王東升，白向飛，劉明銳，丁 華，王 晨

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

我國(guó)北方地區(qū)農(nóng)村居民冬季取暖是灰霾天氣的主要來(lái)源之一[1-3]。農(nóng)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(zhì)量差、燃燒效率低，民用爐具規(guī)模小、數(shù)量大，未安裝煙氣除塵和脫硫裝置，散煤燃燒產(chǎn)生的污染物給人類(lèi)生活帶來(lái)危害[8-9]。推廣使用民用潔凈煤和潔凈型煤是解決農(nóng)村散煤散燒問(wèn)題的有效手段之一，京津冀及周邊地區(qū)鼓勵(lì)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(guò)程中存在無(wú)煙煤難點(diǎn)燃、易斷火、蘭炭不耐燒等問(wèn)題，這主要是由于無(wú)煙煤與蘭炭的燃燒特性不同。

國(guó)內(nèi)學(xué)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(yīng)器、熱解-紅外聯(lián)用儀和熱重分析儀，考察了高揮發(fā)分煙煤的熱解、燃燒特性，結(jié)果表明，熱解段揮發(fā)分快速釋放是高揮發(fā)分煙煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量黑煙的主要原因。白剛等[11]研究了不同變質(zhì)程度煤的燃燒階段特性參數(shù)，通過(guò)熱重試驗(yàn)得到不同變質(zhì)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(duì)低揮發(fā)分煤的燃燒特性和NOx轉(zhuǎn)化率進(jìn)行研究，表明低揮發(fā)分煤的著火溫度較高，可燃性較差，低揮發(fā)分煤燃燒過(guò)程中NOx轉(zhuǎn)化率隨著氧氣濃度的增加而升高。而在無(wú)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(wú)煙煤、蘭炭，利用熱重分析儀和民用煤燃燒試驗(yàn)裝置，研究了無(wú)煙煤和蘭炭的燃燒性能的差異性，并建議采用蘭炭與無(wú)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(xiàn)狀

京津冀地區(qū)民用燃煤每年需求量在4 000萬(wàn)t以上[13]。經(jīng)地方政府和型煤生產(chǎn)企業(yè)多年努力，民用潔凈煤和潔凈型煤生產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)達(dá)到205家，總產(chǎn)能超過(guò)2 500萬(wàn)t，民用潔凈煤配送體系建設(shè)實(shí)現(xiàn)了縣—鄉(xiāng)—村三級(jí)聯(lián)合配送。2015年，京津冀地區(qū)民用潔凈煤和潔凈型煤供應(yīng)量近500萬(wàn)t，2016年由于北京、天津及周邊廊坊、保定部分地區(qū)劃為禁煤區(qū)和煤改電、煤改氣政策的頒布實(shí)施，民用潔凈煤和潔凈型煤的生產(chǎn)推廣受到影響，實(shí)際供應(yīng)量比2015年大幅降低，總量不足300萬(wàn)t。

2016年，山東省濟(jì)南、德州、淄博、聊城、濰坊等地開(kāi)始大力推廣潔凈型煤，配套建設(shè)了諸多煤炭加工廠(chǎng)和三級(jí)配送體系。另外，河南、內(nèi)蒙、山西等地區(qū)也紛紛出臺(tái)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(qū)2017—2018年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅(jiān)行動(dòng)計(jì)劃》規(guī)定，包括北京、天津、唐山等在內(nèi)的“2+26”城市逐步開(kāi)展以電代煤、以氣代煤工作。該行動(dòng)計(jì)劃對(duì)于京津冀地區(qū)城市周邊村鎮(zhèn)的民用潔凈煤生產(chǎn)和推廣工作有較大影響。

從經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)等方面綜合考慮，民用潔凈煤具有一定優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，廣大農(nóng)村地區(qū)冬季采暖仍需使用燃煤，民用潔凈煤有較大市場(chǎng)。

2 民用潔凈煤燃燒特性

低硫、低揮發(fā)分、高發(fā)熱量的無(wú)煙煤和蘭炭是優(yōu)質(zhì)的民用潔凈燃料。無(wú)煙煤具有難點(diǎn)火、燃燒持久等特點(diǎn)，蘭炭具有易點(diǎn)燃、不耐燒、燃燒時(shí)間短等特點(diǎn)。選取代表性的無(wú)煙煤、蘭炭以及無(wú)煙煤與蘭炭混合制成的型煤，測(cè)試其煤質(zhì)指標(biāo)，并通過(guò)熱重燃燒試驗(yàn)對(duì)比3種燃料的燃燒特性差異。

2.1 煤質(zhì)特性

蘭炭、無(wú)煙煤與混合型煤的工業(yè)分析、全硫和發(fā)熱量結(jié)果見(jiàn)表1，微量有害元素含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表1可知，3種樣品均具有低灰、低揮發(fā)分、特低硫、高發(fā)熱量的特點(diǎn)，揮發(fā)分、全硫和發(fā)熱量指標(biāo)滿(mǎn)足GB 34171—2017《商品煤質(zhì)量 民用型煤》和京津冀地區(qū)潔凈煤地方標(biāo)準(zhǔn)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(duì)微量有害元素限值的要求。

表1樣品工業(yè)分析、全硫和發(fā)熱量
Table1Proximateanalysis,totalsulfurandcalorificvalueofsamples

樣品工業(yè)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(wú)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(cè)試結(jié)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(wú)煙煤11160.0220.0360.047混合型煤1730.0210.0120.038

注:測(cè)定基準(zhǔn)為干燥基。

2.2 燃燒特性

采用德國(guó)耐馳公司的STA449F3熱重分析儀對(duì)2種樣品進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。燃燒試驗(yàn)初始溫度為30 ℃，以20 ℃/min升溫速率升至1 000 ℃，反應(yīng)氣氛為空氣，氣體流量為100 mL/min。蘭炭、無(wú)煙煤和混合型煤熱重燃燒TG和DTG曲線(xiàn)如圖1所示。熱重燃燒試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 熱重燃燒TG和DTG曲線(xiàn)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(duì)應(yīng)溫度/℃燃盡溫度/℃燃燒殘余率/%蘭炭44912.9252057312.43無(wú)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(wú)煙煤的著火溫度為504 ℃，蘭炭較易點(diǎn)燃；燃燒溫度相同時(shí)，蘭炭的燃燒失重和質(zhì)量變化速率均高于無(wú)煙煤，最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度和燃盡溫度均低于無(wú)煙煤，表明蘭炭比無(wú)煙煤燃燒快、燃燒持續(xù)時(shí)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(wú)煙煤之間。添加蘭炭有助于改善無(wú)煙煤的燃燒特性。

蘭炭和無(wú)煙煤的混合型煤能夠兼顧蘭炭和無(wú)煙煤的燃燒特性。因此，潔凈型煤加工過(guò)程中建議在無(wú)煙煤中摻入一定比例的蘭炭，低硫、低揮發(fā)分的蘭炭不僅能解決優(yōu)質(zhì)低硫無(wú)煙煤需求緊缺的問(wèn)題，還能改善單一無(wú)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(wú)煙煤的成型特性不同，在型煤加工過(guò)程中需綜合考慮燃燒特性和黏結(jié)劑成本，進(jìn)一步優(yōu)化蘭炭與無(wú)煙煤的配比。

3 民用潔凈煤排放特性

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

利用煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司設(shè)計(jì)搭建的民用煤燃燒評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置進(jìn)行排放特性測(cè)試。民用煤燃燒評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置適用于各類(lèi)型民用爐具，能測(cè)試不同民用煤的燃燒性能并監(jiān)測(cè)煙氣污染物濃度，試驗(yàn)裝置如圖2所示。配套的污染物排放監(jiān)測(cè)設(shè)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(cè)煙望遠(yuǎn)鏡QT201A。

圖2 民用煤燃燒評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置Fig.2 Civil coal combustion test device

3.2 試驗(yàn)方法

在相同引火介質(zhì)和操作方法下，分別進(jìn)行蘭炭、無(wú)煙煤和混合型煤的燃燒試驗(yàn)。單個(gè)樣品燃燒評(píng)價(jià)試驗(yàn)周期為24～48 h，每隔10 min測(cè)試1組數(shù)據(jù)，燃燒過(guò)程包括引燃、加煤、燃燒、封火等工況。

煙氣污染物測(cè)試指標(biāo)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(tài)污染物采樣方法》、HJ/T 57—2017《固定污染源廢氣 二氧化硫的測(cè)定 定電位電解法》、HJ/T 693—2014《固定污染源廢氣 氮氧化物的測(cè)定 定單位電解法》、HJ/T 398—2007《固定污染源排放 煙氣黑度的測(cè)定 林格曼煙氣黑度圖法》分別測(cè)量各指標(biāo)。其中，煙氣組分SO2、NOx測(cè)試結(jié)果取全部數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，實(shí)測(cè)濃度應(yīng)換算成基準(zhǔn)氧含量下的濃度(基準(zhǔn)氧含量按9.0%計(jì)算)。

3.3 煙氣污染物測(cè)試結(jié)果

煙氣污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。蘭炭、無(wú)煙煤和潔凈型煤燃燒排放的煙氣顆粒物質(zhì)量濃度均低于30 mg/m3，混合型煤的顆粒物質(zhì)量濃度略高于蘭炭和無(wú)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(wú)煙煤的煙氣成分含量最低；3個(gè)樣品的林格曼黑度均為0級(jí)。

表4煙氣污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果
Table4Resultsoffluegaspollutants

樣品顆粒物質(zhì)量濃度/(mg·m-3)煙氣成分含量/(mg·m-3)SO2NOx林格曼黑度/級(jí)蘭炭25.8631.14130.810無(wú)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(biāo)準(zhǔn)》中重點(diǎn)區(qū)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(jí)。

由表4可知，蘭炭、無(wú)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(shù)值均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值要求，是農(nóng)村居民燃煤的理想清潔燃料[14]。

4 結(jié) 論

1)民用潔凈煤和潔凈型煤的生產(chǎn)推廣應(yīng)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(nóng)村地區(qū)對(duì)清潔燃煤仍有巨大需求，需繼續(xù)加強(qiáng)煙煤散煤的管控和民用潔凈煤的供應(yīng)工作。

2)蘭炭的著火溫度為449 ℃，無(wú)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(wú)煙煤，表明蘭炭比無(wú)煙煤易點(diǎn)燃，燃燒持續(xù)時(shí)間短，無(wú)煙煤和蘭炭混合制成型煤能夠兼顧引燃特性和燃燒持續(xù)性。

3)蘭炭、無(wú)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(jí)，是農(nóng)村居民燃煤的理想清潔燃料。

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