蘭炭與不同煤種燃燒時(shí)污染物排放量對(duì)比研究

劉軍利，王玉飛，閆 龍，李 健

(1.神木市三江煤化工有限責(zé)任公司；2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3.榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000)

近十年來，霧霾遍布了我國華北、華南、江南等地區(qū)，部分地區(qū)的中小學(xué)生因霧霾天氣停止課外活動(dòng)，甚至停課，部分免疫力差的人因霧霾天氣引起一些疾病，霧霾給人們的生活帶了很多不便。燃煤是 PM2.5的主要來源，是產(chǎn)生霧霾主要因素之一，而民用散燒煤低效利用，無組織排放且排放量巨大，是治理霧霾的難點(diǎn)之一[1]。同時(shí)，煤炭在燃燒過程中還會(huì)向大氣環(huán)境釋放大量 SO2、NOx等污染氣體。然而，煤炭依然是我國能源消費(fèi)的主體，約占能源消費(fèi)總量的60.4%[2-3]。所以，對(duì)煤炭燃燒污染物的排放研究是義不容辭的。本文經(jīng)過不同煤種燃燒時(shí)污染物排放量對(duì)比研究，將煙煤和部分無煙煤加工成蘭炭，不僅可以促進(jìn)蘭炭產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和煙煤的高效利用，還可望有效解決霧霾、空氣質(zhì)量等環(huán)境污染問題[4]。

1 不同煤種基本特性及產(chǎn)業(yè)情況

1.1 基本性質(zhì)分析

神木煙煤、蘭炭、晉城無煙煤的工業(yè)分析、熱值分析和元素分析見表1、表2。

表1 工業(yè)分析和熱值分析結(jié)果

表2 元素分析結(jié)果

由表1和表2可知，神木煙煤揮發(fā)分為30.44%，蘭炭揮發(fā)分8.70%，從煤到蘭炭揮發(fā)分降低了約22%，同時(shí)也降低了硫、氮含量，說明在制備蘭炭過程中部分有害物質(zhì)隨揮發(fā)分析出，得到了部分脫除。蘭炭固定碳高，熱值相比于神木煤卻略有降低，這是因?yàn)樘m炭灰分高。研究認(rèn)為高灰分及高惰性組含量的煤，容易形成大量細(xì)粒飛灰。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨煤樣灰分含量的增加，PM2.5和PM10的排放量也增大。蘭炭的揮發(fā)分、灰分約為8%，該結(jié)果與晉城無煙煤相近，因此蘭炭燃燒過程中顆粒物排放較少。蘭炭熱值較高，為26.87 MJ/kg，高于晉城無煙煤。綜合以上結(jié)果可以得出，蘭炭燃燒顆粒物的排放優(yōu)于晉城無煙煤。

1.2 硫形態(tài)與含量分析

神木煙煤、蘭炭形態(tài)硫分析結(jié)果見表3。

表3 形態(tài)硫分析結(jié)果

由表3可知，神木煙煤經(jīng)過干餾熱解得到的蘭炭總硫含量較低，可以脫除34.7%的硫。蘭炭中無機(jī)硫約占60%，其中硫酸鹽硫含量較高，是由于神木煙煤在熱解制蘭炭過程中，煤中所含硫化物硫被一些含氧官能團(tuán)所氧化，形成硫酸鹽。

1.3 蘭炭產(chǎn)業(yè)情況

蘭炭，也稱半焦，具有固定碳高、比電阻高、反應(yīng)性高、發(fā)熱量高、特低硫、特低鋁、特低磷等優(yōu)良特點(diǎn)[5]。

我國蘭炭生產(chǎn)始于神木市，榆林神木蘭炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前全國蘭炭建成產(chǎn)能接近1億噸，主要集中在榆林神木和新疆哈密、內(nèi)蒙古鄂爾多斯、寧夏等地，實(shí)際產(chǎn)量 5 000萬t左右。榆林市煤炭資源儲(chǔ)量2 714億t，探明儲(chǔ)量1 377.4億t，煤質(zhì)屬特低灰、特低硫、特低磷、高揮發(fā)分、高含油率、中高發(fā)熱量的長(zhǎng)焰煤和不粘煤，是生產(chǎn)蘭炭的最佳原料。蘭炭產(chǎn)業(yè)成為榆林最大的煤化工產(chǎn)業(yè)和地方經(jīng)濟(jì)的重要支柱，逐步進(jìn)入清潔生產(chǎn)、循環(huán)利用的新階段。屆時(shí)蘭炭品質(zhì)將進(jìn)一步提高，市場(chǎng)供應(yīng)能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都將大幅度提升。蘭炭產(chǎn)業(yè)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但目前處于發(fā)展的初級(jí)階段，不僅需要科學(xué)技術(shù)的匹配升級(jí)，還需要政府提供相應(yīng)的扶持政策，促進(jìn)整個(gè)行業(yè)快速、穩(wěn)定、科學(xué)發(fā)展[6]。

2 蘭炭替代原煤的效果分析

2.1 蘭炭燃燒的主要污染物排放測(cè)試

2.1.1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試的爐具為北方地區(qū)家庭“土暖氣”最常見的樣式，同時(shí)，為了保證測(cè)試準(zhǔn)確性，盡可能避免測(cè)試系統(tǒng)帶來的不確定性，簡(jiǎn)化測(cè)試的程序，決定采用基于碳平衡的測(cè)試原理，完成測(cè)定。

圖1是測(cè)試使用的爐具及主要儀器，主要儀器包括煙氣分析儀及PM2.5濾膜采樣器，其中煙氣分析儀用于完成煙氣中CO2、CO、NOx、SO2及煙氣溫度等的測(cè)試，濾膜采樣器用于完成PM2.5的石英濾膜采集，濾膜大小為φ47 mm，采樣流速5 L/min，自動(dòng)變頻以保證穩(wěn)定流速，一旦達(dá)不到設(shè)定流速時(shí)，立即更換濾膜。

圖1 爐具及主要監(jiān)測(cè)采樣設(shè)備

2.1.2 測(cè)試原理

采用碳平衡原理。其基本理論為：隨著煤的燃燒，C被消耗，其它污染物也同時(shí)形成。碳在燃燒前后保持質(zhì)量平衡，如式(1)。

Cf-Ca=CCO2+CCO+CCH4+CTNMHC+CP

(1)

其中，Cf為燃料中碳質(zhì)量；Ca為未燃盡物中的碳質(zhì)量；CCO2、CCO、CCH4、CTNMHC、CP分別為CO2、CO、CH4、TMHC、顆粒物中的碳質(zhì)量。式(1)中已經(jīng)假定，非甲烷烴及甲烷以外的有機(jī)氣體中所含的C可以忽略。

使用碳平衡法的優(yōu)點(diǎn)是只需要測(cè)量相互的排放比率，而不用知道精確排放物的碳質(zhì)量，也不用知道稀釋了多少倍。

具體應(yīng)用時(shí)，需要從幾個(gè)方面完善及簡(jiǎn)化這個(gè)過程。第一，考慮到在煤燃燒過程中，主要的碳排放為CO2及CO，其它碳組分較少，因而，計(jì)算時(shí)，可以近似不考慮其它組分；第二，為了避免引燃材料帶來的可能影響，需要盡量加大煤的使用量，使煤量遠(yuǎn)超過引燃材料(比如木炭、無水乙醇)的重量，同時(shí)這也有利于減少引燃材料某些排放的影響；第三，各排放物質(zhì)均是整個(gè)燃燒過程的平均值。

2.1.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試了蘭炭、蘭炭型煤、部分市售型煤(煤球)、無煙煤等樣品，主要涉及PM2.5、SO2、總顆粒碳TC，如表4。從測(cè)試結(jié)果來看，蘭炭比其原料煤PM2.5排放降低了約85%，總顆粒碳降低了87%，在PM2.5排放方面接近晉城無煙煤。蘭炭型煤更有優(yōu)越性，PM2.5排放比蘭炭塊再降低36%，未燃盡顆粒碳降低96%。

表4 PM2.5及顆粒碳的排放因子

圖2是排放測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，對(duì)蘭炭的進(jìn)一步加工(蘭炭型煤)有利于實(shí)現(xiàn)更清潔的燃燒。隨著對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求日益嚴(yán)格，環(huán)保型煤技術(shù)逐漸成為主流[7]。

圖2 排放測(cè)試結(jié)果

2.2 排放因子及排放清單

2.2.1 實(shí)例

上述測(cè)試證明了蘭炭及其型煤可以降低以PM2.5為代表的污染物排放。近年的不少測(cè)試都表明，蘭炭的減排作用是必然的。典型的例子有2個(gè)：第一，中科院西安地環(huán)所的測(cè)試及報(bào)道。據(jù)陜西日?qǐng)?bào)2015年7月31日?qǐng)?bào)道，“中科院地球環(huán)境研究所歷經(jīng)兩個(gè)月的研究實(shí)驗(yàn)，做出了《榆林蘭炭與原煤民用燃燒排放因子對(duì)比分析報(bào)告》，結(jié)論顯示，在PM2.5排放上，傳統(tǒng)蘭炭比洗塊煤降低75%，升級(jí)版蘭炭降低90%以上；在對(duì)人體健康影響最大的多環(huán)芳烴排放上，傳統(tǒng)蘭炭較洗塊煤排放降低80%以上，升級(jí)版蘭炭降低97%以上”。

第二，在測(cè)試和總結(jié)公開數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，2016年環(huán)保部發(fā)布了《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》[8]，其中給出包括蘭炭在內(nèi)的不同煤種和煤型的主要染污物排放因子推薦值，如表5所示。

表5 不同煤種和煤型的主要污染物排放因子推薦值

2.2.2 原因分析

蘭炭之所以比普通煙煤散煤有較低的排放因子，根本原因在于制作蘭炭過程中，降低了其中的揮發(fā)分，而揮發(fā)分是區(qū)分煙煤/無煙煤的主導(dǎo)指標(biāo)。已有的研究反復(fù)表明，揮發(fā)分是決定散煤顆粒物(如PM2.5)排放因子的關(guān)鍵內(nèi)在因素[9-11]。同時(shí)在干餾過程中，會(huì)降低部分原料性S和N的存在，從而減少原料型SO2及NOx的生成。從以上角度來看，通過干餾形成蘭炭是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用的重要手段，值得在煤炭清潔、高效、全價(jià)值鏈開發(fā)利用環(huán)節(jié)中加以重視。

2.3 蘭炭與不同煤種戶外試燒對(duì)比試驗(yàn)

選取神木煤、晉城無煙煤、汝箕溝無煙煤和榆林優(yōu)質(zhì)蘭炭為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了工業(yè)分析。實(shí)驗(yàn)所用爐型有農(nóng)村灶臺(tái)、陜北民用燃煤爐和北京民用燃煤爐。實(shí)驗(yàn)儀器有德國rbr公司—益康ecom-EN2便攜式精密煙氣分析儀和美國lighthouse HANDHELD 3016IAQPM2.5測(cè)試儀等(見圖3)。

圖3 EN2精密煙氣分析儀和 HANDHELD 3016 IAQ微粒計(jì)數(shù)儀

2.3.1 蘭炭與其他煤種燃燒現(xiàn)場(chǎng)排放對(duì)比

圖4為蘭炭、無煙煤和神木煙煤在不同的爐具中進(jìn)行戶外現(xiàn)場(chǎng)試燒對(duì)比圖，圖中A為農(nóng)村灶臺(tái)，B為陜北民用燃煤爐，C為北京民用燃煤爐。圖中可以清晰的看出煙煤燃燒時(shí)排放出大量濃煙，對(duì)大氣造成了非常嚴(yán)重的污染，而蘭炭燃燒后排放出的有害氣體很少，甚至略優(yōu)于無煙煤的燃燒排放，不同爐型中都有不同程度的直觀體現(xiàn)。

圖4 不同樣品在不同爐具中戶外試燒對(duì)比實(shí)驗(yàn)

不同煤種在不同爐具中戶外試燒顆粒物排放檢測(cè)結(jié)果見表6，有害氣體檢測(cè)結(jié)果見表7，從表中可以看出，相同煤種所使用的爐具不同時(shí)測(cè)出的結(jié)果不同，蘭炭與無煙煤的顆粒物、有害氣體排放量遠(yuǎn)低于煙煤。

表6 不同煤種燃燒顆粒物排放檢測(cè)結(jié)果

表7 不同煤種燃燒產(chǎn)生的有害氣體檢測(cè)結(jié)果

2.3.2 蘭炭與其他煤種燃燒現(xiàn)場(chǎng)排放對(duì)比

圖5是不同樣品分別在北京民用燃煤爐、陜北燃煤爐、農(nóng)村灶臺(tái)3種爐具中進(jìn)行燃燒試驗(yàn)的顆粒物排放檢測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，蘭炭在北京民用燃煤爐中燃燒排放的TPM(總顆粒物)和PM2.5濃度不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于神木煤，還遠(yuǎn)低于晉城無煙煤；蘭炭在陜北燃煤爐中燃燒排放的TPM和PM2.5濃度遠(yuǎn)低于神木煤和汝箕溝無煙煤，略低于晉城無煙煤；蘭炭在農(nóng)村灶臺(tái)中燃燒排放的TPM和PM2.5濃度遠(yuǎn)低于神木煤，略高于晉城無煙煤。

圖5 不同樣品在不同爐具中燃燒顆粒物排放檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)蘭炭與不同煤種的基本性質(zhì)和硫的形態(tài)、含量分析，得知神木煙煤經(jīng)過低溫干餾后生成的蘭炭灰分含量低，發(fā)熱量高，并且揮發(fā)分從30%降到8%，同時(shí)降低了硫、氮含量和總顆粒物排放量，該結(jié)果與山西晉城無煙煤相近。

(2)通過蘭炭代替原煤的效果分析，得知相同的煤種所使用的爐具不同測(cè)試結(jié)果也不同，神木煤在任何普通爐具燃燒時(shí)都會(huì)排放大量濃煙，而蘭炭與無煙煤的PM2.5、總顆粒物、有害氣體等污染物的排放量相近，均遠(yuǎn)低于煙煤。因此，蘭炭替代煤作為一種清潔燃料有利于改善區(qū)域霧霾污染。

(3)將煙煤和部分無煙煤加工成蘭炭已成趨勢(shì)，可以促進(jìn)蘭炭產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和煙煤的高效利用，同時(shí)蘭炭的開發(fā)技術(shù)將進(jìn)一步提高，市場(chǎng)將進(jìn)一步擴(kuò)大。