京津冀地区民用洁净煤燃烧及排放特性

王东升，白向飞，刘明锐，丁 华，王 晨

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引 言

我国北方地区农村居民冬季取暖是灰霾天气的主要来源之一[1-3]。农村居民冬季炊事和取暖多以家庭为单位，大部分以烟煤散煤为燃料，采用直燃直排的方式[5-7]。散煤质量差、燃烧效率低，民用炉具规模小、数量大，未安装烟气除尘和脱硫装置，散煤燃烧产生的污染物给人类生活带来危害[8-9]。推广使用民用洁净煤和洁净型煤是解决农村散煤散烧问题的有效手段之一，京津冀及周边地区鼓励推广使用民用洁净煤和洁净型煤，取得了一定的效果。但在民用洁净煤使用过程中存在无烟煤难点燃、易断火、兰炭不耐烧等问题，这主要是由于无烟煤与兰炭的燃烧特性不同。

国内学者在烟煤燃烧特性、烟气污染物成分研究方面取得了一定成果。刘生玉等[10]采用固定床热解反应器、热解-红外联用仪和热重分析仪，考察了高挥发分烟煤的热解、燃烧特性，结果表明，热解段挥发分快速释放是高挥发分烟煤燃烧过程中产生大量黑烟的主要原因。白刚等[11]研究了不同变质程度煤的燃烧阶段特性参数，通过热重试验得到不同变质程度煤燃烧阶段温度范围，气煤燃烧阶段温度为279～542 ℃，贫煤燃烧阶段温度为365～594 ℃。周志军等[12]利用热天平对低挥发分煤的燃烧特性和NOx转化率进行研究，表明低挥发分煤的着火温度较高，可燃性较差，低挥发分煤燃烧过程中NOx转化率随着氧气浓度的增加而升高。而在无烟煤和兰炭的燃烧特性和排放特性等方面的研究还较少。

本文选取代表性的民用洁净燃料——无烟煤、兰炭，利用热重分析仪和民用煤燃烧试验装置，研究了无烟煤和兰炭的燃烧性能的差异性，并建议采用兰炭与无烟煤混合成型的方式改善民用洁净煤的燃烧特性。

1 民用洁净煤推广现状

京津冀地区民用燃煤每年需求量在4 000万t以上[13]。经地方政府和型煤生产企业多年努力，民用洁净煤和洁净型煤生产推广取得了一定成效，截至2016年底，河北省改造新建的型煤生产企业达到205家，总产能超过2 500万t，民用洁净煤配送体系建设实现了县—乡—村三级联合配送。2015年，京津冀地区民用洁净煤和洁净型煤供应量近500万t，2016年由于北京、天津及周边廊坊、保定部分地区划为禁煤区和煤改电、煤改气政策的颁布实施，民用洁净煤和洁净型煤的生产推广受到影响，实际供应量比2015年大幅降低，总量不足300万t。

2016年，山东省济南、德州、淄博、聊城、潍坊等地开始大力推广洁净型煤，配套建设了诸多煤炭加工厂和三级配送体系。另外，河南、内蒙、山西等地区也纷纷出台推广民用洁净煤的政策。

2017年9月颁布的《京津冀及周边地区2017—2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动计划》规定，包括北京、天津、唐山等在内的“2+26”城市逐步开展以电代煤、以气代煤工作。该行动计划对于京津冀地区城市周边村镇的民用洁净煤生产和推广工作有较大影响。

从经济性和长期稳定供应等方面综合考虑，民用洁净煤具有一定优势。同时，广大农村地区冬季采暖仍需使用燃煤，民用洁净煤有较大市场。

2 民用洁净煤燃烧特性

低硫、低挥发分、高发热量的无烟煤和兰炭是优质的民用洁净燃料。无烟煤具有难点火、燃烧持久等特点，兰炭具有易点燃、不耐烧、燃烧时间短等特点。选取代表性的无烟煤、兰炭以及无烟煤与兰炭混合制成的型煤，测试其煤质指标，并通过热重燃烧试验对比3种燃料的燃烧特性差异。

2.1 煤质特性

兰炭、无烟煤与混合型煤的工业分析、全硫和发热量结果见表1，微量有害元素含量测试结果见表2。由表1可知，3种样品均具有低灰、低挥发分、特低硫、高发热量的特点，挥发分、全硫和发热量指标满足GB 34171—2017《商品煤质量 民用型煤》和京津冀地区洁净煤地方标准的要求。由表2可知，微量有害元素磷、氯、砷、汞、氟含量均较低，符合GB 34171—2017对微量有害元素限值的要求。

表1样品工业分析、全硫和发热量
Table1Proximateanalysis,totalsulfurandcalorificvalueofsamples

样品工业分析/%MadAdVdafFCdw(St,d)/%Qgr,ad/(MJ·kg-1)Qgr,d/(MJ·kg-1)兰炭5.3212.807.9173.970.3527.2728.91无烟煤2.9215.1911.0375.450.3128.0928.93 混合型煤2.6216.6410.5874.540.3028.0628.81

表2有害元素含量测试结果
Table2Resultsofharmfulelementscontent

样品As含量/(μg·g-1)F含量/(μg·g-1)Cl含量/%P含量/%Hg含量/(μg·g-1)兰炭1480.0390.0140.006无烟煤11160.0220.0360.047混合型煤1730.0210.0120.038

注:测定基准为干燥基。

2.2 燃烧特性

采用德国耐驰公司的STA449F3热重分析仪对2种样品进行燃烧试验。燃烧试验初始温度为30 ℃，以20 ℃/min升温速率升至1 000 ℃，反应气氛为空气，气体流量为100 mL/min。兰炭、无烟煤和混合型煤热重燃烧TG和DTG曲线如图1所示。热重燃烧试验结果见表3。

图1 热重燃烧TG和DTG曲线Fig.1 TG and DTG curves of thermogravimetric combustion

样品着火温度/℃最大燃烧速率/(%·min-1)最大燃烧速率对应温度/℃燃尽温度/℃燃烧残余率/%兰炭44912.9252057312.43无烟煤50416.1955260116.73混合型煤48213.7054659615.44

由表3可知，兰炭的着火温度为449 ℃，无烟煤的着火温度为504 ℃，兰炭较易点燃；燃烧温度相同时，兰炭的燃烧失重和质量变化速率均高于无烟煤，最大燃烧速率对应的温度和燃尽温度均低于无烟煤，表明兰炭比无烟煤燃烧快、燃烧持续时间短。掺入兰炭的混合型煤的着火温度、燃尽温度介于兰炭和无烟煤之间。添加兰炭有助于改善无烟煤的燃烧特性。

兰炭和无烟煤的混合型煤能够兼顾兰炭和无烟煤的燃烧特性。因此，洁净型煤加工过程中建议在无烟煤中掺入一定比例的兰炭，低硫、低挥发分的兰炭不仅能解决优质低硫无烟煤需求紧缺的问题，还能改善单一无烟煤和兰炭的缺陷，兼顾着火特性和燃烧持久性。由于兰炭和无烟煤的成型特性不同，在型煤加工过程中需综合考虑燃烧特性和黏结剂成本，进一步优化兰炭与无烟煤的配比。

3 民用洁净煤排放特性

3.1 试验设备

利用煤炭科学技术研究院有限公司设计搭建的民用煤燃烧评价试验装置进行排放特性测试。民用煤燃烧评价试验装置适用于各类型民用炉具，能测试不同民用煤的燃烧性能并监测烟气污染物浓度，试验装置如图2所示。配套的污染物排放监测设备有手持式热电偶、烟尘烟气分析仪YQ3000C、手持式烟气分析仪KM-940、测烟望远镜QT201A。

图2 民用煤燃烧评价试验装置Fig.2 Civil coal combustion test device

3.2 试验方法

在相同引火介质和操作方法下，分别进行兰炭、无烟煤和混合型煤的燃烧试验。单个样品燃烧评价试验周期为24～48 h，每隔10 min测试1组数据，燃烧过程包括引燃、加煤、燃烧、封火等工况。

烟气污染物测试指标包括颗粒物浓度、烟气组分(SO2、NOx)和林格曼黑度等。按照GB/T 16157—1996《固体污染源排气颗粒物浓度与气态污染物采样方法》、HJ/T 57—2017《固定污染源废气 二氧化硫的测定 定电位电解法》、HJ/T 693—2014《固定污染源废气 氮氧化物的测定 定单位电解法》、HJ/T 398—2007《固定污染源排放 烟气黑度的测定 林格曼烟气黑度图法》分别测量各指标。其中，烟气组分SO2、NOx测试结果取全部数据的算术平均值，实测浓度应换算成基准氧含量下的浓度(基准氧含量按9.0%计算)。

3.3 烟气污染物测试结果

烟气污染物监测结果见表4。兰炭、无烟煤和洁净型煤燃烧排放的烟气颗粒物质量浓度均低于30 mg/m3，混合型煤的颗粒物质量浓度略高于兰炭和无烟煤；烟气成分SO2含量均低于40 mg/m3，NOx含量均低于140 mg/m3，其中，无烟煤的烟气成分含量最低；3个样品的林格曼黑度均为0级。

表4烟气污染物监测结果
Table4Resultsoffluegaspollutants

样品颗粒物质量浓度/(mg·m-3)烟气成分含量/(mg·m-3)SO2NOx林格曼黑度/级兰炭25.8631.14130.810无烟煤22.8413.21108.580混合型煤28.3622.61127.210

GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》中重点区域锅炉大气污染物排放限值要求:颗粒物浓度≤30 mg/m3；烟气成分中SO2浓度≤200 mg/m3，NOx浓度≤200 mg/m3；林格曼黑度≤1级。

由表4可知，兰炭、无烟煤和混合型煤燃烧排放烟气的颗粒物浓度、SO2和NOx浓度、林格曼黑度等数值均达到国家标准限值要求，是农村居民燃煤的理想清洁燃料[14]。

4 结 论

1)民用洁净煤和洁净型煤的生产推广应用取得了一定成果。虽然受煤改电、煤改气政策影响，但广大农村地区对清洁燃煤仍有巨大需求，需继续加强烟煤散煤的管控和民用洁净煤的供应工作。

2)兰炭的着火温度为449 ℃，无烟煤的着火温度为504 ℃，兰炭的燃烧失重和失重速率均高于无烟煤，表明兰炭比无烟煤易点燃，燃烧持续时间短，无烟煤和兰炭混合制成型煤能够兼顾引燃特性和燃烧持续性。

3)兰炭、无烟煤和洁净型煤燃烧排放烟气中颗粒物浓度均低于30 mg/m3，烟气成分SO2含量均低于40 mg/m3，NOx含量均低于140 mg/m3，林格曼黑度为0级，是农村居民燃煤的理想清洁燃料。

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