基于單指標(biāo)的潔凈型煤環(huán)保體系探討*

馬青華，趙曉東，衛(wèi)麟輝，張學(xué)梅，李 東，郝靜遠(yuǎn)

(1.西安思源學(xué)院 能源及化工大數(shù)據(jù)應(yīng)用教學(xué)研究中心，陜西 西安 710038；2.北京德秦技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100000；3.西安交通大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710038)

0 引言

近年來國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和用煤企業(yè)非常關(guān)心如何使用潔凈燃料(型煤、焦炭)最大限度地減少二氧化硫的排放、減輕燃燒散煤對(duì)大氣的污染，以達(dá)到“綠水青山就是金山銀山”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。從2004年到目前為止，陜西省、河北省和山西省的地方政府發(fā)布并實(shí)施相關(guān)潔凈型煤的范圍、術(shù)語(yǔ)和定義、要求、試驗(yàn)方法及檢驗(yàn)規(guī)則[1-3]。為做到降低污染，潔凈型煤重要環(huán)保指標(biāo)都是雙指標(biāo)(全硫和固硫率)體系。固硫率的測(cè)試原理是分別測(cè)定潔凈型煤的全硫和燃燒后灰渣中的硫，以灰渣中硫占潔凈型煤全硫的質(zhì)量百分比來表示固硫率。固硫率的測(cè)定是一個(gè)規(guī)范性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)。不同燃燒溫度、爐內(nèi)停留時(shí)間、空氣流量、粒度等都會(huì)影響固硫率的檢測(cè)結(jié)果[4-6]。3個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)中，只有陜西省有《灰樣的制備》相關(guān)規(guī)定，對(duì)煤樣鋪設(shè)厚度、馬弗爐起始溫度、加熱溫度、升溫速度、燃燒時(shí)間、恒溫時(shí)間、灰樣粒度等所有已知的影響因素都作了具體規(guī)定。從實(shí)踐效果上看，對(duì)灰樣制備的相關(guān)規(guī)定，能使程序具有可操作性，檢驗(yàn)之后的數(shù)據(jù)可進(jìn)行比較。

1 現(xiàn)行潔凈型煤環(huán)保指標(biāo)

1.1 潔凈型煤環(huán)保指標(biāo)計(jì)算

表1列出三省地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。表2列出表1中所涉及的雙指標(biāo)環(huán)保體系的3個(gè)測(cè)試項(xiàng)目和其所執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表1 陜西、河北、山西三省潔凈型煤環(huán)保指標(biāo)

表2 潔凈型煤3個(gè)測(cè)試項(xiàng)目和所執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

除了山西省潔凈型煤的固硫率計(jì)算方法有表述爭(zhēng)議外，陜西省和河北省的計(jì)算方法都是以型煤灰渣中的硫按式(1)計(jì)算

(1)

式中，SO3為干燥基型煤灰渣中三氧化硫的含量，%；Sa，d為型煤灰渣中硫的含量，%；2.5為三氧化硫換算成硫的系數(shù)。固硫率按式(2)計(jì)算

(2)

式中,Rs為固硫率，%；St，d為干燥基潔凈型煤中全硫的含量，%；Ad為干燥基潔凈型煤的灰分，%。

1.2 現(xiàn)行環(huán)保指標(biāo)存在的問題

雖然三省發(fā)布潔凈型煤的地方標(biāo)準(zhǔn)是滿足當(dāng)前形勢(shì)下的保衛(wèi)藍(lán)天降低霧霾的迫切需求，也規(guī)范了燃料市場(chǎng)，但是將全硫和固硫率作為潔凈型煤的兩項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)存在一些不足之處。

1.2.1 主旨不夠明確

潔凈型煤是作為藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)、減少燃燒時(shí)二氧化硫?qū)Υ髿馀欧诺挠行緩絒7-9]。如式(3)所示，根據(jù)物質(zhì)守恒的原則，潔凈型煤中的全部硫在燃燒過程中，只能成為固體硫存在灰渣中或以氣體硫氧化物排放到大氣中。

全硫(固體)→灰中硫(固體)+硫氧化物(氣體)

(3)

根據(jù)全硫和固硫率來表示存在灰渣中的固體硫，不如根據(jù)全硫和固硫率來表示排放到大氣中的氣體硫氧化物直接、主旨明確。定義“干燥基型煤排放氣體硫”為潔凈型煤允許最大污染極限，其意義就一目了然。如果潔凈型煤的干燥基型煤排放氣體硫小于這個(gè)污染極限即為合格，即使該潔凈型煤雙環(huán)保指標(biāo)中的某個(gè)指標(biāo)(一般是固硫率)超出原先的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 兩個(gè)指標(biāo)不容易同時(shí)實(shí)現(xiàn)

從邏輯學(xué)上講，只有兩種邏輯途徑可以控制兩個(gè)指標(biāo)的系統(tǒng)。一種是“或，OR”的邏輯，即達(dá)到兩個(gè)指標(biāo)中的任何一個(gè);另一種是“和，AND”邏輯，即兩個(gè)指標(biāo)必須同時(shí)達(dá)到。達(dá)到“AND” 控制的難度是完成“OR”控制難度的數(shù)倍。潔凈型煤雙環(huán)保指標(biāo)(全硫和固硫率)是非常困難的“AND” 控制。

1.2.3 難以判定

從數(shù)學(xué)上講，用不等式表示兩個(gè)同時(shí)判定的指標(biāo)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)3種情況。①兩個(gè)指標(biāo)都是大于時(shí)，數(shù)值判定結(jié)果一定是大于；②兩個(gè)指標(biāo)都是小于時(shí)，數(shù)值判定結(jié)果一定是小于；③一個(gè)指標(biāo)是大于，另一個(gè)指標(biāo)是小于時(shí)，無數(shù)值判定結(jié)果。從表1的數(shù)據(jù)看，潔凈型煤的全硫指標(biāo)是小于等于，而其固硫率指標(biāo)卻是大于。因此根據(jù)原先潔凈型煤雙環(huán)保指標(biāo)的判定就沒有數(shù)值大小的定量判定，而只有符不符合的定性判定。

1.2.4 不利于創(chuàng)新

公布潔凈型煤的環(huán)保指標(biāo)同時(shí)也是為了促進(jìn)燃煤固硫劑研究領(lǐng)域的良性發(fā)展，推廣應(yīng)用高品質(zhì)固硫劑。但如果潔凈型煤環(huán)保指標(biāo)只有定性判定，而沒有定量判定，則不利于促進(jìn)燃煤固硫劑研究領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。舉例來說甲、乙兩種潔凈型煤都符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)且價(jià)格相等，但甲種潔凈型煤環(huán)保指標(biāo)比乙種好30%，那么甲種潔凈型煤的性價(jià)比就比乙種型煤高30%。這樣的定量指標(biāo)有利于客戶，也有利于創(chuàng)新發(fā)展[10-11]。

2 二氧化硫排放新指標(biāo)

2.1 單環(huán)保指標(biāo)體系

潔凈焦炭和潔凈型煤的環(huán)保指標(biāo)見表3，可以看到雖然延安和榆林潔凈型煤的全硫都小于陜西省的地方標(biāo)準(zhǔn)，但因?yàn)槎紱]有固硫率指標(biāo)，明顯不符合標(biāo)準(zhǔn)。即使測(cè)定固硫率為45%，但因?yàn)槠鋽?shù)值≤50%，表1所定的陜西省甲類標(biāo)準(zhǔn)，該潔凈型煤也無法用于甲類地區(qū)(西安市市區(qū)、延安市市區(qū)、榆林市市區(qū)、楊凌示范區(qū)等)。太原市民用潔凈焦炭的標(biāo)準(zhǔn)取自文獻(xiàn)[12]。

表3 潔凈焦炭和潔凈型煤的環(huán)保指標(biāo)

現(xiàn)定義“干燥基型煤排放氣體硫Sg，d”為潔凈型煤最大的污染極限。干燥基型煤排放氣體硫Sg，d按式(4)計(jì)算

(4)

式中，Sg，d為干燥基型煤排放氣體硫的含量，%；St，d為干燥基型煤中全硫的含量，%；Rs為固硫率，%。根據(jù)這一定義，三省潔凈型煤的環(huán)保指標(biāo)-干燥基型煤排放氣體硫的含量Sg，d列于表4。

表4 三省潔凈型煤的環(huán)保指標(biāo)-干燥基型煤排放氣體硫的含量Sg，d

2.2 雙環(huán)保指標(biāo)與單環(huán)保指標(biāo)體系對(duì)比

以上的討論顯示，為了計(jì)算Sg，d干燥基型煤排放氣體硫的含量，仍然需要按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定全硫、灰分和煤灰中的三氧化硫，按原先用的公式計(jì)算型煤灰渣中的硫和固硫率。仍然需要遵循陜西省的地方標(biāo)準(zhǔn)中“灰樣的制備”的操作程序，只是將雙環(huán)保指標(biāo)體系換成單環(huán)保指標(biāo)體系?，F(xiàn)假定延安和榆林潔凈型煤的固硫率為45%，將雙環(huán)保指標(biāo)體系與單環(huán)保指標(biāo)體系進(jìn)行對(duì)比。延安潔凈型煤固硫率為45%時(shí)評(píng)測(cè)，見表5。榆林潔凈型煤固硫率為45%時(shí)的評(píng)測(cè)，見表6。在滿足陜西省甲類區(qū)、乙類區(qū)或丙類區(qū)潔凈型煤之干燥基型煤排放氣體硫的含量前提下，固硫率與硫含量之間的關(guān)系，如圖1所示。根據(jù)式(4)，在保證Sg，d干燥基型煤排放氣體硫的含量為一個(gè)固定值的前提下，如能應(yīng)用高品質(zhì)固硫劑以提高潔凈型煤的固硫率，較高硫含量的煤也能制備符合環(huán)保要求的潔凈型煤，不僅拓寬了高硫煤的使用范圍，而且降低了潔凈型煤的制備成本。

表5 延安潔凈型煤

表6 榆林潔凈型煤

圖1 固硫率與硫含量之間的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)現(xiàn)行環(huán)保指標(biāo)存在主旨不夠清晰明確，因此建議定義“干燥基型煤排放氣體硫”為潔凈型煤允許最大污染極限。

(2)兩個(gè)控制指標(biāo)不容易同時(shí)實(shí)現(xiàn)，雙環(huán)保指標(biāo)的判定沒有數(shù)值大小的定量判定，而只有符不符合的定性判定，不利于促進(jìn)燃煤固硫劑研究領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

(3)按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)分析測(cè)定全硫、灰分和煤灰中的三氧化硫，按無爭(zhēng)議的公式計(jì)算型煤灰渣中的硫和固硫率，遵循陜西省的地方標(biāo)準(zhǔn)中“灰樣的制備”操作程序，將雙環(huán)保(全硫和固硫率)指標(biāo)體系換成單(Sg，d干燥基型煤排放氣體硫的含量)環(huán)保指標(biāo)體系是可行的。