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1、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：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：（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
2、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一、燃烧水煤浆与煤的对比分析研究 1、燃料环保性分析、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 1000200mPa.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
3、存储方便、环保、安全。2、燃烧中对比、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 1 Nox 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
4、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、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、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%7.5 0.9 1.3 12000 水煤浆 6%7.0 0
5、.85 1.3 5604 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 9260 2854 463 142.9 94.99（二电场）220T/h煤粉 19686.9 7716.5 69.9 28.69 99.63（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
6、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%7.5 15%1.5 4000 水煤浆锅炉 6%7.0 80%1.4 4987 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 492.9 4.29 169.8 1.49 65.27（非正常）4T/h水煤浆 2034.0(非正常)10.65 15.1 0.11 98.97 20T/h链条炉 2053.9(非正常)89.01 148.7 4.37 95.09
7、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、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，
8、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 SCA m2/m3/s V KV J nA/cm2 C1 mg/Nm3 C2 mg/Nm3%小 型 电除尘器 燃油 油，煤粉混烧 水煤浆 6 16 16 45 45 45 50 40 30 140 3050 6200 50 140 250 64.2 95.4 95.9 工 业 电除尘器 燃油 水煤浆 水煤浆 41(2)50(3)80(6)45 45 45 30 40 40 245 13000 13500 90 330 71 63.3 97.5 99.5 据有关文献报道，采用静电除尘技术收集水煤浆和
9、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 6294，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、烟气中 PM10、PM2.5 分析分析 从总体上分析，水煤浆产品的平均粒径大约 50m，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 10m 的烟尘占 45左右，重量百分比 50%相对应的颗粒当量直径为 12m 左右，
10、经计算细微颗粒的平均直径大约 18m。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（m）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 152 150 154 150 145 150 烟气湿度 v（%）19.7 8.0 16.2 6.0 15.6 8.1 烟气和烟尘特性 颗粒平均直径（um）21.3 13.5 15.9 16.6 17.9 13.0 从表 7 中可以看出，煤粉炉（室燃炉）和链条炉（层燃炉）的烟气
11、中灰粒的平均直径在 13-20m 之间，水煤浆烟气中灰粒的平均直径大约 18m。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
12、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 水煤浆锅炉和水煤浆锅炉和 20t/h 链条燃煤锅炉相比（见表链条燃煤锅炉相比（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/
13、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、烟气排放中 PM10、PM2.5 含量分析含量分析 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
14、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：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
15、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%）21.59 20T/h 链条炉 44.76（除尘效率 95.09%）18.60 析仪