民用煤燃燒污染物排放因子研究

劉君俠，劉瓊玉，程晉俊，葉 巡，梁志發(fā)

（江漢大學(xué) 工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430056）

近年來，大氣污染一直是公眾和決策者高度關(guān)注的問題，其中又以霧霾問題最受關(guān)注，但受中國(guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，由煤炭燃燒特別是民用散煤燃燒引起的大氣污染依然存在。我國(guó)能源儲(chǔ)備特點(diǎn)是富煤缺油少氣，能源消耗特點(diǎn)是嚴(yán)重依賴煤炭，煤炭消費(fèi)占初級(jí)能源消費(fèi)的70%左右，并且這一狀況會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)期。在煤炭消費(fèi)領(lǐng)域，民用煤通常用于生火做飯或取暖等，表現(xiàn)為粗效和低能效的燃燒方式，燃燒效率低，缺乏相應(yīng)的排放控制措施，單位質(zhì)量民用燃煤排放遠(yuǎn)大于工業(yè)鍋爐有組織污染物排放，對(duì)大氣污染的貢獻(xiàn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工業(yè)活動(dòng)的貢獻(xiàn)。農(nóng)村地區(qū)尤其北方農(nóng)村取暖季，多在室內(nèi)燃燒，排放大多采用低矮的面源排放，對(duì)居民身體的影響更加嚴(yán)重。研究表明，目前室內(nèi)固體燃料燃燒排放的PM2.5和PM10分別占到燃料燃燒總排放的34.6%和25.4%［1］，燃煤源PM10排放對(duì)大氣可吸入顆粒物的貢獻(xiàn)率年平均為7.9% ～30%，北方采暖季的貢獻(xiàn)率更高，達(dá)到8.8% ～59%［2］。PM2.5和PM10濃度的短期升高與抑郁住院風(fēng)險(xiǎn)的增加顯著相關(guān)［3］，PM10、二氧化氮（NO2）和臭氧水平的增加可能會(huì)增加老年人的抑郁癥狀［4-5］。本研究基于稀釋采樣原理，選取民用散煤的不同形態(tài)，模擬居民散煤燃燒，測(cè)量不同煤種在不同燃燒狀態(tài)下的大氣可吸入顆粒物排放濃度，對(duì)散煤燃燒煙氣中的SO2和氮氧化物（NOx）濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，計(jì)算污染物排放因子，探討不同煤種及不同燃燒狀態(tài)下污染物排放因子，有利于補(bǔ)充民用煤燃燒污染物排放的有關(guān)資料，為實(shí)施煤炭清潔利用措施提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 樣品來源

本研究共選用7 個(gè)煤種，包括2 種煙煤、2 種無煙煤、2 種蜂窩煤和1 種型煤。2 種煙煤分別來自河南平頂山七礦（HNY）和陜西鴻海物流有限責(zé)任公司（HHY）；2 種無煙煤分別來自平頂山天安煤業(yè)股份有限公司（HNW）和山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（JCW）；2 種蜂窩煤分別來自武漢市售蜂窩煤（WHF）和河南安陽蜂窩煤（HNF）；型煤為陜西榆林煤球（YLX）。7 個(gè)煤種的煤質(zhì)分析見表1。表1中煙煤和無煙煤的數(shù)據(jù)由煤種供應(yīng)方提供，蜂窩煤和型煤數(shù)據(jù)按照GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》［6］和GB/T 213—2008《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》［7］的規(guī)定測(cè)定。

表1 煤質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of coal quality

1.2 主要儀器與試劑

本研究所用的主要儀器設(shè)備見表2。

表2 主要儀器設(shè)備和生產(chǎn)廠家Tab.2 Main experimental instruments and manufacturers

1.3 燃燒采樣系統(tǒng)

燃燒采樣系統(tǒng)由燃燒室、稀釋緩沖室及采樣系統(tǒng)3 部分組成（見圖1）。燃燒室采用程控工業(yè)管式電爐，煤樣燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)連接管收集進(jìn)入稀釋緩沖區(qū)稀釋降溫，然后采樣分析。

燃燒實(shí)驗(yàn)?zāi)M明燒與悶燒兩種燃燒狀態(tài)。明燒實(shí)驗(yàn)吊籃用100 目的篩網(wǎng)加工而成，為保證煤能充分燃燒，明燒實(shí)驗(yàn)時(shí)爐具對(duì)爐膛進(jìn)行送風(fēng)；悶燒實(shí)驗(yàn)采用設(shè)備厚度為3 mm 的鋼管加工制成自帶吊籃，該吊籃由厚度為3 mm 的鋼管加工制成，實(shí)驗(yàn)時(shí)爐具下方自然進(jìn)風(fēng)。不同煤種各選用明燒和悶燒兩種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

圖1 燃燒采樣系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sampling system diagram

1.4 樣品采集與分析方法

PM10采樣濾膜為φ47 mm 的玻纖濾膜，采樣前置于恒溫恒濕箱中，在溫度為（25 ± 0.5）℃，相對(duì)濕度為（50 ± 1）%的條件下平衡超過24 h，使用精度為10-4g 的天平稱重，采樣后放在相同的平衡條件下平衡超過24 h后稱重。煤樣放入燃燒爐中開始采樣，至爐內(nèi)煤樣完全燃盡，無煙煤和蜂窩煤繼續(xù)采樣30 min，煙煤繼續(xù)采樣15 min，以保證燃燒排放的污染物被完全采集。采樣后迅速將濾膜放到恒溫恒濕箱中，在相同條件下平衡超過24 h 后取出稱重，采樣前后濾膜質(zhì)量差值即采樣到PM10的質(zhì)量。氣體污染物濃度用英國(guó)凱恩公司生產(chǎn)的KM950 便攜式煙氣分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每個(gè)煤樣進(jìn)行2 次平行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)煙氣流速、煙氣中氣體污染物濃度以及耗煤量計(jì)算得到各氣態(tài)污染物（SO2、NOx）的排放因子。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒污染物排放

采集不同煤種明燒狀態(tài)時(shí)排放的顆粒物，通過測(cè)定濾膜上采集到的PM10顆粒物質(zhì)量，結(jié)合煤樣質(zhì)量，得出不同煤種燃燒后的排放因子見圖2。

圖2 不同煤種PM10排放因子及揮發(fā)分Fig.2 Emission factors of PM10 from different coals and volatile components

從圖2（a）可以看出，明燒時(shí)燃燒的顆粒物排放差別明顯。煙煤的PM10排放因子明顯高于無煙煤和蜂窩煤。煙煤的PM10排放因子分別達(dá)到17.65 和18.80 g/kg，無煙煤的PM10排放因子分別為3.75 和7.86 g/kg，蜂窩煤的PM10排放因子分別為1.57 和3.77 g/kg，煤球的PM10排放因子為3.42 g/kg，蜂窩煤和型煤的排放因子明顯低于煙煤，這可能與蜂窩煤和型煤在成型過程中加入粘結(jié)劑或其他成分有關(guān)，蜂窩煤或型煤在成型過程中，隨著粘結(jié)劑等的加入，煤樣的孔隙率變小，燃燒過程中發(fā)生破碎的幾率變小，所以顆粒物排放因子變小。由此可見采用型煤可有效降低民用散煤燃燒過程的可吸入顆粒物的排放。圖2（b）中可以看出，各煤種的排放因子與燃燒中揮發(fā)分含量都呈正相關(guān)。這可能是隨著煤樣揮發(fā)分增加，煤粒之間的粘結(jié)指數(shù)降低，導(dǎo)致燃燒過程中產(chǎn)生更多的顆粒物。散煤和型煤相比，由于型煤加工過程中隨著粘結(jié)劑的加入，煤粒之間的粘劑指數(shù)增加，所以可以減少燃燒過程中顆粒物的排放。另一方面，煤的來源不同，煤的煤化程度和加工方式不同，這可能是造成差異的主要原因。

2.2 氣態(tài)污染物

測(cè)定不同煤種明燒狀態(tài)時(shí)排放的SO2和氮氧化物的實(shí)時(shí)濃度，通過積分求得各污染物質(zhì)量，結(jié)合煤樣質(zhì)量，得出不同煤種燃燒后的SO2和氮氧化物排放因子見圖3。

圖3 不同煤種氣體污染物排放因子Fig.3 Emission factors of gaseous pollutants from different coals

圖3（a）為不同煤種明燒時(shí)SO2及氮氧化物的排放因子，為兩種煙煤和兩種無煙煤明燒時(shí)SO2排放因子與煤中硫含量的關(guān)系。從圖3（a）中可以看出，煙煤和無煙煤的SO2排放因子存在明顯差別，結(jié)合圖3（b）分析，可能與煤樣中本身硫含量差別明顯有關(guān)，圖3（b）中可以看出，散煤燃燒時(shí)SO2排放與煤樣中硫含量呈正相關(guān)。蜂窩煤和型煤的SO2排放因子整體低于煙煤和無煙煤，蜂窩煤的氣體污染排放因子更低于型煤，這可能是因?yàn)榉涓C煤和型煤在加工過程中，改變了煤粒之間的粘結(jié)特征，同時(shí)蜂窩煤的孔狀結(jié)構(gòu)改變了燃燒行為。從圖3（a）中可知不同煤種中散煤的NOx排放因子高于型煤，說明采用型煤有利于降低民用煤燃燒時(shí)對(duì)大氣污染的影響。

將本研究所得數(shù)據(jù)與已有的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體見表3。對(duì)比已有的文獻(xiàn)資料，不同煤質(zhì)、不同燃燒方式的各個(gè)指標(biāo)研究結(jié)果差異明顯。針對(duì)煙煤燃燒時(shí)PM10排放因子，孔少飛等［8］測(cè)得天津塊煤燃燒PM10排放因子為11.929 g/kg；嚴(yán)沁等［9］針對(duì)煙煤燃燒時(shí)PM10排放因子，測(cè)得新疆和內(nèi)蒙的煙煤明燒時(shí)分別達(dá)到30.43 和49.91 g/kg，遠(yuǎn)大于本研究結(jié)果；霍沫霖［10］測(cè)得城鎮(zhèn)生活用散煤PM10排放因子為2.21 g/kg；張琦等［12］測(cè)得煙煤PM2.5排放因子為2.4 g/kg；本研究測(cè)得產(chǎn)自河南和陜西兩地?zé)熋旱腜M10排放因子分別17.65 和18.80 g/kg。針對(duì)無煙煤燃燒PM10排放因子，嚴(yán)沁等［9］的研究結(jié)果為7.41 和8.59 g/kg；張琦等［12］測(cè)得無煙煤PM2.5排放因子僅有0.51 g/kg；本研究測(cè)得產(chǎn)自河南和山西晉城的無煙煤的PM10排放因子分別1.96 和1.27 g/kg。蜂窩煤和型煤燃燒時(shí)PM10排放因子也差異明顯，嚴(yán)沁等［9］研究不同產(chǎn)地蜂窩煤的PM10排放因子，最低4.33 g/kg，最高11.71 g/kg；孔少飛等［8］測(cè)得蜂窩煤燃燒PM10排放因子最低，為0.866 g/kg，與本研究結(jié)果的1.57 和3.66 g/kg 較為接近。綜上所述，說明煤質(zhì)不同對(duì)測(cè)定結(jié)果有顯著影響。

表3 與已有文獻(xiàn)排放因子的比較Tab.3 Comparison of emission factors with literatures/（g·kg-1）

2.3 不同燃燒狀態(tài)

2.3.1 不同燃燒狀態(tài)顆粒物排放對(duì)比 選取煙煤、無煙煤和蜂窩煤各一種，模擬明燒和悶燒兩種燃燒狀態(tài)，測(cè)得PM10排放因子見圖4。

由圖4可以看出，與明燒相比，3 種煤種在悶燒狀態(tài)時(shí)PM10的排放因子均有所降低。其中煙煤悶燒時(shí)PM10排放因子降低明顯，蜂窩煤悶燒時(shí)PM10排放因子變化不明顯，與明燒時(shí)排放稍有降低，這可能與悶燒時(shí)爐膛內(nèi)的供氧條件和通風(fēng)效率有關(guān)。由于散煤和蜂窩煤的結(jié)構(gòu)不同，蜂窩煤在加工過程中形成了許多小孔使其具有多孔的結(jié)構(gòu)，散煤的結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，通風(fēng)效果不如蜂窩煤，導(dǎo)致悶燒時(shí)對(duì)散煤的燃燒效率影響較大，從而導(dǎo)致顆粒物排放因子變化較蜂窩煤變化明顯。

圖4 不同燃燒狀態(tài)PM10排放因子Fig.4 Emission factors of PM10 from different combustion states

2.3.2 不同燃燒狀態(tài)氣態(tài)污染物排放對(duì)比 選取煙煤（HNY）、無煙煤（HNW）和蜂窩煤（HNF）各一種，模擬明燒和悶燒兩種燃燒狀態(tài)，測(cè)得SO2和NOx排放因子如圖5所示。

圖5 不同燃燒狀態(tài)氣體污染物排放因子Fig.5 Emission factors of gaseous pollutants from different combustion states

由圖5可以看出，同一種煤在不同燃燒狀態(tài)下SO2和NOx的排放因子變化不大。煙煤和無煙煤燃燒時(shí)SO2和NOx排放因子都明顯高于蜂窩煤。這可能是因?yàn)槊喝紵龝r(shí)SO2和NOx排放因子主要由煤種特性決定，與煤的產(chǎn)地、結(jié)構(gòu)和煤化程度相關(guān)，與散煤燃燒方式?jīng)]有明顯關(guān)系。

3 結(jié)論

民用燃煤中，煙煤燃燒顆粒物排放因子高于無煙煤和蜂窩煤或型煤。顆粒物排放因子主要與煤中揮發(fā)分含量有關(guān)；蜂窩煤或型煤能有效降低民用煤燃燒時(shí)的顆粒物排放。民用散煤的SO2和NOx排放因子高于蜂窩煤和型煤，主要與煤質(zhì)有關(guān)，SO2排放因子與煤中硫含量呈正相關(guān)。不同燃燒狀態(tài)對(duì)民用散煤燃燒顆粒物排放有影響，對(duì)SO2和NOx的排放因子沒有明顯影響。

蜂窩煤和煤球的排放因子明顯低于煙煤，說明采用型煤可有效降低民用散煤燃燒過程的可吸入顆粒物的排放。蜂窩煤或型煤能降低民用散煤燃燒時(shí)的污染物排放，結(jié)合我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，煤炭在農(nóng)村地區(qū)作為燃料在較長(zhǎng)一段時(shí)期不會(huì)被替代，采用型煤等清潔能源更能有效降低污染物排放。