兖矿洁净型煤关键技术探索

王国栋，周 彪，马军民，张号官，刘鑫鑫

(兖煤蓝天清洁能源有限公司，山东 邹城 273500)

1 概 述

我国是当今世界第一产煤大国，煤炭产量占全球35%以上。我国也是世界煤炭消费量最大的国家[1]。煤炭一直是我国的主要能源和重要原料，然而面对如此大的煤炭用量，我国的无烟煤储量仅占7.9%。在我国1.6亿户农村居民家庭中，约9 300万户采用分散采暖[2]，其中燃煤采暖约6 600万户，每年散煤使用量约2亿t。有近80%的居民燃用劣质散煤，不但量大面广，低空排放，而且使用低效炉具，污染严重。对此，专家认为，农村燃烧散煤是重要的大气污染源之一。

由于我国地域广阔，气候差异大，各地居民生活习俗有差异，除了使用商品化炉具外，仍有34%的居民采用炕连灶、土暖气、考火盆等自制设施，粗放式燃烧煤炭和生物质等固体燃料采暖[3]。这些采暖方式热效率低，造成的大气污染问题也不可小视。

要想减少污染物排放，必须从源头上治理，用清洁燃料替代原煤直接使用。兖矿洁净型煤是烟煤转换的产品，将烟煤磨成粉合理级配后添加活性添加剂干压成型。该产品有效改善了煤炭燃烧性能，较好地解决了环保问题，是煤炭清洁利用值得推广的一项新技术。

2 主要研发内容

2.1 传统型煤的缺点

目前，多地市采用兰炭和无烟煤加工成型煤，用作散煤治理的主要方式。由于兰炭采用低硫褐煤制取，生产过程有二次污染，并且消耗大量新鲜水资源，且生产能力小，成本高，质量不稳定[4]；还存在不易点燃、不耐烧、烟尘排放浓度高、容易结焦(灰熔点不大于1 200 ℃)等问题[5]。无烟型煤由于受无烟煤储量的限制，原料来源窄，破碎后的煤粉粒径在0～3 mm，充分燃烧的时间过长，加工时还需要粘合剂。

2.2 烟煤的清洁利用

洁净煤工艺是指从煤炭开发到利用的全过程，旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化及污染控制等新技术。我国烟煤储藏量占总储量的92%以上，含量丰富。因此，充分利用洁净煤工艺，达到烟煤利用的洁净化是目前需要解决的问题[6]。

3 关键技术及创新点

兖矿洁净型煤技术如图1所示，利用含硫量不同的两种烟煤煤粉，按照一定比例混合后添加多种添加剂，采用大功率压球机干压成型。烟煤洁净利用的过程需要研究的关键技术为：

(1)基于烟煤特性而研发的固硫、固灰、高效燃烧的复合添加剂[7]；

(2)煤粉与添加剂的粒度对型煤燃烧时间和底渣含碳量的影响。

图1 兖矿集团烟煤清洁利用技术

4 试验方法及数据

4.1 实验室试验

连续全周期测试洁净煤燃烧的热效率，环保特性(烟尘，SO2，NOx，CO)，底渣特性(燃尽率，固硫率)。试验炉具测试示意见图2。

图2 试验炉具测试示意

试验时，为了减小点火带来的额外污染物对测试造成的误差，炉具中设置水循环，外接暖气片，通过水循环与外界的热量交换带出热量，使炉具正常工作，防止箱体内温度过高。按照正常生火流程点燃炉具后，将煤样加满炉膛，待燃烧稳定不冒烟后，将烟枪插入烟囱中烟气测点位置，开始对烟气污染物进行实时测试，并多次记录热工性能。

测试炊事炉具时，可采用煮水法，实验时记录点火时间、结束时间和燃料重量等参数。在此期间进行在线监测或离线采样，同时用皮托管等方法测定管段内实际烟气流量，以确定环保特性。燃料燃尽后收集余灰，观察并称重。

烟气在线检测点设在炉膛与烟囱连接点上方1.5 m左右。若测点温度低于130 ℃，则需降低测点位置，以满足测点温度不低于130 ℃。采样探头插入至烟囱截面圆心位置，并确保探头插入点密封良好，无漏风。烟气分析使用便携式烟气分析仪。烟气分析记录从炉具开始生火后1 h开始，测试时间要求大于8 h。试验过程包括加煤、排渣、掏灰等操作工况全过程，保证采样连续性，不允许人为中断测试过程。每小时采样时间大于45 min，夜晚封火过程不计入采样时间。

测试前需利用不同污染物(SO2、NOx、CO等)标准气体对烟气分析仪进行标定，确保烟气分析仪测试结果的准确性。污染物浓度小于10 ppm，标定误差不得超过1 ppm；污染物浓度在11～50 ppm之间，标定误差不得超过3 ppm；污染物浓度在51～100 ppm，标定误差不得超过5 ppm；污染物浓度大于100 ppm，标定误差不得超过10 ppm[8]。

4.2 实验室试验结果分析

4.2.1 热效率

试验开锅后，对水持续加热30 min，根据水蒸气蒸发量可计算出炉具的炊事火力强度。经实际测试，3 kg开水在30 min内，蒸发量约为1.7 kg左右。根据计算，炉具炊事火力强度可达2.2 kW左右，符合国家标准，高于市面上所有炊事炉具平均火力强度。

4.2.2 环保特性

(1)不同煤种燃烧时的烟尘排放浓度。从图3可以看出，高硫煤、混煤散煤的烟尘排放浓度最高，随燃烧时间的推移排放量缓慢降低，在加煤45 min后依然高达1 000 mg/m3。兰炭的烟尘排放浓度仅次于散煤，在加煤25 min后才降至1 000 mg/m3以下。而兖矿型煤在加煤15 min后烟尘排放浓度已降至100 mg/m3以下，说明型煤具有良好的固尘效果，其燃烧烟尘排放浓度在15 min以后无限接近无烟煤散煤和无烟煤型煤，这是因为独特的成型工艺使型煤不同于散煤。

图3 不同煤种燃烧时的烟尘排放曲线示意

(2)不同煤种燃烧污染物排放浓度对比。从图4(数据来源于山东省环境监测设计研究院)可以看出，兖矿型煤在SO2排放浓度方面远低于其制作原料烟煤散煤，体现出了良好的固硫效果，其实际SO2排放浓度基本与市面上出售的优质无烟煤散煤与含硫量0.22%的兰炭持平，相当于0.3%以下含硫量煤种的SO2排放浓度。从NOx排放浓度方面看，兖矿型煤低于优质无烟煤散煤与原料烟煤散煤，高于兰炭，这是由于兰炭中挥发氮较低的缘故。

图4 污染物排放对比示意

(3)底渣特性。从表1可以看出，兖矿洁净型煤燃烧后底渣含碳量极低，说明目前调配的添加剂和煤粉粒度，经过比例混合后能够充分燃烧。

表1 不同煤种燃烧后的底渣对比

5 结 论

实验数据对比分析表明，兖矿洁净型煤在污染物排放指标和底渣含碳量等方面都有较好的指标数据。推广应用洁净型煤，是推进煤炭高效清洁利用、减少大气污染的有效途径之一。