民用方型蜂窝煤燃烧采暖的减排效果及经济性分析

李志敏，焦铭泽，PRABIN Shrestha，刘 诚，薛春瑜，刘广青

(1.北京化工大学 化学工程学院，北京 100029；2.内蒙古鑫泓庆能源科技发展有限公司，内蒙古 呼和浩特 010100)

0 引 言

随着《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》的推进，煤改气、煤改电等清洁取暖形式取得了显著效果。同时，在推进清洁取暖进程中也面临一些挑战。对于经济较发达、居住较集中的城镇来说，改变传统的燃煤取暖方式，实现集中供暖相对比较容易。同时由于投入成本高、取暖效果差、财政补贴难以持续以及农村地区经济发展条件、资源禀赋与居民生活习惯等诸多原因，在部分居住分散的欠发达农村地区实现清洁供暖困难重重。当前我国清洁取暖背景下，大部分农村地区仍以烧散煤取暖为主，煤改气、煤改电等新型清洁能源替代煤的取暖形式在农村地区的实际推广效果并不理想[1]。我国北方农村地区居民冬季大量使用燃煤分散取暖，排放大量污染物，危害环境和人体健康[2-3]。散煤污染严重的根源在于无法实现煤炭清洁高效利用。从我国能源格局、能源基础及配套设施条件、居民采暖习惯和需求等角度出发，我国农村地区推广使用低成本-低排放的洁净型煤替代散煤仍是现阶段我国实现农村清洁取暖最经济有效的举措之一[4]。

洁净型煤可以显著降低大气污染物排放，是改善农村地区清洁取暖的现实有效途径之一[5]。目前各地在洁净型煤应用和推广实施过程中，主要推广的洁净型煤包括煤球、兰炭和无烟煤等。煤球存在点火困难、燃尽率低等问题；而兰炭、无烟煤资源较少、价格较高，居民对政府补贴依赖性大。此外，由于居民使用的传统民用燃煤炉质量与性能参差不齐、热效率低、燃煤燃烧特性与炉具设计不匹配问题普遍存在，目前洁净煤实际推广使用区域减排效果并不明显[6-7]。现行的燃料适配炉具在应用中面临诸多挑战。因此，寻找合适的清洁燃料和配套炉具是解决上述问题的关键。

蜂窝煤燃烧机理主要通过多个通风孔发生，具有减排潜力[8-10]。前人关于蜂窝煤的研究多集中在圆柱形蜂窝煤上，居民实际取暖中常见蜂窝煤也为圆柱形，煤饼厚度为70 mm，一般为12孔或19孔。然而实际取暖中发现，多个圆柱形蜂窝煤上下堆积时，蜂窝煤的通风孔不易对齐，影响燃烧时空气供给导致燃烧效果不佳。为解决上述问题，可将居民常用圆柱形蜂窝煤改成方形结构，通过四角定位，确定各蜂窝间通风孔的定位。这些固定的多孔结构加大了气-固反应面积，促进燃料充分燃烧，且可以随时调整用火面积，方形结构也便于使用和加工运输。方型蜂窝煤作为一种成本较低的新型民用型煤，其燃烧排放相关研究较少，实际应用缺乏系统评估。王晨龙等[11]、张道明[12]研究了几种方型蜂窝煤的排放特征，仅考虑煤质成分和不同操作阶段对污染物排放特征的影响，对其燃烧机理和配套炉具内部结构的影响缺乏系统分析。此外，关于蜂窝煤的研究大多以基于稀释通道法的实验室测试为主，实验室污染测试结果能反映排放规律，但无法真实反映民用炉具的性能与污染排放情况，其性能与实验室结果偏差较大。燃料特性、炉具和运行工况等都会影响蜂窝煤燃烧污染物的排放特性，在不同燃烧场景下污染物排放浓度差异极大，因此有必要对其影响因素进行系统研究。

针对上述问题，笔者通过模拟居民实际使用工况，研究了内蒙古呼和浩特某地区研发和推广的2种方型蜂窝煤的污染排放特征，分析了燃料特性、炉具结构及操作方式对污染物排放的影响，以散煤为基准对减排效果和经济性进行系统评估。本研究有助于为我国暂不具备新型清洁能源取暖方式替代条件的北方地区清洁取暖新技术开辟路径，为方型蜂窝煤及其配套专用炉具规模化进入市场提供理论支撑。

1 试 验

1.1 测试燃料与炉具

试验燃料选用内蒙古鑫泓庆能源科技发展有限公司研发的无烟煤方型蜂窝煤、烟煤方型蜂窝煤以及当地推广的散煤，以新疆褐煤为主。3种燃料的工业分析和元素分析见表1。

表1 燃料的工业分析和元素分析

方型蜂窝煤专用炉具结构如图1所示，采用横向推进式进料，配有三次供风口，空气从炉膛底部的通风口进入。散煤炉具采用居民常用的传统直燃炉具和改进炉具，改进炉具相对于传统直燃炉具配有二次供风。

图1 方型蜂窝煤专用炉具结构

试验设置4种炉具与燃料的组合：① 方型蜂窝煤专用炉具+无烟煤方型蜂窝煤(Spe.+AHB)；② 方型蜂窝煤专用炉具+烟煤方型蜂窝煤(Spe.+BHB)；③ 散煤传统炉具+散煤(Tra.+XRC)；④ 散煤改进炉具+散煤(Imp.+XRC)。

1.2 样品采集与检测

本研究基于烟道直接采样法的测试系统，采用分阶段测试法，对点火、添煤、旺火和封火等不同燃烧典型阶段来模拟用户使用全过程。

烟气样品采集系统主要由颗粒物收集装置和气态污染物收集监测装置2部分组成，如图2所示。使用真空泵(崂应3072型)以1.5 L/min恒定流量采集烟气，通过旋风切割器将烟气中PM2.5分离后收集到石英滤膜上。同时，使用德国MRU GmbH公司的多功能型烟气分析仪(MRU NOVA PLUS)在线检测烟气中气态污染物NOx、CO、CO2的实时质量浓度和烟温，采样流量为1.0 L/min。真空泵及颗粒物检测仪采样前后均使用美国A.P.Buck公司的M-30皂膜流量计标定。

图2 采样系统示意

用于采集颗粒物的滤膜提前在温度450 ℃马弗炉中焙烧6 h，恒温恒湿24 h称重，前后2次称量误差不超过0.000 05 g。每个燃烧测试完毕后及时更换新滤膜，采样后滤膜遮光保存。

为研究3种燃料的固硫情况，测试其固硫率。在相应炉具中加入适量煤，燃烧前称重煤。点火后约30 min达到大火阶段，燃烧10 h左右封火，第2天称量煤灰质量，并对煤灰进行元素分析，获得固硫率。

1.3 试验指标

燃料燃烧过程中排放的PM2.5质量浓度可依据采样前后滤膜质量差值和烟气流量计算得出；气体污染物质量浓度由多功能型烟气分析仪实时记录。

烟气中污染物排放因子采用碳平衡法[13]计算。原理是燃料燃烧过程中消耗的碳总量等于以气态和颗粒物形式排出的碳总量。已有研究表明，95%以上的碳排放转化为CO2和CO，其余颗粒物和CH4等有机排放物中的碳转化在计算中可忽略。烟气中目标污染物的排放因子为

(1)

式中，EF(X)为烟气中目标污染物基于燃料质量的排放因子，g/kg；Cf为燃料中的碳质量，g；Ca为燃尽灰渣中的碳质量，g；K为不完全燃烧系数，是排放物CO中碳与排放物CO2中碳的质量比，无量纲；M为燃料质量，kg；fC-CO2为燃煤中碳转换为CO2的转化系数，为CO2与碳的摩尔质量比，无量纲；Cm(x)为烟气中目标污染物质量浓度，mg/m3；Cm(CO2)为烟气中CO2质量浓度，mg/m3。

固硫率R计算公式为

(2)

式中，SA为煤燃烧后灰渣的全硫质量分数，%；A为煤燃烧后灰渣质量，g；SC为煤燃烧前的全硫质量分数，%；C为煤燃烧前质量，g。

2 结果与讨论

2.1 污染物排放特征

污染物实时排放浓度监测有助于了解燃料燃烧过程污染物排放变化趋势。采用分阶段测试方法，实时测试4种炉具与燃料组合方式的污染物质量浓度，如图3所示。

图3 不同炉具燃料组合污染物实时质量浓度

由图3可知，3种燃煤在相应炉具燃烧产生的污染物排放浓度发生明显变化。同种燃料在不同燃烧阶段污染物排放趋势不同，不同燃料在相同燃烧阶段污染物排放特征大致相同。整个燃烧过程中，方型蜂窝煤专用炉具燃烧稳定，污染物排放浓度波动较小，而使用传统炉具燃烧散煤的污染物排放浓度波动较大。

在点火阶段，4种炉具燃料组合的CO质量浓度达到峰值，这是由于点火初期炉膛温度较低，燃料处于不完全燃烧(加热和部分热解)阶段，CO排放较高，随着燃烧强度增加和时间推移CO排放量缓慢减少。在旺火阶段，燃烧越来越充分，CO质量浓度降低，同时CO2质量浓度增加。旺火阶段炉膛温度越来越高，燃料在高温、富氧条件下燃烧，NOx质量浓度急速上升达到峰值。

在封火阶段，由于炉门关闭，炉膛内供氧不足，不充分燃烧使得CO质量浓度小幅回升，最后由于燃料燃尽，NOx和CO2质量浓度逐渐下降。该研究燃煤炉具排放特征与LI等[14]研究一致。

基于4种燃料炉具组合类型的污染物实时质量浓度，计算了其以燃料质量为基准的污染物排放因子，如图4所示。

图4 不同炉具燃料组合污染物排放因子

由图4可知，无烟煤方型蜂窝煤和烟煤方型蜂窝煤基于单位燃料质量的PM2.5排放因子分别为0.09 和0.43 g/kg、CO排放因子为51.61和38.35 g/kg、NOx排放因子为0.72和0.63 g/kg。从整体看，2种方型蜂窝煤燃烧的3种污染物的排放因子均小于散煤，减排效果显著。方型蜂窝煤相对于散煤的PM2.5排放因子降低了79.62%～96.58%；CO排放因子降低了84.35%～89.56%；NOx排放因子降低了46.27%～65.19%。与无烟煤方型蜂窝煤相比，烟煤方型蜂窝煤的PM2.5排放因子是其4.78倍，可见无烟煤方型蜂窝煤PM2.5排放显著降低；而烟煤方型蜂窝煤的CO和NOx排放因子分别为无烟煤方型蜂窝煤的74.31%、87.50%，可见烟煤方型蜂窝煤的CO和NOx减排效果较好。对于散煤来说，在2种炉具中燃烧3种污染物排放因子相差不大，说明散煤搭配改进炉具的污染物减排效果不明显。

对比分析了文献中与本文性质相似的燃料在不同炉具中燃烧的污染排放结果，具体见表2。

表2 前人研究污染物排放因子结果

对比表2和图4可知，上述文献得到的蜂窝煤的3种污染物排放因子与本研究试验结果略有差异。王晨龙等[11]、张道明[12]采用直接采样法测试了内蒙古呼和浩特推广的几种方型蜂窝煤，其测试炉具与本研究选自同一地区的蜂窝煤反烧炉具，炉具结构差异不大，由于其选用的燃料含氮量略高于本研究，故NOx排放因子高于本研究。反烧炉可使整个燃烧过程中燃料挥发分充分燃烧，提高N元素向燃料型NOx的转化，从而导致PM2.5排放减少，NOx释放量增大，因此PM2.5排放因子低于其他研究，NOx排放因子高于其他研究。郝国朝等[15]、陈国伟等[16]、梁云平等[17]采用稀释通道系统对蜂窝煤排放进行研究，发现不仅炉具结构造成PM2.5排放增高，测试方法也导致PM2.5排放因子与本研究的差异。GE等[18]测试的蜂窝煤的PM2.5排放因子与本研究相近，燃料是否充分燃烧是影响CO排放量的主要因素。CHEN等[19]采用的炉具为最传统的未改进的煤炉，导致其PM2.5和CO排放远高于本研究，其余文献在实测过程中使用的炉具均为改进的较清洁的蜂窝煤专用炉具，即使燃烧方式不同，也可保证燃料在炉具内尽可能充分燃烧，故CO排放因子相差不大。本研究中，无烟煤方型蜂窝煤的PM2.5排放因子低于上述研究，上述研究所测试燃料的挥发分相差不大，可见将蜂窝煤由圆柱形改为方形以及本研究中方型蜂窝煤专用炉具的独特结构可有效降低颗粒物排放，无烟煤方型蜂窝煤相比于烟煤方型蜂窝煤对方型蜂窝煤专用炉适应性更好，PM2.5减排潜力更高。

2.2 污染排放影响因素分析

方型蜂窝煤专用炉具采用长方形燃烧室结构、横向推进燃烧方式，三次进风供氧设计，使燃料的干燥预热、挥发分析出、固定碳燃烧、燃尽成渣等燃烧过程更充分、可控、稳定。方型蜂窝煤采用上点火燃烧方式，可使干燥预热、热裂解产出的挥发分和可燃气体，在二次、三次配风的作用下完全燃烧。

上点火方式使方型蜂窝煤燃烧时从上到下逆向燃烧，而后转为由下往上顺向燃烧。当蜂窝煤的上方成功引燃后，经二次风、三次风助燃，很快产生了一个燃烧剧烈的空气高温层。高温层因热传导逐渐由上向下移动，对蜂窝煤本体温度提升有积极影响。高温层向下传热点燃了下一层蜂窝煤，产生了大量挥发分和可燃性气体。同时，由于一次风从炉底经过蜂窝煤孔道发生多种化学反应，当煤体燃烧到一定程度，高温层会在蜂窝煤间横向传递，增加了燃烧反应的停留时间，这是燃烧更充分的主要原因。故在高温层向下移动传热的作用下，发生了蜂窝煤横向和纵向的混合燃烧，先析出大量挥发分，后发生以燃烧固定碳为主、部分可燃性气体为辅的反应。高温层移动到底层时，在一次风的作用下，燃烧更充分。高温层由于热对流又逆向从下往上蔓延燃烧，这时固定碳几乎燃尽，直至顶部固定碳燃尽为止，整个燃烧过程停止。

方型蜂窝煤燃烧各类污染物减排效果影响因素分析：挥发分含量、析出速度和燃烧方式是影响PM2.5污染物排放的关键因素[20]。大多数颗粒物质及其碳成分可能来源于煤中挥发性化合物的不完全燃烧。挥发分析出控制PM2.5排放，2种方型蜂窝煤的挥发分均低于散煤，无烟煤方型蜂窝煤的挥发分低于烟煤方型蜂窝煤。煤中挥发分含量降低和加入黏结剂会导致煤粒之间的黏结指数增加，减少燃烧过程中颗粒物排放[21]。同时方型蜂窝煤专用炉具的横向平推式进料方式使方型蜂窝煤在炉膛中排成2层，且堆积的蜂窝煤间具有通畅的通风孔，可以达到上下煤层同步燃烧，不仅加大了气-固反应面积，还延长了挥发分的停留时间，促进了燃料充分燃烧。因此，相比散煤搭配散煤炉具、方型蜂窝煤搭配专用炉具的PM2.5排放因子更低。散煤改进炉具相对于传统炉通风效果更好，挥发分燃烧更充分，故散煤改进炉具后相对于传统炉具的PM2.5排放因子低。同时，一部分燃料即将耗尽时，用户可将炉箅向前推进，蜂窝煤侧向燃烧以引燃下一组，使得燃尽的炉渣与燃料横向分离，减少了燃烧过程中对炉内环境的干扰，利用蜂窝自然引风助燃，降低了烟囱高度，有效避免了加煤时因燃烧状态改变而造成严重的颗粒物污染。

产生CO主要是由于燃烧不充分[22]。方型蜂窝煤的多孔性燃烧结构有效增加了气-固反应面积，使燃料燃烧更充分，特别是生物质黏合剂的使用可有效提高燃尽率。同时炉具供风对CO影响很大[23]。散煤在改进炉具中的CO排放因子略低于传统炉具，原因在于改进炉具的通风结构相对于传统炉具略有改善，提高了炉具的燃烧效率。而方型蜂窝煤在专用炉具中燃烧的CO排放因子明显低于散煤在2种散煤炉具中燃烧，这是由于方型蜂窝煤专用炉具上部、下部、内部三次配风，配有三次进风口及椭圆形炉口设计，比散煤炉具供风效果更佳，充分提高了方型蜂窝煤在炉膛内的燃烧效果，因此CO排放很低。4种燃料炉具组合类型的校正燃烧效率如图5(a)所示。由图5(a)可知，方型蜂窝煤专用炉具的燃烧效率高于散煤炉具，可达97%以上，燃烧更完全，散煤改进炉具相对于传统炉具的燃烧效率略高，这与上述结论一致。

图5 燃料燃烧时的烟气校正燃烧效率和烟气温度

NOx生成主要由于燃料N的转化，不仅与燃料中N含量相关，还与燃烧温度相关[24]。在高温富氧条件下，燃料N极易转化为NOx，且转化率很高[25]。从煤质分析可知，3种燃料N含量相近，对NOx生成影响不大。由于方型蜂窝煤专用炉具的水套式结构是在燃烧区域内进行热交换，低温条件能有效抑制NOx产生。同时炉膛温度在焦炭燃烧阶段急剧上升，耗氧量随之增大，而方型蜂窝煤专用炉具的横向进料方式和方型蜂窝煤本身较大的比表面积都可使燃烧更均匀，火焰传递速度更稳定，NOx排放大大减少，故方型蜂窝煤在专用炉具中燃烧NOx的排放因子低于散煤在散煤炉具燃烧。3种燃料燃烧时的烟气温度如图5(b)所示。由图5(b)可知，在方型蜂窝煤的整个燃烧阶段，较低的燃烧温度限制了NOx挥发，很难与氧气发生氧化反应，大大降低了燃烧烟气中NOx排放。

无烟煤方型蜂窝煤、烟煤方型蜂窝煤和散煤的固硫率分别为61.55%、70.76%和20.93%。方型蜂窝煤相比散煤的固硫效果较好，这是由于蜂窝煤燃烧稳定、炉膛温度较低，固硫剂与SO2反应形成硫酸盐后，未出现逆反应分解重新释放SO2。硫释放与空气量存在一定关系，空气量一定时，固硫剂能氧化燃烧生成SO2释出，当空气量加大时，对硫的释放影响不明显。方型蜂窝煤在封火状态下，由于缺氧、温度相对较低，很少有SO2排出。

2.3 经济性分析

内蒙古呼和浩特是方型蜂窝煤的示范推广区，地方政府支持使用清洁能源及改进的供暖炉，以实现清洁供暖。按供暖面积100 m2计算，方型蜂窝煤专用炉具和散煤传统炉具的市场价格分别为1 000～2 000元和100～500元，2种炉具均包含烤火炉和水暖炉。经调研本研究用于测试无烟煤方型蜂窝煤和烟煤方型蜂窝煤的市场价格为600～750元/t，考虑到方型蜂窝煤原料来源广泛，添加剂不同，调研后价格取为500～900元/t；本研究的散煤是新疆褐煤，考虑到其他种类散煤以及市场价格波动，选取散煤价格为500～800元/t。

计算参数选择如下：① 我国农村住宅建筑取暖热负荷100 W/m2，取暖面积按100 m2计，每日取暖时间取10 h，每年平均采暖时间为4个月，取120 d；② 根据先前测试结果取蜂窝煤专用炉具的综合热效率为85%，普通燃煤炉具综合热效率为65%。

计算得到假定条件下每个取暖季总用能负荷约12 000 kWh。2种燃煤取暖方式经济性分析见表3。

表3 2种燃煤取暖方式经济性比较

方型蜂窝煤生产原料来源广泛，可充分利用各地矿场的末煤、煤泥配煤以及成本低、特性不同的煤炭，科学配比固硫剂、生物质黏结剂等，大大降低了型煤生产成本。由表3可知，在居民整个采暖季，方型蜂窝煤与散煤取暖的运行费用接近，采用方型蜂窝煤配合专用炉具的取暖方式减轻了用户的支出成本和政府财政补贴压力。

3 结 论

1)相对于散煤来说，方型蜂窝煤与配套专用炉具组合可有效降低污染物排放，PM2.5排放可减少90%以上，CO排放降低将近90%，NOx排放减少50%以上。

2)与无烟煤方型蜂窝煤相比，烟煤方型蜂窝煤的PM2.5排放因子是其4.78倍，而烟煤方型蜂窝煤的CO和NOx排放因子分别为无烟煤方型蜂窝煤的74.31%、87.50%。可见无烟煤方型蜂窝煤的减排优势主要体现在PM2.5方面，烟煤方型蜂窝煤的减排优势主要体现在CO和NOx方面。

3)无烟煤方型蜂窝煤和烟煤方型蜂窝煤的固硫率分别为散煤的2.94倍和3.38倍。方型蜂窝煤的固硫效果相比散煤更好，可降低SO2排放。

4)采用“上点火、横向进料，横纵混烧”的方式能使方型蜂窝煤在整个燃烧过程中均匀、稳定燃烧，大幅减少了污染物排放。

5)燃料适配炉具是一种清洁的取暖方式，将洁净煤炭和配套清洁炉具作为实现我国北方地区清洁供暖工作的关键补充形式。对于无法实现“双替代”的地区，如一些人口密度低、居住分散的农村和山区，采用低成本的“方型蜂窝煤配合专用炉具”的清洁取暖技术路径不仅可以减轻政府对用户的财政补贴压力和用户运行成本压力，又能满足当下我国北方地区农村清洁取暖的环保需求，可有效解决由于低效燃烧造成的农村环境污染问题。