“共轭燃烧” 雾霾治理突破口

王喆

2017年11月15日07:21  来源:北京日报
 
原标题:“共轭燃烧” 雾霾治理突破口

  共轭燃炉

  北方居民燃煤主力炉型

  只取暖不做饭的炉型

  单个房间取暖炉

  编者导读

  取暖季又到了。燃煤污染是造成空气污染的重要来源。煤在传统燃烧方式下燃烧效率很低,大量燃料并没有释放热能,而是以各种污染物的形式排放到大气当中。

  如果能够创造理想的燃烧条件,有效抑制可变产物的产生,煤炭这种传统意义上非清洁燃料,是可以实现清洁燃烧的。“共轭燃烧”就是这样一种新型的燃烧技术。

  散煤燃烧是京津冀雾霾产生重要原因

  京津冀地区一直是全国空气质量较差的区域。共发的雾霾顽疾,让京津冀在环境领域成为命运共同体。环保部在《大气污染防治行动计划》中,对京津冀地区污染物排放、能源结构、科学应对、加强监督等方面制定了明确指标。在《京津冀协同发展规划纲要》中,生态环境亦被列为先行启动、率先突破的三大领域之一。京津冀多地支柱产业为钢铁、水泥、火电、石化等高耗能产业,污染物排放总量大、单位GDP排放强度高,以煤为主的能源结构和以重化工为主的产业结构导致京津冀大气污染加重。

  探寻近年来京津冀地区频繁遭遇雾霾背后的深层次原因,除了特殊的气象条件外,人为的污染排放是重要因素,华北地区煤炭消耗远超全国平均水平。来自环保部的数据表明,重污染期间,化石燃料或生物质燃烧排放的一次颗粒物增加明显,原煤散烧对近地面污染贡献最高,低矮面源污染对PM2.5浓度贡献最大。从观测数据看,与燃煤排放直接相关的有机物、硫酸盐、黑炭等物质,是PM2.5的主要组成成分,也证明了煤炭污染,特别是城乡接合部与广大农村地区的原煤散烧,是导致华北地区大范围空气污染的重要来源。河北省在国新办发布会上表示,河北治霾的症结正是产业结构重型化、能源结构不合理,煤炭消费占比高达80%,污染严重。为有效破解燃煤污染的难题,当前京津冀地区正在大力推广洁净型煤,限制高硫、高灰劣质煤的生产使用,同时推广使用替代能源,实施电能替代、集中供热。

  传统煤炭燃烧方式带来较大环境承载压力

  传统燃煤炉的类型较多,其中最主要的一种是层煤燃烧炉。大量燃烧试验证明,污染物的产生是由燃烧条件决定的,燃料在燃烧不充分时会产生可变物质排放。煤之所以被认为是非清洁燃料,是因为煤在传统燃烧方式下燃烧效率很低,大量燃料并没有释放热能,而是以各种污染物的形式排放到大气当中。传统燃煤炉燃烧室结构简单,煤灰层在下、焦炭氧化层在中、原煤干馏层在上,在炉膛中安装固定炉排,燃烧后的煤灰从炉排下面的坑中排出。只有当炉温很高时且必须保持稳定,煤在炉膛中才能充分燃烧。当煤量添加过量会出现缺氧燃烧,导致燃烧不充分,黑色烟尘(包括“一次颗粒”和“二次颗粒”)从烟囱中排入大气。当没有及时加煤时,由于供风不能动态调整,多余的风量就会带走大量热能,同样导致燃烧效率大大降低。

  “共轭燃烧”实现燃烧效率的根本性突破

  轭本指两头牛背上的架子,轭使两头牛同步行走,共轭即为按一定的规律相配的一对。“共轭燃烧”是一种与传统燃烧方法完全不同的燃烧技术,通过利用全新的燃烧原理,在提高燃烧效率方面取得根本性的突破。

  “共轭燃烧”技术认为,如果能够创造理想的燃烧条件,有效抑制可变产物的产生,煤炭这种传统意义上非清洁燃料,是可以实现清洁燃烧的。

  “共轭燃烧”技术对传统手烧燃煤锅炉,进行了大量解剖研究,分析了锅炉中每个部件的作用、相互联系与影响参数,并进行了多次的燃烧试验。“共轭燃烧”技术发现,只要当供风与煤的热氧化反应时消耗的氧气平衡,炉膛内的燃烧就可以达到状态最佳,只有极少的污染物产生。同时,燃烧过程中产生的可燃性中间物质,如果返回到炉膛的高温区进行二次燃烧,就会进一步减少污染物的排放,并且提供更多的热能。

  在大量实验的基础上,研发团队对传统燃煤炉的炉膛、烟道进行了重大革新,设计制造了共轭燃烧煤炉。该炉型在使用时,不依靠催化剂和任何其他辅助设施,仅仅依靠物理结构上的优化和改造,就可以实现污染物排放的极大降低。“共轭燃烧”技术的主要特点包括:

  研究使用者的操作习惯,人工操作过多必然会扰乱炉膛中燃料的燃烧稳定性,影响燃烧效率,共轭燃烧煤炉将人工操作和干预行为大大减少。

  优化了炉膛结构,采用负压力供风使燃烧过程中产生的可燃性中间物质,返回到炉膛的高温区与主燃料进行二次约束性燃烧,加快热化学反应提高燃烧效率。

  对烟道系统进行革新,使燃烧过程的供氧量随新添加的燃料在燃烧过程中自然调节,始终保持燃料与氧气的最佳匹配量,既不欠风导致产生中间挥发性可燃物,也不供风过量导致降低燃烧效率,同时顺利排放二氧化碳和水。

  “共轭燃烧”技术在京津冀应用前景广阔

  当前,改善空气质量、提高雾霾治理效果已经成为京津冀地区环境治理的当务之急。以煤为主的能源结构,造成我国总体能源使用效率低下、污染严重,尤其是中小型燃煤场所,燃煤量可能仅占燃煤总量的10%,而污染物排放却可能占到排放总量的50%以上。传统的燃烧技术在燃烧效率方面的提升空间已十分有限,而烟气处理工艺只能降低必然排放,不能够有效处理可变排放。

  供暖是北方地区冬季的必备措施,大多以燃煤为主,供暖季是我国一年中雾霾灾害最为严重的阶段,尤其是京津冀地区。为有效降低煤炭燃烧带来的污染,“煤改气”是立竿见影的方法,但是鉴于我国天然气资源供应现状,以及北方农村地区长期以来形成的以散煤作为燃料的生活习惯,短时间内难以实现天然气的完全替代。

  燃煤产生的雾霾灾害,主要责任不在于煤炭本身,而是在于千百年以来人类采用的传统燃烧技术存在的固有缺陷。煤炭、秸秆、塑料、橡胶等主要由碳氢化合物等组成的有机物类,也可以像天然气一样进行高效清洁燃烧。

  向雾霾宣战,就是向传统燃烧技术宣战,要从根本上解决传统燃烧技术效率低下的固有缺陷,解决我国总体能源使用效率低下的问题。中国科学院生态环境研究中心关于共燃煤炉和传统煤炉的对比测试表明,相对传统煤炉,共燃煤炉的PM2.5、氨、CO、温室气体(甲烷)等的减排量可高达约90%,能源利用率比传统煤炉可提高20%左右(从炭平衡测算),也可极大程度避免煤气中毒悲剧的发生。

  “共轭燃烧”技术的出现,为优化我国当前“多煤、少油、缺气”能源结构和解决环境困局提供崭新的思路。新型共燃煤炉的示范与推广,必将在减轻我国区域雾霾污染以及温室气体减排等方面发挥积极推动作用。

  延伸阅读

  “共轭燃烧”技术需在实践中进一步验证

  基于燃料同一性原理的“共轭燃烧”技术的出现,为优化我国当前“多煤、少油、缺气”能源结构和解决环境困局提供崭新的思路。但是新技术的实践和广泛应用是一个长期的过程,不可能一蹴而就,需要结合使用效果进行验证。

  “共轭燃烧”技术目前只能提高燃料中碳氢元素的燃烧效率,SO2、N2O以及不能燃烧的固体粉尘等,还需要通过技术处理加以消除,从而实现达标排放。

  共轭燃烧煤炉未来可以演变出各种类型的实用炉型,满足不同的燃烧目的、要求、规模的需要,打造性能优良的个性化差异产品。当前,需要发挥政府部门的有形之手,有计划、高效率地加快新的技术应用推广,更好地发挥市场在资源配置中的决定性作用。

(责编:孙红丽、伍振国)