禁止原煤直接燃燒和淘汰小鍋爐，控制燃煤工業(yè)鍋爐二氧化硫污染

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　　1引言
　　燃煤工業(yè)鍋爐是我國排放SO2的第二大污染源，但對城市大氣污染貢獻率卻遠遠大于第一大污染源燃煤發(fā)電廠。可見，控制燃煤工業(yè)鍋爐SO2污染，對控制我國大氣環(huán)境污染具有極其重要的意義。
　　半個多世紀以來實踐表明，應用傳統(tǒng)的大氣污染控制技術及設備，即旋風除塵器、水膜除塵器和煙氣脫硫技術及設備，很難控制燃煤工業(yè)鍋爐SO2污染。這些傳統(tǒng)的技術及設備是高能耗、低效率和粗放型的，經濟技術不配套，不是達不到環(huán)境法規(guī)的要求，就是經濟技術上不允許，或技術上根本就沒有過關。尋求最佳的燃煤工業(yè)鍋爐SO2污染控制技術及設備，就成為我國20世紀80年代、90年代及今后社會共同關注的熱點。
　　筆者根據我國能源的狀況，及20多年來我國燃煤工業(yè)鍋爐燃煤造成危害的反思，提出了一整套科學的、密切結合國情的、經濟高效的《燃煤工業(yè)鍋爐SO2污染綜合防治對策》研究報告，本文就是該研究報告的六大對策之一，也是控制燃煤工業(yè)鍋爐SO2污染最有效的根本對策，是任何方法不可替代的。
　　2禁止原煤直接燃燒
　　燃煤工業(yè)鍋爐的熱效率和煤炭燃燒大氣污染物的生成及生成量，與煤炭的品質密切相關。因此，燃煤工業(yè)鍋爐對煤炭的品質應有嚴格的要求，并列入國家標準，如國際市場動力煤的灰分一般不超過15%，硫分在1%以下。煤炭的品質包括：煤炭的組成、揮發(fā)份(V)、灰分(A)、水分(W)、發(fā)熱量、煤種、粒度等。多年來，燃煤工業(yè)鍋爐用煤炭的品質基本上得不到保證，而是原煤直接燃燒，我國工業(yè)鍋爐燃燒的原煤占90%以上。
　　2.1原煤燃燒時嚴重污染大氣環(huán)境和降低鍋爐的熱效率
　　2.1.1 煤炭的組成
　　煤炭是很復雜的固體碳氫燃料。除了所含的水分和礦物雜質外，其可燃成分主要是碳和氫，并含有少量的氧、氮、硫、磷。其中，硫、氮、磷是煤炭中的有害成分，而硫危害最大。
　　⑴煤炭的水分
　　煤炭水分有內在水分和外在水分兩種。內在水分是吸附和凝聚在煤炭內部的、細小的毛細孔中的水分;外在水分是煤炭在加工過程中存留在煤炭表面和裂隙中的水分。通常，煤炭內在水的絕對值是不變的，而外在水的絕對值是可變的，隨產地、氣象條件、生產、運輸、貯存等條件而變化。不同的煤種水分差異很大，如煙煤水分一般為3～17%;褐煤水分為40～60%;泥煤水分高達85%。水分過高時煤炭發(fā)熱量低，鍋爐熱效率也很低。
　　⑵煤炭的灰分(礦物質)
　　煤炭的灰分也有內在灰分和外在灰分兩種。內在灰分是成煤植物中含的無機物和成煤過程中混入的礦物質。外在灰分是煤炭在開采過程中混入的巖石碎塊。我國煤炭無機礦物雜質主要是硅及其化合物，其中主要成分是鋁礬土、氧化硅、石灰石及各種氧化鐵。有些地方的煤炭還含有微量的金屬元素，如銅、鎳、錳、汞、鉻、鈷、銻、鈹、磷、砷、硼以及它們的氧化物等。有極少數地方的煤炭還含有微量的放射性元素，如釷、鈾、鐳等。目前，我國生產煤炭的灰分平均為27%，精煤的灰分低于10%，水分為11.5%，而劣質煤的灰分通常大于40%，或更高。
　　⑶煤炭的硫分
　　硫是煤炭中最常見的雜質，幾乎所有的煤都含有硫。硫以四種形態(tài)存在于煤炭中，即元素硫、有機硫、硫化鐵和硫酸鹽。前三種為可燃硫，它隨煤炭的燃燒而燃燒生成SO2。有機硫主要來源于植物的有機體，植物腐爛體在炭化過程中，組成煤的母體的碳原子與硫原子連接在一起而形成含硫有機化合物。硫化鐵就是通常稱為黃鐵礦的物質混雜到煤炭中，使煤炭的含硫量變大。硫酸鹽主要是指硫酸鈣和硫酸鎂，并以石膏CaSO4•2H2O為主。它們的化學性質比較穩(wěn)定，一般只有在高溫下才能起化學分解反應。在煤炭燃燒過程中，硫酸鹽實際上不參加燃燒反應，故稱硫酸鹽中的硫為不可燃硫，最終變成灰渣。
　　我國煤炭總儲量中，含硫量低于1%的低硫煤占17%，含硫量大于3%的高硫煤占25%，而含硫量為1～3%的中硫煤占58%。我國煤炭中含硫量高于2%的煤炭居多。我國不同種煤炭的平均硫分列于表1。
　　表1 我國各種煤炭的平均硫分
　　煤 種 干基全硫SQg(%)
　　平 均 值 最 低 最 高
　　褐 煤 1.11 0.15 5.20
　　長焰煤 0.74 0.13 2.33
　　不粘煤 0.89 0.12 2.51
　　弱粘煤 1.20 0.08 5.81
　　氣 煤 0.78 0.10 10.24
　　肥 煤 2.33 0.11 8.56
　　焦 煤 1.41 0.99 6.38
　　瘦 煤 1.82 0.15 7.22
　　貧 煤 1.94 0.12 9.58
　　無煙煤 1.58 0.04 8.53
　　合 計 1.21 0.04 10.24
　　由表5可見，我國不同種煤炭平均硫分有明顯差異，總的趨勢是煤化度低的煤炭的硫分也較低，如長焰煤、不粘煤和氣煤的平均硫分都在1%以下，強粘結性的肥煤的硫分最高，平均為2.33%。
　　2.1.2 原煤燃燒時大氣污染物煙塵和SO2的生成
　　煤炭在鍋爐內的燃燒，實質上是可燃元素和氧氣在高溫下發(fā)生劇烈的氧化反應。煤炭在鍋爐內的燃燒反應，通常分為著火前的準備階段、燃燒階段和燃盡階段。通常，煤炭燃燒主要反應按以下反應進行。
　　C+O2→CO2 (碳完全燃燒反應) ⑴
　　C+O2→CO (碳不完全燃燒反應) ⑵
　　H+O2→H2O ⑶
　　N+O2→NOx (煤炭中的N) ⑷
　　N+O2→NOx (空氣中的N) ⑸
　　R-S→H2S+O2→SO2 (R-S為有機硫化物) ⑹
　　Fe2S+O2→SO2+SO3+Fe2O3 ⑺
　　灰分→煙塵+爐渣 ⑻
　　煤炭燃燒產生的煙氣，主要含有CO2、 CO、H2O、SO2、SO3、NOx等，并有過量的O2與空氣帶入N2和煙塵，此外還有少量的烴類和醛類等，其生成量與煤種、燃燒方式及操作條件等因素有關。煤炭含硫量愈高，SO2的生成量也愈多，只有少量的硫變成SO3(小于1%～3%)，故含硫煙氣中的SOx均以SO2計算。煤炭燃燒SO2的生成量可按下式計算：
　　G SO2=2WSSop ⑴
　　式中，G SO2——SO2的生成量，t/h;
　　W ——煤炭燃燒量，t/h;
　　S ——煤炭含硫量，%;
　　Sop——進入煙氣中的硫分所占比例，一般取80%。
　　煤炭中所含的礦物質因不可燃燒而轉變成灰分，一部分以爐渣形式排出，另一部分以煙塵形式懸浮于煙氣中。煤含灰分愈高，煙塵的生產量愈多。煤炭燃燒時煙塵的生成量可按下式計算：
　　GA=BADF/(1-Cp) ⑵
　　式中，GA——煙塵的生成量，t/h;
　　A——煤炭的灰分，%;
　　B——煤炭燃燒量，t/h;
　　DF ——煙塵中灰分占煤炭中灰分的百分比，%;
　　Cp——煙塵中可燃物含量，%。
　　DF經驗值和Cp經驗值可從手冊中查找到。
　　2.1.3 原煤燃燒時嚴重污染大氣環(huán)境
　　如上所述，原煤所含的不可燃礦物雜質，一部分以爐渣方式進入灰渣，一部分以煙塵方式進入煙氣形成含煙塵煙氣，當煙塵的數量大于大氣環(huán)境的自凈化能力時就會污染大氣環(huán)境，當排放的煙塵數量相當可觀時，就會嚴重污染大氣環(huán)境。我國每年工業(yè)鍋爐原煤燃燒將含有600多萬t煙塵的2.5×1012m3的煙氣排放到大氣環(huán)境中，成為我國城市大氣環(huán)境顆粒物嚴重污染最主要的原因。
　　原煤中的灰分，不僅影響煤炭的發(fā)熱量和鍋爐的熱效率，也會影響鍋爐原始煙塵的排放濃度。試驗表明，原煤灰分越高，排煙煙塵濃度也越高，煙塵污染大氣環(huán)境也愈嚴重。例如，當鍋爐負荷穩(wěn)定在額定值，原煤灰分從10.5%提高到32.5%時，排煙煙塵濃度從700mg/ m3增加到2123mg/ m3。原始煙塵濃度增長的幅度和灰分增長的幅度基本相同。可以說原煤灰分愈高，污染大氣也愈嚴重。
　　原煤所含的硫分除不可燃硫酸鹽外，在全硫中占絕大部分的單質硫、有機硫和硫鐵礦硫，燃燒時會生成SO2，并有80%的SO2隨煙氣一同排入大氣環(huán)境。當排放到大氣環(huán)境中的SO2的數量超過大氣環(huán)境的自凈化能力時就會造成大氣污染，超過的量愈多，大氣環(huán)境SO2污染愈嚴重。煤炭硫分愈高，大氣環(huán)境SO2污染愈嚴重。每年我國工業(yè)鍋爐將含有500多萬t SO2的2.5×1012m3的煙氣排放到大氣環(huán)境，成為我國城市大氣環(huán)境SO2嚴重污染的主要原因。
　　2.2 原煤含有適宜的水分燃燒時會降低煙氣的原始煙塵濃度
　　通常，原煤水分過高時，一般會降低鍋爐的熱效率。原煤水分適宜時，不但不會降低鍋爐的熱效率，反而會降低鍋爐原始的煙塵濃度。實驗表明，當原煤水分從7.1%增加到11.3%時，不但鍋爐熱效率有所提高，而且鍋爐原始煙塵濃度也從2216 mg/ m3降至1318 mg/ m3。另有試驗表明，當鍋爐穩(wěn)定在額定值時，燃用灰分為10.5%的同一種煤，燃煤的水分從6.8%增加到15.2%時，鍋爐原始煙塵濃度從3170 mg/ m3減少到1477 mg/ m3，減少了2.1倍，即原始煙塵濃度的減少和燃煤水分增加幅度相同。這是由于水分可使碎煤和塊煤粘結在一起，減少漏煤和飛灰量。
　　2.3 原煤粒度適宜燃燒時可提高鍋爐的熱效率和減少大氣污染物煙塵的生成量
　　原煤的粒度并非均一，并含有一定量的末煤。煤炭的粒度對工業(yè)鍋爐熱效率、大氣污染物煙塵的生成量以及工業(yè)鍋爐運行的影響很大。研究表明，當原煤粒度增加，層燃式鍋爐排煙煙塵的濃度減少;原煤含末量增加時，煙塵濃度增加。
　　當煤層中夾雜著碎屑可使火床阻力增加易于產生火口，粒度不均在煤斗中容易產生機械分離，大塊煤多集中在爐排兩邊，使得爐排通風不均勻，通風不足，使火床燃燒不均勻，不充分，明顯降低鍋爐的熱效率，爐渣中碳含量增多，煤炭利用率不高，大氣污染物煙塵的生成量明顯增多。未經篩分的原煤在爐排上的燃燒是十分不利的，煤層堆得很結實，空隙度小，使熱量不容易傳到煤層深處，同時干燥過程中的水蒸氣又不易散發(fā)出來，煤層著火困難。
　　不同類型的工業(yè)鍋爐，對煤炭粒度要求不同。例如，鏈條爐燃燒煙煤時，要求煙煤粒度為25～50mm;一般最大粒度不應超過50mm，0～6mm的粉煤還應超過50～55%;流化床鍋爐則要求煤炭的粒度為8～10mm。適宜的煤炭粒度，會提高鍋爐的熱效率，減少大氣污染物煙塵的生成量，使鍋爐運行穩(wěn)定。
　　3 淘汰小鍋爐
　　鍋爐的熱效率和污染物的生成量與鍋爐容量的大小密切相關。通常，鍋爐容量越小，鍋爐的熱效率越低，生成的煙塵量也越多，大氣污染也越嚴重。當然，鍋爐容量越小，鍋爐的自動化、機械化、儀表化也越差，煤炭燃燒愈不完全，鍋爐工作也愈不穩(wěn)定。1982年全國小于2t/h的鍋爐有12.6萬臺，共10.5×104t/h，分別占工業(yè)鍋爐(包括采暖鍋爐)總數和總蒸發(fā)量的53.0%和28.4%，熱效率僅40%左右。
　　3.1 小鍋爐燃燒方式落后，煙塵濃度高，大氣污染嚴重，鍋爐熱效率低
　　小鍋爐多是層燃式，燃燒方式落后，燃燒不穩(wěn)定、不完全，熱效率低，排煙煙塵濃度很高，通常為600～2000mg/m3，煙塵和爐渣中未燃燒的碳含量高。
　　3.2小鍋爐自然通風，燃燒不完全，大氣環(huán)境污染嚴重
　　小鍋爐多是自然通風，過量空氣系數α很低，通風不足，燃燒不完全，煙塵排放濃度高，大氣環(huán)境污染嚴重，鍋爐熱效率低。
　　3.3小鍋爐煙塵在爐膛內停留時間短，煙塵生排放多
　　小鍋爐爐膛空間小，煙塵在爐膛內停留時間短，煙氣中所含煙塵中的炭粒來不及完全燃燒就被排放到大氣中，因此煙塵排放量多，大氣環(huán)境污染嚴重，鍋爐熱效率低。
　　3.4小鍋爐機械化自動化程度低，煤炭燃燒不穩(wěn)定，燃燒不充分，煙塵生成量多，大氣污染嚴重，鍋爐熱效率低
　　小鍋爐機械化自動化程度很低，加煤、撥火和除塵等工作全部由人工操作。爐膛空間和每小時的燃煤量受人力限制不能太大。火床煤層厚度不均勻，自然通風不均勻，燃燒不完全，煙塵生成量大，大氣環(huán)境污染嚴重，鍋爐熱效率低，煤炭利用率不高。
　　4. 改燒潔凈煤制品或采用潔凈煤技術，工業(yè)鍋爐可實現(xiàn)經濟效益和環(huán)境效益雙贏
　　為確保提高工業(yè)鍋爐的熱效率，削減SO2和煙塵排放量，防治大氣環(huán)境污染，工業(yè)鍋爐應禁止直接燃燒原煤，改燒清潔燃料，如天然氣、柴油、精煤等。但是，由于我國清潔燃料十分短缺，工業(yè)鍋爐只能通過改燒潔凈煤制品，實現(xiàn)經濟效益和環(huán)境效益雙贏。所謂潔凈煤制品，是采用潔凈煤技術，如洗選、篩分、加工、成型、轉化等技術，把污染型的原煤轉化成清潔燃料或比較清潔的燃料，如洗選后的潔凈煤、工業(yè)固硫型煤、水煤漿、煤氣等。工業(yè)鍋爐改燒潔凈煤制品，不但在經濟上可獲得良好的效益，如工業(yè)鍋爐使用經過分級的粒度適當的煤炭，鍋爐熱效率可提高15%，而且在環(huán)境上也會獲得良好的效益。此外，還可采用潔凈燃燒技術和煙氣脫硫技術控制燃煤工業(yè)鍋爐SO2污染。
　　5. 結語
　　⑴禁止原煤直接燃燒和淘汰小鍋爐，是控制燃煤工業(yè)鍋爐SO2污染最簡便和最有效的方法。這是因為原煤灰分高、硫分高、末量高、水分不適宜，燃燒時會產生大量的污染大氣環(huán)境的煙塵和SO2，每年燃煤工業(yè)鍋爐大約排放600多萬t的煙塵和500多萬t的SO2，造成我國城市大氣污染相當嚴重。此外，原煤燃燒也會降低鍋爐的熱效率。淘汰小鍋爐，是因為小鍋爐爐膛空間小，燃燒方式落后，煤炭顆粒與空氣接觸不充分，供風不充分，煙氣在爐膛內停留時間短，燃燒不充分，機械化自動化程度低，造成原始煙塵濃度很高，嚴重污染大氣環(huán)境，煤炭利用率很低，鍋爐熱效率低。
　　⑵禁止工業(yè)鍋爐直接燃燒原煤，首先將原煤經過洗選、篩分、加工、成型轉變成潔凈的煤制品，通過煤炭潔凈技術，可大大降低煤炭的灰分和硫分，調整煤炭適宜的粒度和水分，制成潔凈的煤炭，也可制成水煤漿及工業(yè)固硫型煤等潔凈煤制品;或轉化成潔凈的氣體燃料——煤氣。這些潔凈的煤制品再用作工業(yè)鍋爐的燃料。工業(yè)鍋爐燃燒這些潔凈的煤制品，不僅大大提高工業(yè)鍋爐的熱效率，大大減少煤炭的消耗量，同時大大降低煙塵和SO2的排放量，既獲得良好的經濟效益，也獲得良好的環(huán)境效益。應用潔凈煤技術，每年可削減燃煤工業(yè)鍋爐SO2的排放量250多萬t和煙塵的排放量300多萬t，工業(yè)鍋爐熱效率可提高25～30%以上，工業(yè)鍋爐煤炭年消耗量可減少7000多萬t。
　　⑶筆者建議，為了確保我國工業(yè)鍋爐熱效率高，大氣污染物煙塵和SO2排放量最少化，我國有關部門應對工業(yè)鍋爐用煤炭(動力煤或燃料煤)的性能做出科學的合理的要求，煤炭的性能應包括灰分、硫分、水分、粒度、煤種、揮發(fā)分、發(fā)熱量等，并列入國家標準。市場上出售的工業(yè)鍋爐用煤炭的性能，應達到上述國家標準，凡未達到國家標準的煤炭，一律不準出售。

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DLG

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