煙煤層燃爐顆粒物初始排放因子變化規(guī)律研究

姚芝茂,康 宏,趙 鑫,李 俊(.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境標準研究所,北京 000；.新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站,新疆 烏魯木齊 8300)

煙煤層燃爐顆粒物初始排放因子變化規(guī)律研究

姚芝茂1*,康 宏2,趙 鑫1,李 俊1(1.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境標準研究所,北京 100012；2.新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站,新疆 烏魯木齊 830011)

以95臺中小型煙煤層燃爐(≤70MW)的燃料特性分析數(shù)據(jù)和顆粒物(PM)排放實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用統(tǒng)計分析方法及SPSS13.0統(tǒng)計分析軟件,分析了鍋爐出力W、過量空氣系數(shù)α、燃煤灰分含量w(A)對燃燒過程PM初始排放因子的影響,研究了PM初始排放因子的變化規(guī)律.結(jié)果表明,在鍋爐運行負荷≥80%的條件下,基于燃料消耗量、燃料發(fā)熱量和灰分含量的PM初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A基本上與W無關(guān); EF0C、EF0H隨α和w(A)的增加而增大,EF0A隨w(A)增加而減小.3種影響因子由強到弱的順序分別為EF0C:w(A)＞ α＞ W;EF0H:w(A)＞α＞ W;EF0A:w(A)＞ α＞ W.

層燃爐；煙煤；顆粒物；初始排放因子

顆粒物(PM)是燃料燃燒過程中排放的大氣污染物之一,也是目前我國城市大氣環(huán)境的首要污染物.研究表明[1-3],大氣可吸入顆粒物的增加對于人體健康、大氣環(huán)境質(zhì)量造成嚴重危害.其中,燃燒源顆粒物導致的環(huán)境問題越來越受到關(guān)注,近年來國內(nèi)學者對燃煤電廠鍋爐PM 的生成與排放特性做了一些研究工作[4-7],但對于目前用量最多、涉及面最廣的中小型燃煤鍋爐 PM 生成與排放的強度特征即初始排放因子變化規(guī)律的研究尚鮮見報道.污染物初始排放因子,又稱為污染物產(chǎn)生系數(shù),是一項衡量污染物排放強度的重要指標,它不僅反映污染源的重要排放特征,同時也是核算污染物產(chǎn)生量與排放量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).因此,研究中小型燃煤鍋爐 PM 初始排放因子的變化特征,對于我國中小型燃煤鍋爐的管理及總量控制具有重要意義.

本研究基于我國中小型燃煙煤層燃爐的燃料特性分析數(shù)據(jù)和對 PM 排放實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,利用 SPSS13.0統(tǒng)計分析軟件,考察了鍋爐出力、過量空氣系數(shù)及燃煤灰分含量對PM初始排放因子的影響特征.

1 研究方法

1.1 監(jiān)測指標與測試儀器

主要監(jiān)測指標包括大氣壓力、煙氣壓力、煙氣濕度與顆粒物濃度;主要測試儀器為 3011H+型煙塵測試儀(青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所生產(chǎn)).

1.2 監(jiān)測技術(shù)要求

鍋爐PM監(jiān)測采樣依據(jù)《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》[8];測試方法依據(jù)《鍋爐煙塵測試方法》[9];鍋爐運行的熱工性能測試依據(jù)《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》[10];PM 排放濃度的表示與折算依據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標準》[11],單位為mg/m3.

1.3 PM初始排放因子的計算

燃料消耗量、低位發(fā)熱量、灰分含量的PM初始排放因子的計算公式分別如式(1)、式(2)和式(3)所示:

式中, EF0C為基于燃料消耗量的PM初始排放因子, g/kg;EF0H為基于燃料低位發(fā)熱量的PM初始排放因子, ng/J; EF0A為基于燃料灰分含量的PM初始排放因子, kg/kg; C0PM為PM標態(tài)初始排放濃度,mg/m3; Q為標態(tài)初始干煙氣量, m3/h; B為燃煤消耗量, kg/h; w(A)為燃煤收到基灰分含量,%; Har為燃煤低位發(fā)熱量,kJ/kg.

2 結(jié)果與討論

表1 主要燃料特性與鍋爐運行參數(shù)Table 1 Major fuel properties and operation parameters of boilers

共實測了95臺中小型煙煤層燃鍋爐,運行負荷為 80%~100%,地域分布涉及北京、上海、天津、新疆、甘肅、江西、陜西、山東、廣東、河北、安徽、河南、遼寧、江蘇、湖南、四川、福建、浙江、吉林、內(nèi)蒙古、山西、湖北、黑龍江等23個省、市、自治區(qū),覆蓋廣泛,具有一定的代表性.燃料特性與鍋爐運行參數(shù)如表1所示.

2.1 燃煤燃燒過程中PM的生成機理與影響因子分析

燃煤加熱開始后,煤顆粒首先是經(jīng)歷揮發(fā)分的脫除和燃燒,然后才是碳的燃燒.對于大多數(shù)燃煤顆粒來講,因為迅速加熱,煤顆粒產(chǎn)生塑性并膨脹,形成中空的球形顆粒,隨著碳的燃燒,灰分雜質(zhì)將熔融在一起,當90%的碳燃盡時,變脆的碳結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂,產(chǎn)生大小不一的以微米級粒徑為主的飛灰顆粒.一般認為煤燃燒過程中 PM 的形成是以下 4種機理聯(lián)合作用的結(jié)果:內(nèi)在礦物質(zhì)的聚結(jié);煤焦的破碎;外在礦物質(zhì)的破碎;無機礦物的氣化-凝結(jié).并且認為前3種機理主要形成粒徑>1μm的超微米顆粒物,而第4種機理主要形成粒徑<1μm的亞微米顆粒物[12].

顆粒物形成的主要影響因素包括燃煤種類、氧氣濃度與過量空氣系數(shù)、燃煤粒徑、惰性氣體、燃燒室壓力和燃燒溫度等[13].

2.2 鍋爐出力(W)對PM初始排放因子的影響

鍋爐出力(W)是衡量鍋爐容量大小的基本參數(shù).圖 1是基于燃料消耗量、燃料發(fā)熱量和燃料灰分含量的PM初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A隨不同鍋爐實際出力的變化.由圖1可以看出,對于給定燃煤種類、燃燒方式的額定出力≤70 MW的層燃爐,在鍋爐運行負荷≥80%的條件下,EF0C、EF0H和EF0A均隨W的變化而在一定水平區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出波動性的變化特征,表明 PM 初始排放因子的大小基本上與鍋爐出力無關(guān),即中小型煙煤層燃爐的容量大小對 PM 初始排放因子總體上沒有影響.燃煤燃燒過程中 PM 的組成與產(chǎn)生量主要受到燃燒方式、燃料類型以及操作條件的影響,鍋爐運行負荷對 PM 的生成也具有一定程度的影響,鍋爐運行負荷降低 PM 的產(chǎn)生量趨向于減少,而在實測鍋爐運行負荷≥80%的條件下,其對PM的產(chǎn)生影響相對較小[14],故此使得W基本上對PM初始排放因子不具有顯著影響.

圖1 PM初始排放因子EF0C、EF0H、EF0A隨鍋爐出力W的變化Fig.1 Changes of PM initial emission factor EF0C, EF0Hand EF0Awith boiler output W

2.3 過量空氣系數(shù)(α)對 PM 初始排放因子的影響

過量空氣系數(shù)(α)是燃燒過程中實際空氣供應(yīng)量與理論空氣需要量的比值,是衡量鍋爐運行工況的重要參數(shù)之一,它不但直接影響鍋爐運行的經(jīng)濟性,而且對鍋爐運行過程中大氣污染物的生成與排放也具有重要影響.圖2為EF0C、EF0H和EF0A隨α的變化.

圖2 PM初始排放因子EF0C、EF0H、EF0A隨過量空氣系數(shù)α的變化Fig.2 Changes of PM initial emission factor EF0C, EF0Hand EF0Awith excess air coefficient α

由圖 2可以看出,EF0C、EF0H隨α的增大,在一定區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出較顯著的增大; EF0A隨α的變化并不顯著.這可能是由于α增大,燃燒過程中通過爐膛的空氣量增加,相應(yīng)地空氣通過爐膛的流速增加,造成層燃式燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣所夾帶顆粒物的量增加,從而使得鍋爐出口煙氣中顆粒物的排放量增大.

2.4 燃煤灰分含量對PM初始排放因子的影響燃煤收到基灰分含量(w(A))是燃料的基本特性之一.灰分是指煤在規(guī)定條件下完全燃燒后剩下的固體殘渣.它是燃煤中的礦物質(zhì)經(jīng)過氧化、分解而形成的.圖 3是 PM 初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A隨w(A)的變化.

圖3 PM初始排放因子EF0C、EF0H、EF0A隨燃煤灰分含量w(A)的變化Fig.3 Changes of PM initial emission factor EF0C, EF0Hand EF0Awith coal ash content w(A)

由圖3可以看出,隨w(A)的增加,EF0C、EF0H和EF0A很明顯地以w(A)=25%為界分為2個區(qū)域而呈現(xiàn)出波動性分布.由圖 3(a)和圖 3(b)可以發(fā)現(xiàn),當w(A)＜25%時,EF0C和EF0H波動的區(qū)域重心低于 w(A)＞25%的波動區(qū)域重心,表明伴隨w(A)的增加,EF0C和EF0H總體上表現(xiàn)出增大的趨勢.由圖3c可見,EF0A基本上隨w(A)的增大而逐漸減小.燃煤鍋爐排放的 PM 主要由燃燒產(chǎn)生的灰燼以及未完全燃燒產(chǎn)生的殘?zhí)克M成,對于大型煤粉爐而言,鍋爐燃燒效率較高,燃煤幾乎完全燃燒,其所產(chǎn)生排放的 PM 主要是無機物組成的灰燼.而對于層燃爐而言,鍋爐燃燒效率較低,其所產(chǎn)生排放的 PM 中未燃燒的殘?zhí)勘壤^高,使得 PM 產(chǎn)生量與燃煤灰分含量之間的變化關(guān)系不太顯著.至于造成 PM 初始排放因子以w(A)=25%為界分為2個區(qū)域的原因,可能是我國現(xiàn)行《鍋爐大氣污染物排放標準》[11]以w(A)≤25%和 w(A)＞25%為基準對燃煤鍋爐煙塵(顆粒物)初始排放濃度規(guī)定了限值要求,鍋爐的設(shè)計、制造廠商在生產(chǎn)、制造鍋爐的過程中執(zhí)行該標準的規(guī)定,從而使得燃煤鍋爐 PM 初始排放因子隨燃煤灰分含量的變化表現(xiàn)出上述特征.

2.5 PM 初始排放因子與影響因子之間相關(guān)性分析

利用 SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件,對鍋爐出力W、過量空氣系數(shù)α、燃煤氮含量w(A)與PM初始排放因子 EF0C、EF0H、EF0A之間進行了相關(guān)性分析,結(jié)果如表2所示.

表2 W、α、w(A)與EF0C、EF0H、EF0A相關(guān)性分析結(jié)果Table 2 Results of correlation analysis of W、α、w(A) with EF0C, EF0Hand EF0A

由表 2可以看出,W與 PM 排放因子間的Pearson相關(guān)系數(shù)r＜0.3,且W與PM排放因子間p-值均>0.05,關(guān)系極弱,可以認為不相關(guān).α與EF0C、EF0H間的r＜0.3,分別在99%、95%置信水平下具有顯著相關(guān)關(guān)系;而α與 EF0A間的 r＜0.3,p-值>0.05,關(guān)系極弱,可以認為兩者之間不相關(guān).w(A)與 EF0C、EF0H間的 r值為正值,表明 w(A)與 EF0C、EF0H間為正相關(guān),在 99%置信水平下w(A)與 EF0C、EF0H間具有顯著相關(guān)關(guān)系;0.3＜r＜0.5,表現(xiàn)為低度正相關(guān),w(A)與 EF0A間的 r值為負值,在 99%置信水平下 w(A)與 EF0A間具有顯著相關(guān)關(guān)系,0.3＜︱r︱＜0.5,表現(xiàn)為低度負相關(guān).由上述結(jié)果與分析,可以得出影響煙煤層燃爐PM初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A的影響因子由強到弱的順序 EF0C:w(A)＞ α＞ W;EF0H:w(A)＞ α＞ W;EF0A:w(A)＞ α＞ W.

3 結(jié)論

3.1 對于中小型燃用煙煤層燃爐(鍋爐容量≤70 MW)而言,在鍋爐運行負荷≥80%的條件下,PM初始排放因子EF0C、EF0H和EF0A基本上與W無關(guān),W對PM初始排放因子的影響最弱.

3.2 α對 EF0C、EF0H影響較為顯著,而對 EF0A影響較弱;w(A)對EF0C、EF0H和EF0A均較顯著.

3.3 三種影響因子對 EF0C、EF0H和 EF0A的影響由強到弱的順序為,EF0C:w(A)＞ α＞ W;EF0H:w(A)＞ α＞ W;EF0A:w(A)＞ α＞ W.

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Changing characteristics of PM initial emission factors for layer soft coal-fired boilers.

YAO Zhi-mao1*, KANG Hong2, ZHAO Xin1, LI Jun1(1.Environmental Standards Institute, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China；2.Xinjiang Environmental Monitoring Centre, Urumqi 830011, China). China Environmental Science, 2011,31(2)：220~224

The influences of boiler output(W), excess air coefficient(α), coal ash content(w(A)) on particulate matter(PM)initial emission factors in coal combustion were analyzed by statistical analysis method and SPSS13.0 using PM actual test data and coal analysis data from 95 medium and small layer soft coal-fired boilers, actual capacity of boilers≤70 MW.The changing characteristics of PM initial emission factors was also studied. The results indicated the PM initial emission factors EF0C, EF0H, and EF0Abased on fuel consumption, coal lower heating value and coal ash content were not related with W under the condition of boiler loads≥80%, and EF0C, EF0Hincreased slightly with α and w(A) increasing. Moreover,EF0Adecreased with w(A) increasing. The orders from strong to weak of three influencing factors were w(A)＞ α＞ W for EF0C, w(A)＞ α＞ W for EF0H, and w(A)＞ α＞ W for EF0Arespectively.

layer fired boilers；soft coal；particulate matter；initial emission factor

X505

A

1000-6923(2011)02-0220-05

2010-05-15

環(huán)境保護部第一次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù)核算項目

* 責任作者, 研究員, yaozm@craes.org.cn

姚芝茂(1964-),男,河北固安人,副研究員,博士,主要從事環(huán)境標準及污染物排放控制研究.發(fā)表論文30余篇.