禁止原煤直接燃烧和淘汰小锅炉，控制燃煤工业锅炉二氧化硫污染

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　　1引言
　　燃煤工业锅炉是我国排放SO2的第二大污染源，但对城市大气污染贡献率却远远大于第一大污染源燃煤发电厂。可见，控制燃煤工业锅炉SO2污染，对控制我国大气环境污染具有极其重要的意义。
　　半个多世纪以来实践表明，应用传统的大气污染控制技术及设备，即旋风除尘器、水膜除尘器和烟气脱硫技术及设备，很难控制燃煤工业锅炉SO2污染。这些传统的技术及设备是高能耗、低效率和粗放型的，经济技术不配套，不是达不到环境法规的要求，就是经济技术上不允许，或技术上根本就没有过关。寻求最佳的燃煤工业锅炉SO2污染控制技术及设备，就成为我国20世纪80年代、90年代及今后社会共同关注的热点。
　　笔者根据我国能源的状况，及20多年来我国燃煤工业锅炉燃煤造成危害的反思，提出了一整套科学的、密切结合国情的、经济高效的《燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策》研究报告，本文就是该研究报告的六大对策之一，也是控制燃煤工业锅炉SO2污染最有效的根本对策，是任何方法不可替代的。
　　2禁止原煤直接燃烧
　　燃煤工业锅炉的热效率和煤炭燃烧大气污染物的生成及生成量，与煤炭的品质密切相关。因此，燃煤工业锅炉对煤炭的品质应有严格的要求，并列入国家标准，如国际市场动力煤的灰分一般不超过15%，硫分在1%以下。煤炭的品质包括：煤炭的组成、挥发份(V)、灰分(A)、水分(W)、发热量、煤种、粒度等。多年来，燃煤工业锅炉用煤炭的品质基本上得不到保证，而是原煤直接燃烧，我国工业锅炉燃烧的原煤占90%以上。
　　2.1原煤燃烧时严重污染大气环境和降低锅炉的热效率
　　2.1.1 煤炭的组成
　　煤炭是很复杂的固体碳氢燃料。除了所含的水分和矿物杂质外，其可燃成分主要是碳和氢，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
　　煤炭水分有内在水分和外在水分两种。内在水分是吸附和凝聚在煤炭内部的、细小的毛细孔中的水分;外在水分是煤炭在加工过程中存留在煤炭表面和裂隙中的水分。通常，煤炭内在水的绝对值是不变的，而外在水的绝对值是可变的，随产地、气象条件、生产、运输、贮存等条件而变化。不同的煤种水分差异很大，如烟煤水分一般为3～17%;褐煤水分为40～60%;泥煤水分高达85%。水分过高时煤炭发热量低，锅炉热效率也很低。
　　⑵煤炭的灰分(矿物质)
　　煤炭的灰分也有内在灰分和外在灰分两种。内在灰分是成煤植物中含的无机物和成煤过程中混入的矿物质。外在灰分是煤炭在开采过程中混入的岩石碎块。我国煤炭无机矿物杂质主要是硅及其化合物，其中主要成分是铝矾土、氧化硅、石灰石及各种氧化铁。有些地方的煤炭还含有微量的金属元素，如铜、镍、锰、汞、铬、钴、锑、铍、磷、砷、硼以及它们的氧化物等。有极少数地方的煤炭还含有微量的放射性元素，如钍、铀、镭等。目前，我国生产煤炭的灰分平均为27%，精煤的灰分低于10%，水分为11.5%，而劣质煤的灰分通常大于40%，或更高。
　　⑶煤炭的硫分
　　硫是煤炭中最常见的杂质，几乎所有的煤都含有硫。硫以四种形态存在于煤炭中，即元素硫、有机硫、硫化铁和硫酸盐。前三种为可燃硫，它随煤炭的燃烧而燃烧生成SO2。有机硫主要来源于植物的有机体，植物腐烂体在炭化过程中，组成煤的母体的碳原子与硫原子连接在一起而形成含硫有机化合物。硫化铁就是通常称为黄铁矿的物质混杂到煤炭中，使煤炭的含硫量变大。硫酸盐主要是指硫酸钙和硫酸镁，并以石膏CaSO4•2H2O为主。它们的化学性质比较稳定，一般只有在高温下才能起化学分解反应。在煤炭燃烧过程中，硫酸盐实际上不参加燃烧反应，故称硫酸盐中的硫为不可燃硫，最终变成灰渣。
　　我国煤炭总储量中，含硫量低于1%的低硫煤占17%，含硫量大于3%的高硫煤占25%，而含硫量为1～3%的中硫煤占58%。我国煤炭中含硫量高于2%的煤炭居多。我国不同种煤炭的平均硫分列于表1。
　　表1 我国各种煤炭的平均硫分
　　煤 种 干基全硫SQg(%)
　　平 均 值 最 低 最 高
　　褐 煤 1.11 0.15 5.20
　　长焰煤 0.74 0.13 2.33
　　不粘煤 0.89 0.12 2.51
　　弱粘煤 1.20 0.08 5.81
　　气 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
　　贫 煤 1.94 0.12 9.58
　　无烟煤 1.58 0.04 8.53
　　合 计 1.21 0.04 10.24
　　由表5可见，我国不同种煤炭平均硫分有明显差异，总的趋势是煤化度低的煤炭的硫分也较低，如长焰煤、不粘煤和气煤的平均硫分都在1%以下，强粘结性的肥煤的硫分最高，平均为2.33%。
　　2.1.2 原煤燃烧时大气污染物烟尘和SO2的生成
　　煤炭在锅炉内的燃烧，实质上是可燃元素和氧气在高温下发生剧烈的氧化反应。煤炭在锅炉内的燃烧反应，通常分为着火前的准备阶段、燃烧阶段和燃尽阶段。通常，煤炭燃烧主要反应按以下反应进行。
　　C+O2→CO2 (碳完全燃烧反应) ⑴
　　C+O2→CO (碳不完全燃烧反应) ⑵
　　H+O2→H2O ⑶
　　N+O2→NOx (煤炭中的N) ⑷
　　N+O2→NOx (空气中的N) ⑸
　　R-S→H2S+O2→SO2 (R-S为有机硫化物) ⑹
　　Fe2S+O2→SO2+SO3+Fe2O3 ⑺
　　灰分→烟尘+炉渣 ⑻
　　煤炭燃烧产生的烟气，主要含有CO2、 CO、H2O、SO2、SO3、NOx等，并有过量的O2与空气带入N2和烟尘，此外还有少量的烃类和醛类等，其生成量与煤种、燃烧方式及操作条件等因素有关。煤炭含硫量愈高，SO2的生成量也愈多，只有少量的硫变成SO3(小于1%～3%)，故含硫烟气中的SOx均以SO2计算。煤炭燃烧SO2的生成量可按下式计算：
　　G SO2=2WSSop ⑴
　　式中，G SO2——SO2的生成量，t/h;
　　W ——煤炭燃烧量，t/h;
　　S ——煤炭含硫量，%;
　　Sop——进入烟气中的硫分所占比例，一般取80%。
　　煤炭中所含的矿物质因不可燃烧而转变成灰分，一部分以炉渣形式排出，另一部分以烟尘形式悬浮于烟气中。煤含灰分愈高，烟尘的生产量愈多。煤炭燃烧时烟尘的生成量可按下式计算：
　　GA=BADF/(1-Cp) ⑵
　　式中，GA——烟尘的生成量，t/h;
　　A——煤炭的灰分，%;
　　B——煤炭燃烧量，t/h;
　　DF ——烟尘中灰分占煤炭中灰分的百分比，%;
　　Cp——烟尘中可燃物含量，%。
　　DF经验值和Cp经验值可从手册中查找到。
　　2.1.3 原煤燃烧时严重污染大气环境
　　如上所述，原煤所含的不可燃矿物杂质，一部分以炉渣方式进入灰渣，一部分以烟尘方式进入烟气形成含烟尘烟气，当烟尘的数量大于大气环境的自净化能力时就会污染大气环境，当排放的烟尘数量相当可观时，就会严重污染大气环境。我国每年工业锅炉原煤燃烧将含有600多万t烟尘的2.5×1012m3的烟气排放到大气环境中，成为我国城市大气环境颗粒物严重污染最主要的原因。
　　原煤中的灰分，不仅影响煤炭的发热量和锅炉的热效率，也会影响锅炉原始烟尘的排放浓度。试验表明，原煤灰分越高，排烟烟尘浓度也越高，烟尘污染大气环境也愈严重。例如，当锅炉负荷稳定在额定值，原煤灰分从10.5%提高到32.5%时，排烟烟尘浓度从700mg/ m3增加到2123mg/ m3。原始烟尘浓度增长的幅度和灰分增长的幅度基本相同。可以说原煤灰分愈高，污染大气也愈严重。
　　原煤所含的硫分除不可燃硫酸盐外，在全硫中占绝大部分的单质硫、有机硫和硫铁矿硫，燃烧时会生成SO2，并有80%的SO2随烟气一同排入大气环境。当排放到大气环境中的SO2的数量超过大气环境的自净化能力时就会造成大气污染，超过的量愈多，大气环境SO2污染愈严重。煤炭硫分愈高，大气环境SO2污染愈严重。每年我国工业锅炉将含有500多万t SO2的2.5×1012m3的烟气排放到大气环境，成为我国城市大气环境SO2严重污染的主要原因。
　　2.2 原煤含有适宜的水分燃烧时会降低烟气的原始烟尘浓度
　　通常，原煤水分过高时，一般会降低锅炉的热效率。原煤水分适宜时，不但不会降低锅炉的热效率，反而会降低锅炉原始的烟尘浓度。实验表明，当原煤水分从7.1%增加到11.3%时，不但锅炉热效率有所提高，而且锅炉原始烟尘浓度也从2216 mg/ m3降至1318 mg/ m3。另有试验表明，当锅炉稳定在额定值时，燃用灰分为10.5%的同一种煤，燃煤的水分从6.8%增加到15.2%时，锅炉原始烟尘浓度从3170 mg/ m3减少到1477 mg/ m3，减少了2.1倍，即原始烟尘浓度的减少和燃煤水分增加幅度相同。这是由于水分可使碎煤和块煤粘结在一起，减少漏煤和飞灰量。
　　2.3 原煤粒度适宜燃烧时可提高锅炉的热效率和减少大气污染物烟尘的生成量
　　原煤的粒度并非均一，并含有一定量的末煤。煤炭的粒度对工业锅炉热效率、大气污染物烟尘的生成量以及工业锅炉运行的影响很大。研究表明，当原煤粒度增加，层燃式锅炉排烟烟尘的浓度减少;原煤含末量增加时，烟尘浓度增加。
　　当煤层中夹杂着碎屑可使火床阻力增加易于产生火口，粒度不均在煤斗中容易产生机械分离，大块煤多集中在炉排两边，使得炉排通风不均匀，通风不足，使火床燃烧不均匀，不充分，明显降低锅炉的热效率，炉渣中碳含量增多，煤炭利用率不高，大气污染物烟尘的生成量明显增多。未经筛分的原煤在炉排上的燃烧是十分不利的，煤层堆得很结实，空隙度小，使热量不容易传到煤层深处，同时干燥过程中的水蒸气又不易散发出来，煤层着火困难。
　　不同类型的工业锅炉，对煤炭粒度要求不同。例如，链条炉燃烧烟煤时，要求烟煤粒度为25～50mm;一般最大粒度不应超过50mm，0～6mm的粉煤还应超过50～55%;流化床锅炉则要求煤炭的粒度为8～10mm。适宜的煤炭粒度，会提高锅炉的热效率，减少大气污染物烟尘的生成量，使锅炉运行稳定。
　　3 淘汰小锅炉
　　锅炉的热效率和污染物的生成量与锅炉容量的大小密切相关。通常，锅炉容量越小，锅炉的热效率越低，生成的烟尘量也越多，大气污染也越严重。当然，锅炉容量越小，锅炉的自动化、机械化、仪表化也越差，煤炭燃烧愈不完全，锅炉工作也愈不稳定。1982年全国小于2t/h的锅炉有12.6万台，共10.5×104t/h，分别占工业锅炉(包括采暖锅炉)总数和总蒸发量的53.0%和28.4%，热效率仅40%左右。
　　3.1 小锅炉燃烧方式落后，烟尘浓度高，大气污染严重，锅炉热效率低
　　小锅炉多是层燃式，燃烧方式落后，燃烧不稳定、不完全，热效率低，排烟烟尘浓度很高，通常为600～2000mg/m3，烟尘和炉渣中未燃烧的碳含量高。
　　3.2小锅炉自然通风，燃烧不完全，大气环境污染严重
　　小锅炉多是自然通风，过量空气系数α很低，通风不足，燃烧不完全，烟尘排放浓度高，大气环境污染严重，锅炉热效率低。
　　3.3小锅炉烟尘在炉膛内停留时间短，烟尘生排放多
　　小锅炉炉膛空间小，烟尘在炉膛内停留时间短，烟气中所含烟尘中的炭粒来不及完全燃烧就被排放到大气中，因此烟尘排放量多，大气环境污染严重，锅炉热效率低。
　　3.4小锅炉机械化自动化程度低，煤炭燃烧不稳定，燃烧不充分，烟尘生成量多，大气污染严重，锅炉热效率低
　　小锅炉机械化自动化程度很低，加煤、拨火和除尘等工作全部由人工操作。炉膛空间和每小时的燃煤量受人力限制不能太大。火床煤层厚度不均匀，自然通风不均匀，燃烧不完全，烟尘生成量大，大气环境污染严重，锅炉热效率低，煤炭利用率不高。
　　4. 改烧洁净煤制品或采用洁净煤技术，工业锅炉可实现经济效益和环境效益双赢
　　为确保提高工业锅炉的热效率，削减SO2和烟尘排放量，防治大气环境污染，工业锅炉应禁止直接燃烧原煤，改烧清洁燃料，如天然气、柴油、精煤等。但是，由于我国清洁燃料十分短缺，工业锅炉只能通过改烧洁净煤制品，实现经济效益和环境效益双赢。所谓洁净煤制品，是采用洁净煤技术，如洗选、筛分、加工、成型、转化等技术，把污染型的原煤转化成清洁燃料或比较清洁的燃料，如洗选后的洁净煤、工业固硫型煤、水煤浆、煤气等。工业锅炉改烧洁净煤制品，不但在经济上可获得良好的效益，如工业锅炉使用经过分级的粒度适当的煤炭，锅炉热效率可提高15%，而且在环境上也会获得良好的效益。此外，还可采用洁净燃烧技术和烟气脱硫技术控制燃煤工业锅炉SO2污染。
　　5. 结语
　　⑴禁止原煤直接燃烧和淘汰小锅炉，是控制燃煤工业锅炉SO2污染最简便和最有效的方法。这是因为原煤灰分高、硫分高、末量高、水分不适宜，燃烧时会产生大量的污染大气环境的烟尘和SO2，每年燃煤工业锅炉大约排放600多万t的烟尘和500多万t的SO2，造成我国城市大气污染相当严重。此外，原煤燃烧也会降低锅炉的热效率。淘汰小锅炉，是因为小锅炉炉膛空间小，燃烧方式落后，煤炭颗粒与空气接触不充分，供风不充分，烟气在炉膛内停留时间短，燃烧不充分，机械化自动化程度低，造成原始烟尘浓度很高，严重污染大气环境，煤炭利用率很低，锅炉热效率低。
　　⑵禁止工业锅炉直接燃烧原煤，首先将原煤经过洗选、筛分、加工、成型转变成洁净的煤制品，通过煤炭洁净技术，可大大降低煤炭的灰分和硫分，调整煤炭适宜的粒度和水分，制成洁净的煤炭，也可制成水煤浆及工业固硫型煤等洁净煤制品;或转化成洁净的气体燃料——煤气。这些洁净的煤制品再用作工业锅炉的燃料。工业锅炉燃烧这些洁净的煤制品，不仅大大提高工业锅炉的热效率，大大减少煤炭的消耗量，同时大大降低烟尘和SO2的排放量，既获得良好的经济效益，也获得良好的环境效益。应用洁净煤技术，每年可削减燃煤工业锅炉SO2的排放量250多万t和烟尘的排放量300多万t，工业锅炉热效率可提高25～30%以上，工业锅炉煤炭年消耗量可减少7000多万t。
　　⑶笔者建议，为了确保我国工业锅炉热效率高，大气污染物烟尘和SO2排放量最少化，我国有关部门应对工业锅炉用煤炭(动力煤或燃料煤)的性能做出科学的合理的要求，煤炭的性能应包括灰分、硫分、水分、粒度、煤种、挥发分、发热量等，并列入国家标准。市场上出售的工业锅炉用煤炭的性能，应达到上述国家标准，凡未达到国家标准的煤炭，一律不准出售。

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