兰炭与不同煤种燃烧时污染物排放量对比研究

刘军利，王玉飞，闫 龙，李 健

(1.神木市三江煤化工有限责任公司；2.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室； 3.榆林学院化学与化工学院，陕西 榆林 719000)

近十年来，雾霾遍布了我国华北、华南、江南等地区，部分地区的中小学生因雾霾天气停止课外活动，甚至停课，部分免疫力差的人因雾霾天气引起一些疾病，雾霾给人们的生活带了很多不便。燃煤是 PM2.5的主要来源，是产生雾霾主要因素之一，而民用散烧煤低效利用，无组织排放且排放量巨大，是治理雾霾的难点之一[1]。同时，煤炭在燃烧过程中还会向大气环境释放大量 SO2、NOx等污染气体。然而，煤炭依然是我国能源消费的主体，约占能源消费总量的60.4%[2-3]。所以，对煤炭燃烧污染物的排放研究是义不容辞的。本文经过不同煤种燃烧时污染物排放量对比研究，将烟煤和部分无烟煤加工成兰炭，不仅可以促进兰炭产业快速发展和烟煤的高效利用，还可望有效解决雾霾、空气质量等环境污染问题[4]。

1 不同煤种基本特性及产业情况

1.1 基本性质分析

神木烟煤、兰炭、晋城无烟煤的工业分析、热值分析和元素分析见表1、表2。

表1 工业分析和热值分析结果

表2 元素分析结果

由表1和表2可知，神木烟煤挥发分为30.44%，兰炭挥发分8.70%，从煤到兰炭挥发分降低了约22%，同时也降低了硫、氮含量，说明在制备兰炭过程中部分有害物质随挥发分析出，得到了部分脱除。兰炭固定碳高，热值相比于神木煤却略有降低，这是因为兰炭灰分高。研究认为高灰分及高惰性组含量的煤，容易形成大量细粒飞灰。试验发现，随煤样灰分含量的增加，PM2.5和PM10的排放量也增大。兰炭的挥发分、灰分约为8%，该结果与晋城无烟煤相近，因此兰炭燃烧过程中颗粒物排放较少。兰炭热值较高，为26.87 MJ/kg，高于晋城无烟煤。综合以上结果可以得出，兰炭燃烧颗粒物的排放优于晋城无烟煤。

1.2 硫形态与含量分析

神木烟煤、兰炭形态硫分析结果见表3。

表3 形态硫分析结果

由表3可知，神木烟煤经过干馏热解得到的兰炭总硫含量较低，可以脱除34.7%的硫。兰炭中无机硫约占60%，其中硫酸盐硫含量较高，是由于神木烟煤在热解制兰炭过程中，煤中所含硫化物硫被一些含氧官能团所氧化，形成硫酸盐。

1.3 兰炭产业情况

兰炭，也称半焦，具有固定碳高、比电阻高、反应性高、发热量高、特低硫、特低铝、特低磷等优良特点[5]。

我国兰炭生产始于神木市，榆林神木兰炭产业经过二十多年的发展，目前全国兰炭建成产能接近1亿吨，主要集中在榆林神木和新疆哈密、内蒙古鄂尔多斯、宁夏等地，实际产量 5 000万t左右。榆林市煤炭资源储量2 714亿t，探明储量1 377.4亿t，煤质属特低灰、特低硫、特低磷、高挥发分、高含油率、中高发热量的长焰煤和不粘煤，是生产兰炭的最佳原料。兰炭产业成为榆林最大的煤化工产业和地方经济的重要支柱，逐步进入清洁生产、循环利用的新阶段。届时兰炭品质将进一步提高，市场供应能力和市场竞争力都将大幅度提升。兰炭产业具有独特的优势，但目前处于发展的初级阶段，不仅需要科学技术的匹配升级，还需要政府提供相应的扶持政策，促进整个行业快速、稳定、科学发展[6]。

2 兰炭替代原煤的效果分析

2.1 兰炭燃烧的主要污染物排放测试

2.1.1 测试系统

测试的炉具为北方地区家庭“土暖气”最常见的样式，同时，为了保证测试准确性，尽可能避免测试系统带来的不确定性，简化测试的程序，决定采用基于碳平衡的测试原理，完成测定。

图1是测试使用的炉具及主要仪器，主要仪器包括烟气分析仪及PM2.5滤膜采样器，其中烟气分析仪用于完成烟气中CO2、CO、NOx、SO2及烟气温度等的测试，滤膜采样器用于完成PM2.5的石英滤膜采集，滤膜大小为φ47 mm，采样流速5 L/min，自动变频以保证稳定流速，一旦达不到设定流速时，立即更换滤膜。

图1 炉具及主要监测采样设备

2.1.2 测试原理

采用碳平衡原理。其基本理论为：随着煤的燃烧，C被消耗，其它污染物也同时形成。碳在燃烧前后保持质量平衡，如式(1)。

Cf-Ca=CCO2+CCO+CCH4+CTNMHC+CP

(1)

其中，Cf为燃料中碳质量；Ca为未燃尽物中的碳质量；CCO2、CCO、CCH4、CTNMHC、CP分别为CO2、CO、CH4、TMHC、颗粒物中的碳质量。式(1)中已经假定，非甲烷烃及甲烷以外的有机气体中所含的C可以忽略。

使用碳平衡法的优点是只需要测量相互的排放比率，而不用知道精确排放物的碳质量，也不用知道稀释了多少倍。

具体应用时，需要从几个方面完善及简化这个过程。第一，考虑到在煤燃烧过程中，主要的碳排放为CO2及CO，其它碳组分较少，因而，计算时，可以近似不考虑其它组分；第二，为了避免引燃材料带来的可能影响，需要尽量加大煤的使用量，使煤量远超过引燃材料(比如木炭、无水乙醇)的重量，同时这也有利于减少引燃材料某些排放的影响；第三，各排放物质均是整个燃烧过程的平均值。

2.1.3 测试结果

测试了兰炭、兰炭型煤、部分市售型煤(煤球)、无烟煤等样品，主要涉及PM2.5、SO2、总颗粒碳TC，如表4。从测试结果来看，兰炭比其原料煤PM2.5排放降低了约85%，总颗粒碳降低了87%，在PM2.5排放方面接近晋城无烟煤。兰炭型煤更有优越性，PM2.5排放比兰炭块再降低36%，未燃尽颗粒碳降低96%。

表4 PM2.5及颗粒碳的排放因子

图2是排放测试结果。从图中可以看出，对兰炭的进一步加工(兰炭型煤)有利于实现更清洁的燃烧。随着对排放标准的要求日益严格，环保型煤技术逐渐成为主流[7]。

图2 排放测试结果

2.2 排放因子及排放清单

2.2.1 实例

上述测试证明了兰炭及其型煤可以降低以PM2.5为代表的污染物排放。近年的不少测试都表明，兰炭的减排作用是必然的。典型的例子有2个：第一，中科院西安地环所的测试及报道。据陕西日报2015年7月31日报道，“中科院地球环境研究所历经两个月的研究实验，做出了《榆林兰炭与原煤民用燃烧排放因子对比分析报告》，结论显示，在PM2.5排放上，传统兰炭比洗块煤降低75%，升级版兰炭降低90%以上；在对人体健康影响最大的多环芳烃排放上，传统兰炭较洗块煤排放降低80%以上，升级版兰炭降低97%以上”。

第二，在测试和总结公开数据的基础上，2016年环保部发布了《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[8]，其中给出包括兰炭在内的不同煤种和煤型的主要染污物排放因子推荐值，如表5所示。

表5 不同煤种和煤型的主要污染物排放因子推荐值

2.2.2 原因分析

兰炭之所以比普通烟煤散煤有较低的排放因子，根本原因在于制作兰炭过程中，降低了其中的挥发分，而挥发分是区分烟煤/无烟煤的主导指标。已有的研究反复表明，挥发分是决定散煤颗粒物(如PM2.5)排放因子的关键内在因素[9-11]。同时在干馏过程中，会降低部分原料性S和N的存在，从而减少原料型SO2及NOx的生成。从以上角度来看，通过干馏形成兰炭是实现煤炭清洁利用的重要手段，值得在煤炭清洁、高效、全价值链开发利用环节中加以重视。

2.3 兰炭与不同煤种户外试烧对比试验

选取神木煤、晋城无烟煤、汝箕沟无烟煤和榆林优质兰炭为研究对象，对其进行了工业分析。实验所用炉型有农村灶台、陕北民用燃煤炉和北京民用燃煤炉。实验仪器有德国rbr公司—益康ecom-EN2便携式精密烟气分析仪和美国lighthouse HANDHELD 3016IAQPM2.5测试仪等(见图3)。

图3 EN2精密烟气分析仪和 HANDHELD 3016 IAQ微粒计数仪

2.3.1 兰炭与其他煤种燃烧现场排放对比

图4为兰炭、无烟煤和神木烟煤在不同的炉具中进行户外现场试烧对比图，图中A为农村灶台，B为陕北民用燃煤炉，C为北京民用燃煤炉。图中可以清晰的看出烟煤燃烧时排放出大量浓烟，对大气造成了非常严重的污染，而兰炭燃烧后排放出的有害气体很少，甚至略优于无烟煤的燃烧排放，不同炉型中都有不同程度的直观体现。

图4 不同样品在不同炉具中户外试烧对比实验

不同煤种在不同炉具中户外试烧颗粒物排放检测结果见表6，有害气体检测结果见表7，从表中可以看出，相同煤种所使用的炉具不同时测出的结果不同，兰炭与无烟煤的颗粒物、有害气体排放量远低于烟煤。

表6 不同煤种燃烧颗粒物排放检测结果

表7 不同煤种燃烧产生的有害气体检测结果

2.3.2 兰炭与其他煤种燃烧现场排放对比

图5是不同样品分别在北京民用燃煤炉、陕北燃煤炉、农村灶台3种炉具中进行燃烧试验的颗粒物排放检测结果。从图中可以看出，兰炭在北京民用燃煤炉中燃烧排放的TPM(总颗粒物)和PM2.5浓度不仅远远低于神木煤，还远低于晋城无烟煤；兰炭在陕北燃煤炉中燃烧排放的TPM和PM2.5浓度远低于神木煤和汝箕沟无烟煤，略低于晋城无烟煤；兰炭在农村灶台中燃烧排放的TPM和PM2.5浓度远低于神木煤，略高于晋城无烟煤。

图5 不同样品在不同炉具中燃烧颗粒物排放检测结果

3 结 论

(1)通过对兰炭与不同煤种的基本性质和硫的形态、含量分析，得知神木烟煤经过低温干馏后生成的兰炭灰分含量低，发热量高，并且挥发分从30%降到8%，同时降低了硫、氮含量和总颗粒物排放量，该结果与山西晋城无烟煤相近。

(2)通过兰炭代替原煤的效果分析，得知相同的煤种所使用的炉具不同测试结果也不同，神木煤在任何普通炉具燃烧时都会排放大量浓烟，而兰炭与无烟煤的PM2.5、总颗粒物、有害气体等污染物的排放量相近，均远低于烟煤。因此，兰炭替代煤作为一种清洁燃料有利于改善区域雾霾污染。

(3)将烟煤和部分无烟煤加工成兰炭已成趋势，可以促进兰炭产业快速发展和烟煤的高效利用，同时兰炭的开发技术将进一步提高，市场将进一步扩大。