民用煤燃烧排放物的理化研究

武通浩

(山西晋能控股煤业集团吕梁孝龙煤炭综合物流园(有限公司)，山西 孝义 032300)

1 实验准备

1.1 样品采集地

本研究共采样9 种煤炭，烟煤来自山西省的大同、长治和阳泉，河南省的平顶山，内蒙古的鄂尔多斯，燃煤工具选用典型的家用炉型。共有 5组烟煤(块煤)、2 组无烟煤(块煤)、2 组蜂窝煤和 1组煤球，本研究主要讨论不同煤种燃烧排放的细颗粒物的理化特征，原煤组分分析结果见表1。

表1 原煤的煤质信息

1.2 仪器与设备

在模拟平台就行研究所需实验[1-2]，具体实验装置结构见图1；对民用煤燃烧后的颗粒排放物进行系统收集，并对其理化特性进行全面科学分析。

图1 采样实验仪器

1.3 其他采样监测仪器

在本研究实验过程中应用不同的检测设备对相应的燃煤排放物进行科学检测，其中测试范围包括包括PM2.5质量浓度、稀释烟气CO2浓度、烟道流速及流量等[3-4]，具体信息列于表2中。

表2 其他采样设备监测仪器

本研究在实验室模拟民用煤燃烧的过程中，使用蜂窝煤作为待测煤样的点火材料，在室外点燃蜂窝煤，直至其不再产生可见烟雾。然后，在本实验中，将蜂窝煤放入用于燃烧民用煤的炉子中，加热炉膛，并将炉子放入大的燃烧室中。同时，利用粉尘追踪仪对细颗粒背景浓度进行了约20分钟的测量，结果表明细颗粒浓度小于5 μg/m3，因此本研究中蜂窝煤作为点火材料对民用煤样燃烧的影响可以忽略不计。首先根据数据配置后，把测量好的煤倒进燃烧炉内；其次把在线污染气体检测设备打开，通过明烧和闷烧的过程，捕捉煤充分燃烧的火焰情况和产生的颗粒物浓度，数据进行计算统计；最后按比例对民用煤燃烧产生的烟气进行稀释采样，获得准确的采样数据。

2 过滤样品分析

2.1 热光反射碳分析

采用热光反射碳分析仪，对民用燃煤排放的细颗粒物中含碳成分的含量进行定量测量[5]，每天进行样品测试前，仪器都应进行校准。采用改良分析协议中规定的热光反射法，EC和OC的分析采用从滤膜截取的面积为0.279 cm2的圆形滤膜。在纯氦条件下进行过程分析，样品在130 ℃ (OC1)、260 ℃ (OC2)、460 ℃ (OC3)和560 ℃(OC4)下加热5次，然后在3%O2存在下从560 ℃ (EC1)、700 ℃ (EC2)和800 ℃加热，在不同温度下产生的气体在二氧化锰催化下生成CO2，最后在还原条件下转化为CH4。用火焰离子检测器测定碳含量。在纯氦环境下，一些有机碳在加热过程中被热解成炭黑，并用氦-氖激光光度计检测其含量。将样品排列分组，从每组中随机选择一个样品进行二次检测。如果第二次测得的总有机碳和总有机碳之和与第一次测得的总有机碳和总有机碳之和的相对偏差小于4%，总有机碳和总有机碳的相对偏差小于9%，则表明分析结果是有效的，本次实验测试的样品是合格的。

2.2 离子色谱分析原理及质量控制

表3 最低检出限值

3 所选样品燃烧排放特征分析

本研究采用了9种民用煤进行燃烧实验，对此排放物进行科学监测。首先对所收集排放物中的碳组分的特质进行分析；其次，选取五种烟煤进行分阶段燃烧，对其中的OC/EC数值进行统计并分析相应的[6]。碳组分特质。

3.1 样品中 TC、OC、EC 的排放特征

对九种不同民用煤原料进行燃烧试验，随后对各自相应的排放物中细颗粒进行分析，主要进行碳组分分析，能够得到一系列有价值的科学数据，列于表4中。

表4 九种不同民用煤碳组分析结果

3.2 7种碳组分的排放特征

对九种本研究所选用的民用煤所有样品燃烧排放物进行科学量化特征分析，结果数据列于表5中。7#、8#以及9#样品中并未检测到OC1，故而数值标记为零，表明其数值低于仪器可检测到的下线数值。

表5 全部样品中碳组比例

对四种不同的民用煤(烟煤、无烟煤、蜂窝煤及煤球)进行燃烧实验，并对各自排放物进行分析，所得结果数据如表6所示。

表6 四种种碳组分所占平均比例

由表6数据可知，对比四种不同类型民用煤，烟煤经燃烧后所排放的PM2.5中检测到最多的含碳量，而且能够发现烟煤燃烧的排放物中对大气PM2.5中 EC、OC的贡献较大。而其他三种煤中EC占PM2.5的百分比均低于大气颗粒物中EC的质量分数。

4 水溶性无机离子排放特征

本研究计算了9种民用煤排放的PM2.5中水溶性无机离子的平均百分比，收集研究了四种不同煤型(烟煤、无烟煤、蜂窝煤和型煤)燃烧后的产物，分析产物中九种不同类型能够溶于水的无机离子(包括阳离子和阴离子)的特性。图2为四种烟煤燃烧产物PM2.5中九种离子的具体分布情况[7]。

图2 不同燃煤源全样样品中 9 种水溶性离子的平均比例

分析图2结果可得到如下结论：

(4)统计四种不同煤型燃烧后排放烟中PM2.5中硝酸根离子/硫酸根离子，其比值均低于1；而四种煤型燃烧排放的氮氧化物也不尽相同，煤球含量最高，蜂窝煤含量次之，烟煤中含量为第三，无烟煤含量最低。

5 无机元素的排放特征

对九种民用煤燃烧排放后产生的细颗粒物中无机元素进行量化统计和分析，主要发现存在19类无机元素，而其中13种重金属元素含量整体较少，本节将分两个方面进行讨论：无机元素、重金属元素，具体量化统计结果分别列于图3和表7中。

5.1 无机元素占 PM2.5的百分比

(1)统计结果可以看出PM2.5中无机元素的占比在不同煤型中并不相同，煤球中无机元素百分比高于烟煤和无烟煤，但少于蜂窝煤。柱状图中可以看出7#民用煤然后后排放的无机元素占 PM2.5的比例最高(1.8%)，1#民用煤比例最低(0.25%)。

图3 无机元素占PM2.5的百分比

(2)根据13种重金属元素铬、锰、铁、钴、镍、铜、镓、砷、铷、银、铯、钡和铋在民用燃煤重金属排放总量中的百分比，9种煤样中铁、砷和钡的含量相对较高，铁、砷和钡的总量占重金属总量的在59.89%～81%，同时银、铯、铋和钴的含量较低，银、铯、铋和钴的总量占0.51%～2.30%其他六种重金属元素占总重金属含量的15.98%～41.89%。

5.2 无机元素的相对含量

因为PM2.5中无机元素的百分比较低，因而本研究讨论重金属元素之间、其他无机元素之间的相对含量。

表7 重金属元素的相对含量

6 结 论

本研究利用实验室模拟采样测试系统和民用煤燃烧模式的实验室模拟，采集了4种民用煤(9种煤样)，并采用分阶段的方法对对四种不同煤型进行燃烧实验，以收集各自对应的烧排放中的细颗粒物。采用科学方法量化统计不同燃煤源燃烧后产生的排放物的中微量元素、水溶性无机离子、有机碳和元素碳等数据，并分析数据得到不同煤型的燃烧产物污染特征。得到的结论如下：

(1)四种煤型中烟煤燃烧后收集的排放物中PM2.5中总碳比例最高，占比范围为46.75%～70.13%，而无烟煤该项数据范围为11.01%～18.12%之间，蜂窝煤此项数据范围则为10.11%～21.98%之间，煤球的数据是17.92%；

(2)对九种民用煤燃烧后的PM2.5中19种无机元素含量占比含量进行统计和分析发现，的百分比为煤球>烟煤、煤球>无烟煤，煤球低于蜂窝煤。通过对比19种无机元素分别占不同燃煤源的百分比，占比在不同煤型中并不相同，煤球中无机元素百分比高于烟煤和无烟煤，但少于蜂窝煤。柱状图中可以看出7#民用煤然后后排放的无机元素占PM2.5的比例最高(1.8%)，1#民用煤比例最低(0.25%)。鉴于此，需要多角度、多层次综合评价加工过的煤炭的质量，不能单指标一维地得出结论。