基于單指標的潔凈型煤環保體系探討*

馬青華，趙曉東，衛麟輝，張學梅，李 東，郝靜遠

(1.西安思源學院 能源及化工大數據應用教學研究中心，陜西 西安 710038；2.北京德秦技術開發有限公司，北京 100000；3.西安交通大學 化工學院，陜西 西安 710038)

0 引言

近年來國內外很多研究機構和用煤企業非常關心如何使用潔凈燃料(型煤、焦炭)最大限度地減少二氧化硫的排放、減輕燃燒散煤對大氣的污染，以達到“綠水青山就是金山銀山”的可持續發展戰略。從2004年到目前為止，陜西省、河北省和山西省的地方政府發布并實施相關潔凈型煤的范圍、術語和定義、要求、試驗方法及檢驗規則[1-3]。為做到降低污染，潔凈型煤重要環保指標都是雙指標(全硫和固硫率)體系。固硫率的測試原理是分別測定潔凈型煤的全硫和燃燒后灰渣中的硫，以灰渣中硫占潔凈型煤全硫的質量百分比來表示固硫率。固硫率的測定是一個規范性很強的實驗。不同燃燒溫度、爐內停留時間、空氣流量、粒度等都會影響固硫率的檢測結果[4-6]。3個地方標準中，只有陜西省有《灰樣的制備》相關規定，對煤樣鋪設厚度、馬弗爐起始溫度、加熱溫度、升溫速度、燃燒時間、恒溫時間、灰樣粒度等所有已知的影響因素都作了具體規定。從實踐效果上看，對灰樣制備的相關規定，能使程序具有可操作性，檢驗之后的數據可進行比較。

1 現行潔凈型煤環保指標

1.1 潔凈型煤環保指標計算

表1列出三省地方環保標準。表2列出表1中所涉及的雙指標環保體系的3個測試項目和其所執行的國家標準。

表1 陜西、河北、山西三省潔凈型煤環保指標

表2 潔凈型煤3個測試項目和所執行的國家標準

除了山西省潔凈型煤的固硫率計算方法有表述爭議外，陜西省和河北省的計算方法都是以型煤灰渣中的硫按式(1)計算

(1)

式中，SO3為干燥基型煤灰渣中三氧化硫的含量，%；Sa，d為型煤灰渣中硫的含量，%；2.5為三氧化硫換算成硫的系數。固硫率按式(2)計算

(2)

式中,Rs為固硫率，%；St，d為干燥基潔凈型煤中全硫的含量，%；Ad為干燥基潔凈型煤的灰分，%。

1.2 現行環保指標存在的問題

雖然三省發布潔凈型煤的地方標準是滿足當前形勢下的保衛藍天降低霧霾的迫切需求，也規范了燃料市場，但是將全硫和固硫率作為潔凈型煤的兩項環保指標存在一些不足之處。

1.2.1 主旨不夠明確

潔凈型煤是作為藍天保衛戰、減少燃燒時二氧化硫對大氣排放的有效途徑[7-9]。如式(3)所示，根據物質守恒的原則，潔凈型煤中的全部硫在燃燒過程中，只能成為固體硫存在灰渣中或以氣體硫氧化物排放到大氣中。

全硫(固體)→灰中硫(固體)+硫氧化物(氣體)

(3)

根據全硫和固硫率來表示存在灰渣中的固體硫，不如根據全硫和固硫率來表示排放到大氣中的氣體硫氧化物直接、主旨明確。定義“干燥基型煤排放氣體硫”為潔凈型煤允許最大污染極限，其意義就一目了然。如果潔凈型煤的干燥基型煤排放氣體硫小于這個污染極限即為合格，即使該潔凈型煤雙環保指標中的某個指標(一般是固硫率)超出原先的標準。

1.2.2 兩個指標不容易同時實現

從邏輯學上講，只有兩種邏輯途徑可以控制兩個指標的系統。一種是“或，OR”的邏輯，即達到兩個指標中的任何一個;另一種是“和，AND”邏輯，即兩個指標必須同時達到。達到“AND” 控制的難度是完成“OR”控制難度的數倍。潔凈型煤雙環保指標(全硫和固硫率)是非常困難的“AND” 控制。

1.2.3 難以判定

從數學上講，用不等式表示兩個同時判定的指標時，會出現3種情況。①兩個指標都是大于時，數值判定結果一定是大于；②兩個指標都是小于時，數值判定結果一定是小于；③一個指標是大于，另一個指標是小于時，無數值判定結果。從表1的數據看，潔凈型煤的全硫指標是小于等于，而其固硫率指標卻是大于。因此根據原先潔凈型煤雙環保指標的判定就沒有數值大小的定量判定，而只有符不符合的定性判定。

1.2.4 不利于創新

公布潔凈型煤的環保指標同時也是為了促進燃煤固硫劑研究領域的良性發展，推廣應用高品質固硫劑。但如果潔凈型煤環保指標只有定性判定，而沒有定量判定，則不利于促進燃煤固硫劑研究領域的創新發展。舉例來說甲、乙兩種潔凈型煤都符合環保標準且價格相等，但甲種潔凈型煤環保指標比乙種好30%，那么甲種潔凈型煤的性價比就比乙種型煤高30%。這樣的定量指標有利于客戶，也有利于創新發展[10-11]。

2 二氧化硫排放新指標

2.1 單環保指標體系

潔凈焦炭和潔凈型煤的環保指標見表3，可以看到雖然延安和榆林潔凈型煤的全硫都小于陜西省的地方標準，但因為都沒有固硫率指標，明顯不符合標準。即使測定固硫率為45%，但因為其數值≤50%，表1所定的陜西省甲類標準，該潔凈型煤也無法用于甲類地區(西安市市區、延安市市區、榆林市市區、楊凌示范區等)。太原市民用潔凈焦炭的標準取自文獻[12]。

表3 潔凈焦炭和潔凈型煤的環保指標

現定義“干燥基型煤排放氣體硫Sg，d”為潔凈型煤最大的污染極限。干燥基型煤排放氣體硫Sg，d按式(4)計算

(4)

式中，Sg，d為干燥基型煤排放氣體硫的含量，%；St，d為干燥基型煤中全硫的含量，%；Rs為固硫率，%。根據這一定義，三省潔凈型煤的環保指標-干燥基型煤排放氣體硫的含量Sg，d列于表4。

表4 三省潔凈型煤的環保指標-干燥基型煤排放氣體硫的含量Sg，d

2.2 雙環保指標與單環保指標體系對比

以上的討論顯示，為了計算Sg，d干燥基型煤排放氣體硫的含量，仍然需要按國家標準測定全硫、灰分和煤灰中的三氧化硫，按原先用的公式計算型煤灰渣中的硫和固硫率。仍然需要遵循陜西省的地方標準中“灰樣的制備”的操作程序，只是將雙環保指標體系換成單環保指標體系。現假定延安和榆林潔凈型煤的固硫率為45%，將雙環保指標體系與單環保指標體系進行對比。延安潔凈型煤固硫率為45%時評測，見表5。榆林潔凈型煤固硫率為45%時的評測，見表6。在滿足陜西省甲類區、乙類區或丙類區潔凈型煤之干燥基型煤排放氣體硫的含量前提下，固硫率與硫含量之間的關系，如圖1所示。根據式(4)，在保證Sg，d干燥基型煤排放氣體硫的含量為一個固定值的前提下，如能應用高品質固硫劑以提高潔凈型煤的固硫率，較高硫含量的煤也能制備符合環保要求的潔凈型煤，不僅拓寬了高硫煤的使用范圍，而且降低了潔凈型煤的制備成本。

表5 延安潔凈型煤

表6 榆林潔凈型煤

圖1 固硫率與硫含量之間的關系

3 結論

(1)現行環保指標存在主旨不夠清晰明確，因此建議定義“干燥基型煤排放氣體硫”為潔凈型煤允許最大污染極限。

(2)兩個控制指標不容易同時實現，雙環保指標的判定沒有數值大小的定量判定，而只有符不符合的定性判定，不利于促進燃煤固硫劑研究領域的創新發展。

(3)按國家現行標準分析測定全硫、灰分和煤灰中的三氧化硫，按無爭議的公式計算型煤灰渣中的硫和固硫率，遵循陜西省的地方標準中“灰樣的制備”操作程序，將雙環保(全硫和固硫率)指標體系換成單(Sg，d干燥基型煤排放氣體硫的含量)環保指標體系是可行的。