烟煤层燃炉颗粒物初始排放因子变化规律研究

姚芝茂,康 宏,赵 鑫,李 俊(.中国环境科学研究院环境标准研究所,北京 000；.新疆维吾尔自治区环境监测总站,新疆 乌鲁木齐 8300)

烟煤层燃炉颗粒物初始排放因子变化规律研究

姚芝茂1*,康 宏2,赵 鑫1,李 俊1(1.中国环境科学研究院环境标准研究所,北京 100012；2.新疆维吾尔自治区环境监测总站,新疆 乌鲁木齐 830011)

以95台中小型烟煤层燃炉(≤70MW)的燃料特性分析数据和颗粒物(PM)排放实测数据为基础,利用统计分析方法及SPSS13.0统计分析软件,分析了锅炉出力W、过量空气系数α、燃煤灰分含量w(A)对燃烧过程PM初始排放因子的影响,研究了PM初始排放因子的变化规律.结果表明,在锅炉运行负荷≥80%的条件下,基于燃料消耗量、燃料发热量和灰分含量的PM初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A基本上与W无关; EF0C、EF0H随α和w(A)的增加而增大,EF0A随w(A)增加而减小.3种影响因子由强到弱的顺序分别为EF0C:w(A)＞ α＞ W;EF0H:w(A)＞α＞ W;EF0A:w(A)＞ α＞ W.

层燃炉；烟煤；颗粒物；初始排放因子

颗粒物(PM)是燃料燃烧过程中排放的大气污染物之一,也是目前我国城市大气环境的首要污染物.研究表明[1-3],大气可吸入颗粒物的增加对于人体健康、大气环境质量造成严重危害.其中,燃烧源颗粒物导致的环境问题越来越受到关注,近年来国内学者对燃煤电厂锅炉PM 的生成与排放特性做了一些研究工作[4-7],但对于目前用量最多、涉及面最广的中小型燃煤锅炉 PM 生成与排放的强度特征即初始排放因子变化规律的研究尚鲜见报道.污染物初始排放因子,又称为污染物产生系数,是一项衡量污染物排放强度的重要指标,它不仅反映污染源的重要排放特征,同时也是核算污染物产生量与排放量的基础数据.因此,研究中小型燃煤锅炉 PM 初始排放因子的变化特征,对于我国中小型燃煤锅炉的管理及总量控制具有重要意义.

本研究基于我国中小型燃烟煤层燃炉的燃料特性分析数据和对 PM 排放实测数据的统计分析,利用 SPSS13.0统计分析软件,考察了锅炉出力、过量空气系数及燃煤灰分含量对PM初始排放因子的影响特征.

1 研究方法

1.1 监测指标与测试仪器

主要监测指标包括大气压力、烟气压力、烟气湿度与颗粒物浓度;主要测试仪器为 3011H+型烟尘测试仪(青岛崂山应用技术研究所生产).

1.2 监测技术要求

锅炉PM监测采样依据《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》[8];测试方法依据《锅炉烟尘测试方法》[9];锅炉运行的热工性能测试依据《工业锅炉热工性能试验规程》[10];PM 排放浓度的表示与折算依据《锅炉大气污染物排放标准》[11],单位为mg/m3.

1.3 PM初始排放因子的计算

燃料消耗量、低位发热量、灰分含量的PM初始排放因子的计算公式分别如式(1)、式(2)和式(3)所示:

式中, EF0C为基于燃料消耗量的PM初始排放因子, g/kg;EF0H为基于燃料低位发热量的PM初始排放因子, ng/J; EF0A为基于燃料灰分含量的PM初始排放因子, kg/kg; C0PM为PM标态初始排放浓度,mg/m3; Q为标态初始干烟气量, m3/h; B为燃煤消耗量, kg/h; w(A)为燃煤收到基灰分含量,%; Har为燃煤低位发热量,kJ/kg.

2 结果与讨论

表1 主要燃料特性与锅炉运行参数Table 1 Major fuel properties and operation parameters of boilers

共实测了95台中小型烟煤层燃锅炉,运行负荷为 80%~100%,地域分布涉及北京、上海、天津、新疆、甘肃、江西、陕西、山东、广东、河北、安徽、河南、辽宁、江苏、湖南、四川、福建、浙江、吉林、内蒙古、山西、湖北、黑龙江等23个省、市、自治区,覆盖广泛,具有一定的代表性.燃料特性与锅炉运行参数如表1所示.

2.1 燃煤燃烧过程中PM的生成机理与影响因子分析

燃煤加热开始后,煤颗粒首先是经历挥发分的脱除和燃烧,然后才是碳的燃烧.对于大多数燃煤颗粒来讲,因为迅速加热,煤颗粒产生塑性并膨胀,形成中空的球形颗粒,随着碳的燃烧,灰分杂质将熔融在一起,当90%的碳燃尽时,变脆的碳结构发生破裂,产生大小不一的以微米级粒径为主的飞灰颗粒.一般认为煤燃烧过程中 PM 的形成是以下 4种机理联合作用的结果:内在矿物质的聚结;煤焦的破碎;外在矿物质的破碎;无机矿物的气化-凝结.并且认为前3种机理主要形成粒径>1µm的超微米颗粒物,而第4种机理主要形成粒径<1µm的亚微米颗粒物[12].

颗粒物形成的主要影响因素包括燃煤种类、氧气浓度与过量空气系数、燃煤粒径、惰性气体、燃烧室压力和燃烧温度等[13].

2.2 锅炉出力(W)对PM初始排放因子的影响

锅炉出力(W)是衡量锅炉容量大小的基本参数.图 1是基于燃料消耗量、燃料发热量和燃料灰分含量的PM初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A随不同锅炉实际出力的变化.由图1可以看出,对于给定燃煤种类、燃烧方式的额定出力≤70 MW的层燃炉,在锅炉运行负荷≥80%的条件下,EF0C、EF0H和EF0A均随W的变化而在一定水平区域内呈现出波动性的变化特征,表明 PM 初始排放因子的大小基本上与锅炉出力无关,即中小型烟煤层燃炉的容量大小对 PM 初始排放因子总体上没有影响.燃煤燃烧过程中 PM 的组成与产生量主要受到燃烧方式、燃料类型以及操作条件的影响,锅炉运行负荷对 PM 的生成也具有一定程度的影响,锅炉运行负荷降低 PM 的产生量趋向于减少,而在实测锅炉运行负荷≥80%的条件下,其对PM的产生影响相对较小[14],故此使得W基本上对PM初始排放因子不具有显著影响.

图1 PM初始排放因子EF0C、EF0H、EF0A随锅炉出力W的变化Fig.1 Changes of PM initial emission factor EF0C, EF0Hand EF0Awith boiler output W

2.3 过量空气系数(α)对 PM 初始排放因子的影响

过量空气系数(α)是燃烧过程中实际空气供应量与理论空气需要量的比值,是衡量锅炉运行工况的重要参数之一,它不但直接影响锅炉运行的经济性,而且对锅炉运行过程中大气污染物的生成与排放也具有重要影响.图2为EF0C、EF0H和EF0A随α的变化.

图2 PM初始排放因子EF0C、EF0H、EF0A随过量空气系数α的变化Fig.2 Changes of PM initial emission factor EF0C, EF0Hand EF0Awith excess air coefficient α

由图 2可以看出,EF0C、EF0H随α的增大,在一定区域内呈现出较显著的增大; EF0A随α的变化并不显著.这可能是由于α增大,燃烧过程中通过炉膛的空气量增加,相应地空气通过炉膛的流速增加,造成层燃式燃烧过程中产生的烟气所夹带颗粒物的量增加,从而使得锅炉出口烟气中颗粒物的排放量增大.

2.4 燃煤灰分含量对PM初始排放因子的影响燃煤收到基灰分含量(w(A))是燃料的基本特性之一.灰分是指煤在规定条件下完全燃烧后剩下的固体残渣.它是燃煤中的矿物质经过氧化、分解而形成的.图 3是 PM 初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A随w(A)的变化.

图3 PM初始排放因子EF0C、EF0H、EF0A随燃煤灰分含量w(A)的变化Fig.3 Changes of PM initial emission factor EF0C, EF0Hand EF0Awith coal ash content w(A)

由图3可以看出,随w(A)的增加,EF0C、EF0H和EF0A很明显地以w(A)=25%为界分为2个区域而呈现出波动性分布.由图 3(a)和图 3(b)可以发现,当w(A)＜25%时,EF0C和EF0H波动的区域重心低于 w(A)＞25%的波动区域重心,表明伴随w(A)的增加,EF0C和EF0H总体上表现出增大的趋势.由图3c可见,EF0A基本上随w(A)的增大而逐渐减小.燃煤锅炉排放的 PM 主要由燃烧产生的灰烬以及未完全燃烧产生的残炭所组成,对于大型煤粉炉而言,锅炉燃烧效率较高,燃煤几乎完全燃烧,其所产生排放的 PM 主要是无机物组成的灰烬.而对于层燃炉而言,锅炉燃烧效率较低,其所产生排放的 PM 中未燃烧的残炭比例较高,使得 PM 产生量与燃煤灰分含量之间的变化关系不太显著.至于造成 PM 初始排放因子以w(A)=25%为界分为2个区域的原因,可能是我国现行《锅炉大气污染物排放标准》[11]以w(A)≤25%和 w(A)＞25%为基准对燃煤锅炉烟尘(颗粒物)初始排放浓度规定了限值要求,锅炉的设计、制造厂商在生产、制造锅炉的过程中执行该标准的规定,从而使得燃煤锅炉 PM 初始排放因子随燃煤灰分含量的变化表现出上述特征.

2.5 PM 初始排放因子与影响因子之间相关性分析

利用 SPSS 13.0统计分析软件,对锅炉出力W、过量空气系数α、燃煤氮含量w(A)与PM初始排放因子 EF0C、EF0H、EF0A之间进行了相关性分析,结果如表2所示.

表2 W、α、w(A)与EF0C、EF0H、EF0A相关性分析结果Table 2 Results of correlation analysis of W、α、w(A) with EF0C, EF0Hand EF0A

由表 2可以看出,W与 PM 排放因子间的Pearson相关系数r＜0.3,且W与PM排放因子间p-值均>0.05,关系极弱,可以认为不相关.α与EF0C、EF0H间的r＜0.3,分别在99%、95%置信水平下具有显著相关关系;而α与 EF0A间的 r＜0.3,p-值>0.05,关系极弱,可以认为两者之间不相关.w(A)与 EF0C、EF0H间的 r值为正值,表明 w(A)与 EF0C、EF0H间为正相关,在 99%置信水平下w(A)与 EF0C、EF0H间具有显著相关关系;0.3＜r＜0.5,表现为低度正相关,w(A)与 EF0A间的 r值为负值,在 99%置信水平下 w(A)与 EF0A间具有显著相关关系,0.3＜︱r︱＜0.5,表现为低度负相关.由上述结果与分析,可以得出影响烟煤层燃炉PM初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A的影响因子由强到弱的顺序 EF0C:w(A)＞ α＞ W;EF0H:w(A)＞ α＞ W;EF0A:w(A)＞ α＞ W.

3 结论

3.1 对于中小型燃用烟煤层燃炉(锅炉容量≤70 MW)而言,在锅炉运行负荷≥80%的条件下,PM初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A基本上与W无关,W对PM初始排放因子的影响最弱.

3.2 α对 EF0C、EF0H影响较为显著,而对 EF0A影响较弱;w(A)对EF0C、EF0H和EF0A均较显著.

3.3 三种影响因子对 EF0C、EF0H和 EF0A的影响由强到弱的顺序为,EF0C:w(A)＞ α＞ W;EF0H:w(A)＞ α＞ W;EF0A:w(A)＞ α＞ W.

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Changing characteristics of PM initial emission factors for layer soft coal-fired boilers.

YAO Zhi-mao1*, KANG Hong2, ZHAO Xin1, LI Jun1(1.Environmental Standards Institute, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China；2.Xinjiang Environmental Monitoring Centre, Urumqi 830011, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：220~224

The influences of boiler output(W), excess air coefficient(α), coal ash content(w(A)) on particulate matter(PM)initial emission factors in coal combustion were analyzed by statistical analysis method and SPSS13.0 using PM actual test data and coal analysis data from 95 medium and small layer soft coal-fired boilers, actual capacity of boilers≤70 MW.The changing characteristics of PM initial emission factors was also studied. The results indicated the PM initial emission factors EF0C, EF0H, and EF0Abased on fuel consumption, coal lower heating value and coal ash content were not related with W under the condition of boiler loads≥80%, and EF0C, EF0Hincreased slightly with α and w(A) increasing. Moreover,EF0Adecreased with w(A) increasing. The orders from strong to weak of three influencing factors were w(A)＞ α＞ W for EF0C, w(A)＞ α＞ W for EF0H, and w(A)＞ α＞ W for EF0Arespectively.

layer fired boilers；soft coal；particulate matter；initial emission factor

X505

A

1000-6923(2011)02-0220-05

2010-05-15

环境保护部第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数核算项目

* 责任作者, 研究员, yaozm@craes.org.cn

姚芝茂(1964-),男,河北固安人,副研究员,博士,主要从事环境标准及污染物排放控制研究.发表论文30余篇.