硫除塵設(shè)備聯(lián)合使用成本為1000.75元，與普通燃煤烤房相比降低22.54%。

表4 不同減排措施烘烤成本分析Tab. 4 Analysis of curing cost under different emission reduction measures

3 討論

煤炭是我國(guó)的第一大能源，也是我國(guó)煙葉烘干的主要燃料，未來(lái)幾年仍將占主體地位。通過(guò)分析福建建寧、貴州平壩、河南禹州、云南瀘西、湖北利川等五地密集烤房污染物排放情況，結(jié)果顯示燃煤密集烤房SO2平均排放濃度為658.96 mg/m3、煙塵平均排放濃度為65.52 mg/m3、CO平均排放濃度為3243.12 mg/m3，不同試點(diǎn)污染物排放存在較大差異，煤中硫、揮發(fā)分含量高是導(dǎo)致SO2、煙塵濃度增大的根本原因，同時(shí)污染排放受用戶加煤習(xí)慣的影響較大，單次加煤量過(guò)大，煤層較厚許多揮發(fā)的有機(jī)物不能充分燃燒會(huì)增大煙塵和CO含量，導(dǎo)致污染物排放濃度波動(dòng)幅度較大。安裝自動(dòng)加煤機(jī)可控制進(jìn)料速度[24]，避免了煤層過(guò)厚，可有效降低污染物的排放濃度，同時(shí)通過(guò)自控儀控制加煤與烤房溫度需求的適配度，提高了煤的燃燒率，烤房熱效率提高；污染物排放波動(dòng)性較低，有利于提高脫硫除塵設(shè)備運(yùn)行效率。

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫是目前最有效的脫硫技術(shù)[25]，具有吸收劑來(lái)源廣、成本低、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)，燃煤煙氣在噴淋漿液的洗滌作用下不僅能高效脫除SO2而且可以協(xié)同去除細(xì)顆粒物[26]。本試驗(yàn)使用高品位石灰石溶于水制成10% Ca(OH)2漿液，根據(jù)烘烤工藝變黃期、定色期、干筋期劃分各階段漿液噴施流量為50、100、150 mL/min，下一步研究利用低品位石灰石的濕法煙氣脫硫系統(tǒng)建模[27]，同時(shí)強(qiáng)化學(xué)習(xí)煙氣脫硫除塵預(yù)測(cè)調(diào)度[28]，進(jìn)一步提高脫硫除塵效率，降低使用成本。

“十四五”發(fā)展規(guī)劃對(duì)非重點(diǎn)行業(yè)爐窯減排提出了新目標(biāo)，建立了淘汰小型燃煤爐窯、清潔能源替代、提高末端治理設(shè)施去除率等減排方案[29]，煙草行業(yè)實(shí)施燃煤烤房升級(jí)改造是推動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要抓手。采用濕法脫硫除塵配合自動(dòng)加煤技術(shù)可大幅降低污染物排放，但仍無(wú)法完全杜絕燃煤污染，開(kāi)展清潔能源替代燃煤研究是今后的重點(diǎn)方向。

4 結(jié)論

普通燃煤密集烤房燃煤類型及加煤方式對(duì)污染物排放影響較大，在當(dāng)前密集烤房燃燒設(shè)備技術(shù)條件下，選擇低硫、低揮發(fā)分煤，安裝自動(dòng)加煤裝置可有效降低污染物排放。但還不能完全杜絕SO2排放，適應(yīng)綠色發(fā)展需要，加強(qiáng)密集烤房燃煤替代與應(yīng)用研究對(duì)煙葉烘烤發(fā)展具有重要意義。

普通燃煤密集烤房采用濕法脫硫除塵技術(shù)脫硫效率可達(dá)到72%～92%，除塵效率可達(dá)到75%～92%，配合加煤機(jī)自動(dòng)進(jìn)煤脫硫效率穩(wěn)定在85%左右，除塵效率穩(wěn)定在95%左右，SO2排放濃度低于30 mg/m3，煙塵排放濃度低于15 mg/m3，普通燃煤密集烤房可采用濕法脫硫除塵技術(shù)配合加煤機(jī)自動(dòng)進(jìn)煤實(shí)現(xiàn)高效脫硫除塵，減少污染物排放。