生物质与高硫煤在50千瓦自持燃烧炉中掺烧对冷凝颗粒物的抑制作用

《Environmental Pollution》：Inhibition of condensable particulate matter by co-firing biomass and high sulfur coal on a 50 kW self-sustaining combustion furnace

　　

• •
  实验在一台50 kW自持炉上进行。
• •
  生物质混烧使CPM排放量最多降低了42.7%。
• •
  硫酸盐的减少是无机CPM下降的主要因素。
• •
  在20%生物质掺混比时，PAHs消失。

引言

发电厂排放的颗粒物可分为可过滤颗粒物（FPM）和可凝结颗粒物（CPM）（Yang等，2021a；Yang等，2021b）。FPM以固态/液态形式存在于烟道内和大气中，可通过现有除尘设备有效去除。根据美国环保署（EPA）202方法，CPM被定义为在烟气条件下以气态存在，但一旦排放到大气中即迅速转化为固态/液态颗粒物的一次污染物（Feng等，2021；Wu等，2021a）。研究表明，CPM占燃煤电厂总颗粒物排放量的76.73%~82.96%（Zheng等，2018；Song等，2020）。Morino等研究了CPM对大气有机气溶胶的贡献，揭示出应充分考虑CPM与FPM之间的关系，尤其对于FPM浓度较高的排放源，CPM的影响更为显著（Morino等，2018）。CPM由有机和无机组分组成。不同发电厂的数据表明，有机组分占总CPM的32.39%~90.97%（Li等，2019；Qi等，2017），这主要与燃烧温度、煤种、锅炉负荷等因素有关。CPM的有机组分主要由烷烃、酯类及其他化合物组成，而无机组分主要包括硫酸盐、氯化物、铵盐和金属离子（Wu等，2021b）。CPM的特征因煤种不同而有所差异。研究人员考察了三种性质不同的煤（内蒙古褐煤、金华烟煤和宁夏无烟煤）的CPM排放差异，指出燃烧后无机CPM浓度逐渐降低，而有机CPM浓度与燃料燃尽率呈负相关（Yang等，2021a；Yang等，2021b）。

在燃烧过程中，不同煤种或氧浓度下生成的CPM组成相似，但含量最高的水溶性离子有所不同。部分以SO₄^2?含量最高，而另一些则以Cl^?含量最高（Yang等，2021a；Yang等，2021b）。对于有机组分，烷烃或酯类占比最大，范围为32%~85%（Zheng等，2018；Li等，2019）。Yuan等测试了燃煤电厂A、B、烧结、焚烧、水泥、玻璃和生物质电厂烟囱处的FPM和CPM浓度（Yuan等，2021）。结果表明，除烧结厂外，其他电厂的CPM浓度均高于FPM的排放浓度，且CPM常超过FPM。Tong等汇总了现有文献中33家中国燃煤电厂CPM排放的研究结果，首次建立了燃煤电厂CPM组成数据库，该数据库包含CPM的10种无机组分和71种有机组分（Tong等，2023）。CPM粒径小、滞留时间长、扩散距离远且吸湿性强。CPM中的某些化学物质，如重金属和有机污染物，具有毒性，会对人体免疫系统造成损害，影响身体健康和正常生理功能。由此可见，CPM需要引起更多关注。

另一方面，为实现国家"双碳"目标，许多燃煤锅炉采用了生物质混烧方法来减少碳排放（Sahu等，2014；Li等，2022；Sun等，2025a；Sun等，2025b）。一般来说，生物质挥发分含量高。煤与生物质的共燃可以改善燃料着火性能，降低炉膛燃烧温度以减少NO_x生成，并调节灰分含量以减少结渣，从而增强燃烧稳定性和传热效率。在煤粉中掺入适量生物质进行燃烧是有利的。然而，燃料类型等复杂因素对混烧条件下CPM生成的影响尚不完全清楚。有文献报道了不同生物质混烧对CPM排放的影响（Zhang等，2021）。结论表明，单烧煤产生的CPM浓度为98 mg/Nm³。当向煤中加入玉米秸秆、稻壳和松木时，CPM浓度分别降至28 mg/Nm³、83 mg/Nm³和86 mg/Nm³。这表明CPM的生成与燃料特性有关。研究还表明，在煤粉中添加生物质进行共燃可以抑制CPM的产生。

然而，生物质混烧是否能减少CPM的生成以及生物质类型如何影响CPM，仍尚不明确。目前大多数关于生物质混烧的研究基于实验室小型沉降炉，与实际的工程应用相去甚远（Chen等，2023a；Xu等，2026）。因此，本研究中的燃烧实验基于一台50 kW自持燃烧一维炉，系统识别高硫煤燃烧过程中CPM生成的关键因素。该炉能够提供更接近实际燃烧过程的自持燃烧、停留时间和气-固混合条件，从而能够对燃料硫向硫酸盐的转化、矿物质元素（K/Na/Ca/Mg）的分布以及CPM有机前体的氧化行为进行更准确的评估。一方面，揭示了中试条件下CPM的生成与转化途径。更重要的是，探讨了煤与生物质（玉米秸秆和松木）共燃的CPM生成特征，旨在为CPM基础研究提供新的见解，并为CPM控制提供有力指导。

章节摘要

材料与基本特性

本研究所选高硫煤来自山西省临汾市，硫分和固定碳含量较高。样品经研磨和筛分至相同粒径，然后在105 °C下干燥至恒重并密封保存，以消除水分干扰。此外，选取了来自江苏省连云港市的玉米秸秆和松木作为典型的农业生物质和木质生物质燃料（Liu等，2023a；Liu等，2023b）。玉米秸秆的

CPM排放特征

如图3所示，HSC条件下CPM排放最多，达到6.72 mg/MJ。其中有机和无机组分分别为1.12 mg/MJ和5.60 mg/MJ，表明高硫煤燃烧过程中形成的CPM主要由无机组分组成。生物质混烧后总CPM有所下降，在50 kW一维炉的实验中，该方法能有效削减CPM的生成（Yelverton等，2020）。对于玉米秸秆和松木，较高的

结论

本研究在一台50 kW自持一维燃烧炉上，调查了高硫煤与生物质共燃过程中的CPM排放特征。尽管如此，仍存在一定局限性，例如实验仅在一台炉子上进行，过量空气系数或生物质性质是否会影响结果向其他炉型/规模的推广性。主要结论总结如下。

• (1)
  生物质共燃有效降低了

作者贡献声明（CRediT）

彭正康：撰写——初稿，验证，方法论，调查，数据整理，概念化。龚勋：撰写——审阅与编辑，指导，概念化。艾玲：撰写——审阅与编辑。郑振宇：撰写——审阅与编辑。胡博宇：撰写——审阅与编辑。徐明厚：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3701501）和湖北省自然科学基金（项目编号：2025AFD725）的资金支持。同时感谢华中科技大学分析测试中心。

Zhengkang Peng|Xun Gong|Ling Ai|Zhenyu Zheng|Boyu Hu|Minghou Xu