民用煤燃烧污染物排放因子研究

刘君侠，刘琼玉，程晋俊，叶 巡，梁志发

（江汉大学 工业烟尘污染控制湖北省重点实验室，湖北 武汉 430056）

近年来，大气污染一直是公众和决策者高度关注的问题，其中又以雾霾问题最受关注，但受中国能源结构特点限制，由煤炭燃烧特别是民用散煤燃烧引起的大气污染依然存在。我国能源储备特点是富煤缺油少气，能源消耗特点是严重依赖煤炭，煤炭消费占初级能源消费的70%左右，并且这一状况会持续很长一段时期。在煤炭消费领域，民用煤通常用于生火做饭或取暖等，表现为粗效和低能效的燃烧方式，燃烧效率低，缺乏相应的排放控制措施，单位质量民用燃煤排放远大于工业锅炉有组织污染物排放，对大气污染的贡献也远远大于工业活动的贡献。农村地区尤其北方农村取暖季，多在室内燃烧，排放大多采用低矮的面源排放，对居民身体的影响更加严重。研究表明，目前室内固体燃料燃烧排放的PM2.5和PM10分别占到燃料燃烧总排放的34.6%和25.4%［1］，燃煤源PM10排放对大气可吸入颗粒物的贡献率年平均为7.9% ～30%，北方采暖季的贡献率更高，达到8.8% ～59%［2］。PM2.5和PM10浓度的短期升高与抑郁住院风险的增加显著相关［3］，PM10、二氧化氮（NO2）和臭氧水平的增加可能会增加老年人的抑郁症状［4-5］。本研究基于稀释采样原理，选取民用散煤的不同形态，模拟居民散煤燃烧，测量不同煤种在不同燃烧状态下的大气可吸入颗粒物排放浓度，对散煤燃烧烟气中的SO2和氮氧化物（NOx）浓度进行实时监测，计算污染物排放因子，探讨不同煤种及不同燃烧状态下污染物排放因子，有利于补充民用煤燃烧污染物排放的有关资料，为实施煤炭清洁利用措施提供参考资料。

1 材料与方法

1.1 样品来源

本研究共选用7 个煤种，包括2 种烟煤、2 种无烟煤、2 种蜂窝煤和1 种型煤。2 种烟煤分别来自河南平顶山七矿（HNY）和陕西鸿海物流有限责任公司（HHY）；2 种无烟煤分别来自平顶山天安煤业股份有限公司（HNW）和山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司（JCW）；2 种蜂窝煤分别来自武汉市售蜂窝煤（WHF）和河南安阳蜂窝煤（HNF）；型煤为陕西榆林煤球（YLX）。7 个煤种的煤质分析见表1。表1中烟煤和无烟煤的数据由煤种供应方提供，蜂窝煤和型煤数据按照GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》［6］和GB/T 213—2008《煤的发热量测定方法》［7］的规定测定。

表1 煤质分析结果Tab.1 Analysis results of coal quality

1.2 主要仪器与试剂

本研究所用的主要仪器设备见表2。

表2 主要仪器设备和生产厂家Tab.2 Main experimental instruments and manufacturers

1.3 燃烧采样系统

燃烧采样系统由燃烧室、稀释缓冲室及采样系统3 部分组成（见图1）。燃烧室采用程控工业管式电炉，煤样燃烧产生的烟气经连接管收集进入稀释缓冲区稀释降温，然后采样分析。

燃烧实验模拟明烧与闷烧两种燃烧状态。明烧实验吊篮用100 目的筛网加工而成，为保证煤能充分燃烧，明烧实验时炉具对炉膛进行送风；闷烧实验采用设备厚度为3 mm 的钢管加工制成自带吊篮，该吊篮由厚度为3 mm 的钢管加工制成，实验时炉具下方自然进风。不同煤种各选用明烧和闷烧两种方式进行实验对比。

图1 燃烧采样系统示意图Fig.1 Sampling system diagram

1.4 样品采集与分析方法

PM10采样滤膜为φ47 mm 的玻纤滤膜，采样前置于恒温恒湿箱中，在温度为（25 ± 0.5）℃，相对湿度为（50 ± 1）%的条件下平衡超过24 h，使用精度为10-4g 的天平称重，采样后放在相同的平衡条件下平衡超过24 h后称重。煤样放入燃烧炉中开始采样，至炉内煤样完全燃尽，无烟煤和蜂窝煤继续采样30 min，烟煤继续采样15 min，以保证燃烧排放的污染物被完全采集。采样后迅速将滤膜放到恒温恒湿箱中，在相同条件下平衡超过24 h 后取出称重，采样前后滤膜质量差值即采样到PM10的质量。气体污染物浓度用英国凯恩公司生产的KM950 便携式烟气分析仪进行监测。每个煤样进行2 次平行实验，根据烟气流速、烟气中气体污染物浓度以及耗煤量计算得到各气态污染物（SO2、NOx）的排放因子。

2 结果与讨论

2.1 颗粒污染物排放

采集不同煤种明烧状态时排放的颗粒物，通过测定滤膜上采集到的PM10颗粒物质量，结合煤样质量，得出不同煤种燃烧后的排放因子见图2。

图2 不同煤种PM10排放因子及挥发分Fig.2 Emission factors of PM10 from different coals and volatile components

从图2（a）可以看出，明烧时燃烧的颗粒物排放差别明显。烟煤的PM10排放因子明显高于无烟煤和蜂窝煤。烟煤的PM10排放因子分别达到17.65 和18.80 g/kg，无烟煤的PM10排放因子分别为3.75 和7.86 g/kg，蜂窝煤的PM10排放因子分别为1.57 和3.77 g/kg，煤球的PM10排放因子为3.42 g/kg，蜂窝煤和型煤的排放因子明显低于烟煤，这可能与蜂窝煤和型煤在成型过程中加入粘结剂或其他成分有关，蜂窝煤或型煤在成型过程中，随着粘结剂等的加入，煤样的孔隙率变小，燃烧过程中发生破碎的几率变小，所以颗粒物排放因子变小。由此可见采用型煤可有效降低民用散煤燃烧过程的可吸入颗粒物的排放。图2（b）中可以看出，各煤种的排放因子与燃烧中挥发分含量都呈正相关。这可能是随着煤样挥发分增加，煤粒之间的粘结指数降低，导致燃烧过程中产生更多的颗粒物。散煤和型煤相比，由于型煤加工过程中随着粘结剂的加入，煤粒之间的粘剂指数增加，所以可以减少燃烧过程中颗粒物的排放。另一方面，煤的来源不同，煤的煤化程度和加工方式不同，这可能是造成差异的主要原因。

2.2 气态污染物

测定不同煤种明烧状态时排放的SO2和氮氧化物的实时浓度，通过积分求得各污染物质量，结合煤样质量，得出不同煤种燃烧后的SO2和氮氧化物排放因子见图3。

图3 不同煤种气体污染物排放因子Fig.3 Emission factors of gaseous pollutants from different coals

图3（a）为不同煤种明烧时SO2及氮氧化物的排放因子，为两种烟煤和两种无烟煤明烧时SO2排放因子与煤中硫含量的关系。从图3（a）中可以看出，烟煤和无烟煤的SO2排放因子存在明显差别，结合图3（b）分析，可能与煤样中本身硫含量差别明显有关，图3（b）中可以看出，散煤燃烧时SO2排放与煤样中硫含量呈正相关。蜂窝煤和型煤的SO2排放因子整体低于烟煤和无烟煤，蜂窝煤的气体污染排放因子更低于型煤，这可能是因为蜂窝煤和型煤在加工过程中，改变了煤粒之间的粘结特征，同时蜂窝煤的孔状结构改变了燃烧行为。从图3（a）中可知不同煤种中散煤的NOx排放因子高于型煤，说明采用型煤有利于降低民用煤燃烧时对大气污染的影响。

将本研究所得数据与已有的文献数据进行对比，具体见表3。对比已有的文献资料，不同煤质、不同燃烧方式的各个指标研究结果差异明显。针对烟煤燃烧时PM10排放因子，孔少飞等［8］测得天津块煤燃烧PM10排放因子为11.929 g/kg；严沁等［9］针对烟煤燃烧时PM10排放因子，测得新疆和内蒙的烟煤明烧时分别达到30.43 和49.91 g/kg，远大于本研究结果；霍沫霖［10］测得城镇生活用散煤PM10排放因子为2.21 g/kg；张琦等［12］测得烟煤PM2.5排放因子为2.4 g/kg；本研究测得产自河南和陕西两地烟煤的PM10排放因子分别17.65 和18.80 g/kg。针对无烟煤燃烧PM10排放因子，严沁等［9］的研究结果为7.41 和8.59 g/kg；张琦等［12］测得无烟煤PM2.5排放因子仅有0.51 g/kg；本研究测得产自河南和山西晋城的无烟煤的PM10排放因子分别1.96 和1.27 g/kg。蜂窝煤和型煤燃烧时PM10排放因子也差异明显，严沁等［9］研究不同产地蜂窝煤的PM10排放因子，最低4.33 g/kg，最高11.71 g/kg；孔少飞等［8］测得蜂窝煤燃烧PM10排放因子最低，为0.866 g/kg，与本研究结果的1.57 和3.66 g/kg 较为接近。综上所述，说明煤质不同对测定结果有显著影响。

表3 与已有文献排放因子的比较Tab.3 Comparison of emission factors with literatures/（g·kg-1）

2.3 不同燃烧状态

2.3.1 不同燃烧状态颗粒物排放对比 选取烟煤、无烟煤和蜂窝煤各一种，模拟明烧和闷烧两种燃烧状态，测得PM10排放因子见图4。

由图4可以看出，与明烧相比，3 种煤种在闷烧状态时PM10的排放因子均有所降低。其中烟煤闷烧时PM10排放因子降低明显，蜂窝煤闷烧时PM10排放因子变化不明显，与明烧时排放稍有降低，这可能与闷烧时炉膛内的供氧条件和通风效率有关。由于散煤和蜂窝煤的结构不同，蜂窝煤在加工过程中形成了许多小孔使其具有多孔的结构，散煤的结构比较密实，通风效果不如蜂窝煤，导致闷烧时对散煤的燃烧效率影响较大，从而导致颗粒物排放因子变化较蜂窝煤变化明显。

图4 不同燃烧状态PM10排放因子Fig.4 Emission factors of PM10 from different combustion states

2.3.2 不同燃烧状态气态污染物排放对比 选取烟煤（HNY）、无烟煤（HNW）和蜂窝煤（HNF）各一种，模拟明烧和闷烧两种燃烧状态，测得SO2和NOx排放因子如图5所示。

图5 不同燃烧状态气体污染物排放因子Fig.5 Emission factors of gaseous pollutants from different combustion states

由图5可以看出，同一种煤在不同燃烧状态下SO2和NOx的排放因子变化不大。烟煤和无烟煤燃烧时SO2和NOx排放因子都明显高于蜂窝煤。这可能是因为煤燃烧时SO2和NOx排放因子主要由煤种特性决定，与煤的产地、结构和煤化程度相关，与散煤燃烧方式没有明显关系。

3 结论

民用燃煤中，烟煤燃烧颗粒物排放因子高于无烟煤和蜂窝煤或型煤。颗粒物排放因子主要与煤中挥发分含量有关；蜂窝煤或型煤能有效降低民用煤燃烧时的颗粒物排放。民用散煤的SO2和NOx排放因子高于蜂窝煤和型煤，主要与煤质有关，SO2排放因子与煤中硫含量呈正相关。不同燃烧状态对民用散煤燃烧颗粒物排放有影响，对SO2和NOx的排放因子没有明显影响。

蜂窝煤和煤球的排放因子明显低于烟煤，说明采用型煤可有效降低民用散煤燃烧过程的可吸入颗粒物的排放。蜂窝煤或型煤能降低民用散煤燃烧时的污染物排放，结合我国的能源结构，煤炭在农村地区作为燃料在较长一段时期不会被替代，采用型煤等清洁能源更能有效降低污染物排放。