居民燃煤污染中的燃烧技术探究_张成龙.pdf

21ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol.50 No.24 2022目前，全球仍有约30亿人使用煤炭、木材以及秸秆等固体燃料采暖和炊事1。他们通常使用低效的炉灶并排放大量污染物，严重影响了人居空气质量，每年造成全球大约400万人过早死亡1-3。不仅如此，这些污染物还会引发严重的区域大气环境污染3-5，例如居民燃煤排放是我国北方冬季灰霾最主要的污染源之一6。此外，固体燃料燃烧还会排放大量的CH4和CO2等温室气体，加剧全球气候变暖3。因此，居民固体燃料燃烧污染问题引起了国际社会的长期关注3,7。为解决此污染难题，各国政府、组织以及民众等积极组织实施了多项计划和措施3,8，主要包括炉灶改造、炉灶替代、成型燃料以及清洁能源替代等。例如我国早期通过炉灶增加烟囱来降低室内污染3，后又研发了蜂窝型煤及其配套炉具显著减少颗粒物排放9，前些年发展新型煤炉以及压块型煤等降低颗粒物排放10，近年来相对发达地区（例如京津冀地区）大面积实施天然气或电代替煤计划8，较大改善了我国部分地区居民燃煤污染问题。但是，在我国中西部偏远地区以及全球广大低收入国家的居民仍不易获得清洁能源和清洁燃烧炉灶，依然面临严重的煤炭和生物质等固体燃料燃烧污染问题3,7,8。固体燃料燃烧污染归根结底是燃料与燃烧技术的问题。只有从燃烧学角度出发，厘清固体燃料属性及其燃烧过程中污染物的形成和排放规律，进而探索居民固体燃料清洁燃烧技术，才能够真正解决居民固体燃料燃烧污染难题。本文以我国居民使用最广且污染最重的烟煤为例，探讨居民燃煤污染中的燃烧技术问题。居民燃煤污染中的燃烧技术探究*文/张成龙刘成堂刘鹏飞张圆圆刘俊锋牟玉静A Study on Combustion Technology for Air Pollution from Residents Coal Combustion居民燃煤排放污染物组成居民燃煤排放的大气污染物主要包括颗粒态污染物（PM2.5、OC、EC）和气态污染物（CO、VOCs、NH3、CH4、COS、NOx、SO2等）11。除NOx和SO2以外，大部分污染物都具有可燃性，主要由煤炭不完全燃烧产生，可将其归为可燃性污染物。然而对于NOx和SO2而言，其主要来自煤炭中含氮和含硫物质的直接氧化生成，其他来源基本可以忽略（例如居民燃煤在较低炉温条件下N2和O2反应生成的NOx），因此可将NOx和SO2归为燃料型污染物11-12。从表1中还可清楚地看到，各类污染物的排放因子波动范围较大（有的在13个数量级），可能是不同研究采用的燃料以及燃烧技术和工况不同所致，但这却暗示了在某些工况下居民散煤可以实现污染物超低排放的燃烧。由于居民燃煤排放的NOx和SO2主要受煤炭含氮、含硫量影响，所以只需选择低硫低氮燃料就可以很好地降低其排放11。对于可燃性污染物而言，只有先弄清煤炭燃烧过程中污染物的生成以及排放规律，才能够找到降低其排放的办法。居民散煤燃烧过程及污染物排放煤炭的燃烧是一个复杂的物理化学过程，主要包括煤的加热、煤的热解、挥发分的燃烧以及焦炭的燃烧四个过程12。首先煤的加热是指通过导热、对流和辐射等方式将煤温度升高的过程，加热初期主要去除煤炭中的水分，为煤炭的后续升温和热解提供保障。煤的加热包括外部传热和内部传热两个过程。外部传热是通过周围环境对煤炭摘 要 居民使用煤炭等固体燃料采暖或炊事时常排放出大量污染物，不仅会造成严重的空气污染，还严重影响居民身体健康和生命安全，受到国际社会的长期关注。本文基于居民燃煤污染物组成和煤的燃烧机理，探讨了污染物的产生及排放规律；结合居民燃煤炉灶类型，综述了居民煤炭主要燃烧技术的原理及优缺点；针对居民散煤的清洁燃烧，从居民用煤标准、清洁燃烧技术选择、清洁燃烧炉灶的科学评价几方面提出建议。关键词 居民燃煤；空气污染；燃烧技术；采暖；燃煤排放*基金项目：国家自然科学基项目（21876186，41975164）；重点研发计划项目（2022YFC3701103）DOI:10.14026/ki.0253-9705.2022.24.00722聚焦 F OCUS以散煤治理推进减污降碳协同增效传热的过程；内部传热是煤内部由外向内的传热过程。因此，煤的加热过程受煤的粒径、结构、含水量以及导热性质等多方面影响12。煤的热解过程是煤中某些弱键在较高温度下发生断裂而形成气态挥发分、焦油和焦炭的过程。热解初期，最弱键（如氢键和非共价键等）发生解聚反应而生成小分子化合物，随后进一步热解生成VOCs，CH4、CO、H2等气体，残留下来的液态焦油和固态的半焦炭类物质进一步热解和聚合形成固态半焦和焦炭。在热解过程中，煤中部分含氮、含硫物质也会热解并生成HCN、NH3、COS等气体。此外，热解析出的气体通常会在煤内部形成高压气泡，最后，这些气泡多以射流形式喷出，因此在烟煤热解过程中常伴随爆裂的发生，极易导致焦油和颗粒物排放。煤的结构、粒径以及热解属性和受热条件等因素直接影响煤的热解过程，并对挥发分产量、产率以及组成等造成影响12。挥发分的燃烧是指从煤中热解析出的挥发分与助燃氧气反应生产燃烧产物，同时释放大量热的过程。挥发分完全燃烧通常只会生成CO2，H2O，NOx和SO2等化合物，除燃料型污染物NOx和SO2外，其他污染物较少。由于挥发分的析出多以射流形式喷出，其燃烧受到气体温度、助燃氧气浓度及混合程度、停留时间等因素影响。当某些条件不能够保障挥发分物质充分燃烧时，就会导致其燃烧不完全而被直接排放，且还会伴随大量有机碳和炭黑等颗粒物12。焦炭的燃烧是指脱除挥发分后的固态半焦和焦炭与助燃氧气发生复杂的多相化学反应，并释放大量热的过程。由于焦炭在煤的重量和发热量方面都是最主要的（分别占55%97%和60%95%），因此焦炭燃烧过程是煤燃烧最重要的过程。在焦炭多相燃烧时，氧气必须到达焦炭表面附近，气体产物也必须从焦炭表面附近逸出。该过程既存在碳完全氧化生成CO2的过程，也存在碳部分氧化生成CO的过程，还有CO2在焦炭表面还原生成CO的过程12。由此可见，焦炭燃烧过程是CO的主要生成过程，同时也是CO氧化生成CO2的主要消耗过程。在居民实际燃煤过程中，固态焦炭与气态氧气难以实现较好的混合，极易造成局部燃烧区的供氧不足，从而导致高浓度CO的排放，这也很好地解释了居民燃煤过程中CO排放因子最高的现象（见表1）。基于上述煤炭燃烧的主要过程，可以清楚地认识到可燃性污染物的形成主要来自煤的热解和焦炭燃烧过程，消耗过程主要发生在挥发分燃烧和焦炭燃烧过程。如果要解决可燃性污染物的高排放问题，需要从污染物生成和消耗两个过程同时考虑。挥发分产生量最主要受煤中挥发分含量影响，而产生速率和组成则受煤结构、粒径大小以及加热速率和炉膛温度等多因素影响12,22。对于可燃性污染物CO，其产生和消耗主要受焦炭燃烧的影响。如采用无烟煤、低挥发煤以及低挥发分型煤替换烟煤，即便可以实现部分挥发和有机碳颗粒物的排放（所谓“无烟燃烧”），在不改变燃烧技术的情况下，可能依然存在CO的高浓度排放问题。此外，低挥发分燃料的着火温度较高，而燃烧速率较低，通常不能满足普通居民燃煤采暖和炊事的实际需求。因此，低挥发分燃料的直接替代并不是一个最优的解决方案，亟须结合燃烧机制探究居民清洁燃煤技术，从而解决居民燃煤高污染难题。居民燃煤中的燃烧技术居民燃煤需要在炉灶中进行，其主要类型包括：开放式炉灶（如火盆、地灶）3、正烧炉13、火箭炉23、催化炉24、反烧炉25、气化炉22,26、解耦炉27以及共燃炉11等。基于上述炉灶的结构和燃烧特点，可将燃烧技术归纳为以下几类：正烧层燃技术、反烧层燃技术、气化燃烧技术、气固耦合燃烧技术以及辅助燃烧技术等。下面将对各技术的机制及优缺点进行讨论。正烧层燃技术正烧层燃技术的燃烧从下向上进行，空气从下部进入并向上穿过整个煤炭层，煤炭从上方添加11,22。该燃烧技术最简便也最久远，自人类开始用火以来就被采用，目前在全球范围内仍被广泛使用3,7，主要代表炉型包括开放式炉灶、正烧炉和火箭炉等。该类燃烧技术特点体现为下部焦炭层的燃烧释放大量的热，为上部煤炭的加热和热解提供必要的高温条件，并维持煤炭连续燃烧；火焰向上非常便于采用高温火焰进行取暖或炊事，但氧气容易被底部焦炭的燃烧大量消耗，以至于上部热解析出的挥发分燃烧不充分，极易被快速上升（停留时间短）的气流携带排出，从而形成高污染的浓烟现象11。与此同时，底部焦炭燃烧表1 居民烟煤燃烧污染排放因子污染物排放因子/（g/kg）污染物排放因子/（g/kg）PM2.50.194213-16NH30.541.3011,16OC0.051713-16CH40.110.311,17,18EC0.1128.513,15,16,19COS0.571.4311,20CO70.762415-18NOx0.153.8417,21VOCs0.176.4811,17,18SO20.1520.415,2123ENVIRONMENTAL PROTECTION Vol.50 No.24 2022生成的高浓度CO2在穿过整个燃料层时又会被还原为CO，进而造成CO的高浓度排放12。当所有煤炭完成去挥发分后，炉膛内以半焦和焦炭燃烧为主，除了仍有一定量的CO排放外，其他可燃性污染物的排放均相对较低。为了持续获得热能，新鲜煤炭被添加到炽热的焦炭层上，一次高污染排放过程将重现，如此循环往复，最终导致居民燃煤污染物的周期性排放11。此外，封火过程也是居民燃煤常规操作，主要为了节省燃料或者长时间保持低速燃烧（如度过夜晚）20。在封火过程中，炽热的焦炭层上部被堆积了大量煤炭燃料，同时底部进风口被封闭，炉膛内氧气极其缺乏20，底部焦炭进行贫氧燃烧并生成大量CO，上部热解析出的挥发分也几乎无法燃烧，导致严重的污染排放，且该污染过程持续的时间较长（通常为几个到十几个小时）。如果房屋通风不畅，封火过程排放的CO会在室内快速积累，极易引起居民煤气中毒甚至死亡28。这类炉型虽然使用方便，但是污染严重，极易造成安全事故，因此该类技术无法实现高挥发分烟煤和褐煤的清洁燃烧。为了解决正烧层燃技术的高污染问题，辅助燃烧技术常被研发和配套使用。常见的辅助燃烧技术包括主动给风技术29、二次给风技术22和催化燃烧技术24。其中主动给风技术是通过风扇或者风机等设备主动增加炉灶的供氧量，以实现煤炭的富氧燃烧，从而实现污染物的减排29。但实际上，居民主动给风又会导致挥发分热解析出加速，并极大缩短挥发分在炉膛内的停留时间，依然无法保证挥发分的充分燃烧；在封火过程，通常关闭主动送风设备，该过程的严重污染问题仍未解决。二次给风技术主要是在正烧炉上部的气体燃烧室通入二次风，以促进热解挥发分的完全燃烧22。尽管二次给风可以在一定程度上改善因缺氧导致的挥发分燃烧不完全的问题22，但该技术不仅无法改善低温挥发分燃烧状况，还可能为封火过程中高浓度CO溢出提供重要通道11。催化燃烧技术是在气体燃烧室增加一套催化燃烧床（如铂、钯等贵金属催化剂），促进挥发分和CO等可燃性污染物的氧化燃烧24。然而催化剂工作温度起点较高（300500，甚至更高，因催化剂差异而不同），且极易被颗粒物覆盖而中毒失活，在缺氧以及低温工况条件下几乎无法发挥作用24，因此仍无法真正解决正烧层燃技术的高污染问题。由此可见，尽管辅助燃烧技术在一定程度上可以改善正烧层燃技术的污染问题，但均不能够从根本上解决煤炭燃烧的高污染问题。反烧层燃技术反烧层燃技术充分考虑了挥发分的热解析出和燃烧过程特点，将煤炭燃烧改为下吸式燃烧，焦炭燃烧依然从下向上进行，空气自上而下穿过整个煤炭燃料层，燃烧火焰穿过炉箅子向下22。该技术最早在20世纪初被发明25，在20世纪5070年代（即“伦敦烟雾事件”时期）得到发展和广泛推广，该技术的典型炉型为76式反烧炉30。由于反烧层燃技术气流自上向下流动，上部煤炭热解析出的挥发分被气流携带至下部炽热的焦炭层进行高温燃烧，较好地解决了居民燃煤浓烟颗粒物排放问题。然而空气穿过整个燃料层，极易造成最下部焦炭层燃烧缺氧，从而导致CO的高浓度排放。该技术还容易引起煤