燃烧水煤浆与煤烟尘排放及其超细颗粒的研究

燃烧水煤浆与煤烟尘排放及其超细颗粒的研究王秀月、王柱勇、何国锋、贾传凯（国家水煤浆工程技术研究中心北京100013）摘要：通过对燃烧水煤浆与煤烟尘排放特性的研究及其超细颗粒PM10、PM2.5排放实测结果的对比分析研究，得出结论：燃用水煤浆和煤粉锅炉相比，其烟尘浓度、排放量是低的；PM10、PM2.5在烟气中所占比例比原煤略高，但总排放量是低的。关键词：水煤浆、烟尘排放特性研究、超细颗粒实测和分析研究。（作者简介：王秀月，北京，高级工程师，国家水煤浆工程技术研究中心）水煤浆作为一种高效低污染排放的流体燃料，在我国工业锅炉、工业窑炉和电站锅炉上已经得到了应用，取得了明显的经济和环保效益。但对水煤浆燃烧后烟气中粉尘微细颗粒、尤其是PM10、PM2.5的排放特性缺乏研究和实测，在一定程度上影响了水煤浆的进一步推广应用。一、燃烧水煤浆与煤的对比分析研究1、燃料环保性分析目前，不论是电站煤粉锅炉还是小型的链条炉，都存在着运输泄漏、储煤场地巨大等问题，同时也造成一定的粉尘污染。而水煤浆是液态燃料，在燃烧之前其性质和重油相似，而且在常温下可以自由流动，粘度为1000±200mPa.s，可以实现运输全程密闭无泄漏，没有粉尘污染；也不需要储煤场，目前都是采用存储罐。运输存储方便、环保、安全。2、燃烧中对比水煤浆的燃烧原理与煤粉相似，但是水煤浆中含有35%左右的水份，这就使得水煤浆在燃烧时的炉膛温度比煤粉下降150℃左右，实现了低温燃烧，有效的控制了NOx的生成和排放，据有关试验结果表明，水煤浆燃烧时Nox的排放比煤粉低，参见图1。图1Nox排放对比水煤浆燃烧过程中，由于水份蒸发的后期有结团现象，即形成内部空且多孔结构的粒子，增大了比表面积。水煤浆燃烧后的烟尘飞灰平均直径如图2所示。从图2中可以看出，水煤浆燃烧产生的烟尘飞灰尺寸明显大于细煤和粗煤。即因有结团现象，所产生的烟尘飞灰平均直径通常大于燃煤。而颗粒越大，在大气中越易沉降，通过不同的除尘方式也更易于除去它们，减少对大气的污染。图2水煤浆、煤飞灰尺寸比较3、烟气排放比较水煤浆产品通常以精煤制成，其灰份含量比原煤要低得多，就烟尘的生成源来说，水煤浆燃烧生产的烟尘会大大少于将原煤直接粉碎后的燃烧方式。和煤粉炉比较，水煤浆的灰份较低，产生的烟尘总量应比煤粉炉少。(1)、燃用水煤浆与煤粉锅炉的比较表1燃用水煤浆与煤粉锅炉烟尘总量的理论分析：燃料类别灰份烟气总容积烟气中带走飞灰的份额过量空气系数烟尘初始浓度（mg/Nm3）煤粉13%7.50.91.312000水煤浆6%7.00.851.35604表2所测试的电厂锅炉烟尘排放数据：除尘器前除尘器后名称浓度mg/Nm3排放量kg/h浓度mg/Nm3排放量kg/h除尘效率%220T/h水煤浆92602854463142.994.99（二电场）220T/h煤粉19686.97716.569.928.6999.63（三电场）从表1、2中可以看出，理论分析和实测数据是相吻合的，说明：类似220T/H锅炉的烟尘初始排放浓度，煤粉是水煤浆锅炉的2倍以上。(2)、10T/h以下链条炉与水煤浆锅炉的比较表3烟尘总量的理论分析：燃料类别灰份烟气总容积烟气中带走飞灰的份额过量空气系数烟尘初始浓度（mg/Nm3）原煤（链条炉）30%7.515%1.54000水煤浆锅炉6%7.080%1.44987表4所测试工业锅炉烟尘排放数据：除尘器前除尘器后企业名称浓度mg/m3排放量kg/h浓度mg/m3排放量kg/h除尘效率%6T/h水煤浆492.94.29169.81.4965.27（非正常）4T/h水煤浆2034.0(非正常)10.6515.10.1198.9720T/h链条炉2053.9(非正常)89.01148.74.3795.09从理论计算看，10T/h以下水煤浆锅炉的烟尘初始浓度大于原煤（链条炉）；而实测数据显示20T/H链条炉烟尘初始浓度大于水煤浆炉，这是非正常情况，仅做参考。(3)、对于除尘器后的烟尘排放浓度和排放量与除尘器的可收集性、除尘效率等有很大关系。有文献针对小型和工业电除尘器进行了研究，表5中示出了除尘效率的测量值，对于小型电除尘器，燃水煤浆和燃油除尘器效率分别为95.9％和64.2％。对于工业电除尘器，燃水煤浆时，三电场的除尘效率为97.5％，六电场的则达到了99.5％，而燃油时则为63.3％（二电场）。详见表5，说明燃水煤浆比燃油、油煤粉混烧，电除尘效率高。表5小型电除尘器和工业电除尘器平均集尘效率数据SCAm2/m3/sVKVJnA/cm2C1mg/Nm3C2mg/Nm3η%小型电除尘器燃油油，煤粉混烧水煤浆61616454545504030140305062005014025064.295.495.9工业电除尘器燃油水煤浆水煤浆41(2)50(3)80(6)4545453040402451300013500903307163.397.599.5据有关文献报道，采用静电除尘技术收集水煤浆和煤粉烟尘的比较试验表明：水煤浆烟尘的静电可收集性优于煤粉，水煤浆的烟尘可收集性（以水煤浆为准取值100）为100、煤粉为62—94，详见表6所示。表6、水煤浆和煤粉烟尘可收集性比较4、烟气中PM10、PM2.5分析从总体上分析，水煤浆产品的平均粒径大约50μm，比煤粉要稍细一些，而在燃烧过程中，水煤浆存在着大量的结团燃烧、颗粒较大现象，所以烟气中粉尘的粒度分布应与煤粉大致相同。图3是水煤浆燃烧产生烟尘的粒度分布。图3水煤浆燃烧烟尘的粒度分布从图3中可以看出，粒度小于10μm的烟尘占45％左右，重量百分比50%相对应的颗粒当量直径为12μm左右，经计算细微颗粒的平均直径大约18μm。表7烟气中灰粒的平均直径燃烧设备燃料（不包括水煤浆）平均直径（μm）室燃炉，球磨机所有燃料13室燃炉，中速磨泥煤以外所有燃料16层燃炉所有燃料20烟尘的可收集性水煤浆100煤粉94水煤浆100煤粉68水煤浆100煤粉62烟气温度℃152150154150145150烟气湿度v（%）19.78.016.26.015.68.1烟气和烟尘特性颗粒平均直径（um）21.313.515.916.617.913.0从表7中可以看出，煤粉炉（室燃炉）和链条炉（层燃炉）的烟气中灰粒的平均直径在13-20µm之间，水煤浆烟气中灰粒的平均直径大约18µm。所以可以得出这样的结论：在烟气中的颗粒平均直径，水煤浆介于层燃炉和煤粉炉之间，比链条炉（层燃炉）平均直径小，比煤粉炉（室燃炉）大。二、测试结果与分析在2003年9-10月分别对燃用水煤浆、燃煤锅炉烟尘排放及烟气中PM10、PM2.5进行了实测，结果为表2、4、8，并进行分析。a)220t/h锅炉燃用水煤浆和煤粉对比从表2中看出，单位容量烟尘浓度、排放量（除尘器前）燃煤都是水煤浆的2倍以上，只是经除尘器后水煤浆的粉尘浓度、排放量大于燃煤。这是由于其静电除尘设备原选型时，就仅为二电场，经过5年左右的时间现在，除尘效率更低了，本次测试效率仅为94.99%太低。若使用中除尘器效率提高到与燃煤的一样为99.6%，经计算除尘后：燃用水煤浆的粉尘排放浓度为37mg/m3，排放量为11.42kg/h，燃煤是水煤浆的1.89-2.5倍，当然要达此数据就要相应的改进除尘设备、提高除尘效率。2、4t/h、6t/h水煤浆锅炉和20t/h链条燃煤锅炉相比（见表4）单位容量烟尘排放量（除尘器前）原煤是水煤浆的2倍左右或更高。经除尘后，除尘效率低（65.27%）的6t/h水煤浆锅炉烟尘排放浓度高于20t/h燃煤锅炉，但除尘效率高（98.97%）的4t/h水煤浆锅炉，烟尘排放浓度低于20t/h燃煤锅炉。而6t/h水煤浆锅炉的除尘效率太低（65.27），如果提高到90%左右时，其排尘浓度为49.29mg/m3，低于20t/h燃煤锅炉3倍。另外，4t/h、6t/h水煤浆锅炉属悬浮燃烧，20t/h链条炉属层燃，其燃烧方式不同，除尘器前入口含尘浓度应明显少于水煤浆炉2倍以上（相同灰份煤质时），但从表4中并未体现。3、烟气排放中PM10、PM2.5含量分析监测地点PM10尘体积/总尘体积%PM2.5尘体积/总尘体积%备注220T/H水煤浆炉67.43（除尘效率94.99%）25.04粒径分表8烟气中PM10、PM2.5检测结果从检测结果看，水煤浆锅炉PM10、PM2.5在总粉尘中所占总尘体积白分比稍高一点，但是在除尘效率大约95%时的数据、比链条炉高。如提高除尘效率水煤浆和煤粉相同99.6%，经计算即同容量（220T/H）锅炉PM10、PM2.5的排放：燃煤粉是水煤浆的2.1倍，即燃用水煤浆总排放量比煤粉炉是少的。三、结论：1、燃料环保性：水煤浆在制备、运输、存储上比煤粉和原煤要方便、安全、环保，在使用之前不存在污染问题；水煤浆燃烧本身就是低温燃烧技术，可以有效的控制NOx的生成和排放。燃烧后产生的烟尘浓度中，水煤浆介于煤粉和原煤之间，稍高于燃用原煤的链条炉，煤粉锅炉是水煤浆的2倍。2、由于水煤浆燃烧有结团、飞灰尺寸比煤粉大等特点，即颗粒越大，除尘器更易于除去。燃用水煤浆比燃油、油煤粉混烧，电除尘效率高；水煤浆的静电可收集性优于煤粉。3、据监测数据：在除尘器锅炉烟尘浓度、排放量，燃煤是水煤浆的2倍左右；在除尘器后烟气的排放浓度、排放量和除尘效率成反比；若两者除尘效率相同，燃煤是水煤浆的2倍以上。就目前的除尘设备效率，燃用水煤浆均能达到当地环保要求。4、在水煤浆锅炉的烟气排放中，细微颗粒PM10、PM2.5的单位容量总尘体积百分比略高于链条炉和煤粉炉；在除尘效率相同时，同容量燃用煤粉的锅炉是水煤浆的2倍以上，即水煤浆总排放量是低的。当然，要取得更准确的结论，还需做进一步的检测和研究工作。220T/H煤粉炉65.84（除尘效率99.63%）21.5920T/h链条炉44.76（除尘效率95.09%）18.60析仪