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摘要： 研究奥里油燃烧过程中细颗粒物形成特性和控制技术将为污染防治提供理论基础和科学依据。文章介绍了奥里油特性及其在电厂中的应用情况，对奥里油燃烧过程中颗粒物的形成特点和影响因素作了初步分析，同时比较了燃烧重油和奥里油时的颗粒物排放量及颗粒物粒径分布。通过对国外燃烧奥里油的电厂采取的颗粒物控制技术和经验的介绍，提出了目前中国应该开展的研究重点和方向。
关键词： 奥里油；乳化燃料；颗粒物；形成机理；污染控制
0 概况
盛产于委内瑞拉的奥里油是一种以Orinoco沥青为原料，加入29%～30%水、01%～02%添加剂和表面活性稳定剂的假朔性非牛顿体乳化燃料，最适合作大型热电厂的锅炉燃料，并且任何烧油和煤的工业锅炉只需稍作技术改造就能使用该油品。我国人均能源资源贫乏，燃料油十分紧缺，国家为缓解能源紧张已和委内端拉签署了价值60亿美元的联合开发奥里油项目的协议，并在委内瑞拉共建一座650×104t/a奥里油加工厂，产品全部返销我国使用。届时，奥里油将作为一种新型乳化燃料大量进入我国燃料油市场，各行业燃用奥里油的时代即将到来。
燃烧奥里油不仅产生有用的热能，还会产生大量具有负面效应的CO2、CO、SOx、NOx氰化物、粉尘、细颗粒物(PＭ2.5和PM10)、痕量元素等排放物。其中细颗粒物具有较大的比表面积，能富集各种有毒痕量元素(如Fe、As、Se、Pb、Cr等)和有机污染物(如多环芳烃类化合物PAHs和二恶英PCDD/Fs等)，会影响人体健康。另外，细颗粒物是影响大气能见度的主要成分，也是大气酸沉降的重要载体以及大气光化学烟雾的重要组成部分。这类排放物会对人类健康和生态环境造成重大危害。要减少燃烧奥里油过程中细颗粒物的排放，除了采取现有技术外，还需要深刻了解它们的形成特性，依据细颗粒物形成特点和分布状况对其进行控制。尽管细颗粒物本身具有微观性和复杂性及其形成过程的非线性，但众多国外学者对其形成机理的理论和实验研究，以及排放控制的研究已卓有成效。
鉴于我国对奥里油排放特性及其控制技术的研究几乎处于空白状态，且报导极少，本文介绍了国外奥里油电站锅炉细颗粒物的排放状况以及采取的控制技术和经验，还对奥里油燃烧过程中颗粒物的形成特点、分布和影响因素进行分析，提出目前我们应该开展的研究重点和方向。
1 奥里油特性与应用
奥里油属于水包油型(O/W,bitumen-in-water)乳化燃料，水为连续相，油以极细的微粒分散地悬浮于乳化液中，油水界面为一层具有一定厚度和韧性的薄膜，可以防止小油滴间因互相碰撞而重新聚集成大油滴，产生破乳现象。因最初生产的奥里油中加入的表面活性乳化剂——壬基苯酚乙氧基化物(NPE)会对野生动植物和水体产生副作用，1999年后被淘汰，取而代之的是Bitor公司根据各国试烧情况而研制的400号奥里油。为便于区分，Bitor公司将最初的奥里油称作100号奥里油，二者之间并不存在200号奥里油、300号奥里油或其他型号奥里油。400号奥里油采用013%三环醇乙氧基化物和003%的单乙醇胺作表面活性乳化稳定剂，环保性能有了很大改善。2种油品的代表性成分和物性见表1和表2［1～3］。
表1 奥里油的元素组成
型号
非金属元素质量分数/%
金属元素/μg·g-1
C
H
N
O
S
V
Na
Mg
Ni
Fe
400
602
1046
035
2604
285
＜360
＜30
＜20
59
22
100
601
1010
050
2640
285
＜360
＜30
342
69
12
表2 400号奥里油与100号奥里油的物理特性
项 目
400号奥里油
100号奥里油
含水量质量分数/%
29.8
29.8
沥青微滴平均尺寸/mm
10
12
滴径＞150μm的量/%wt
0.5
0.7
动力黏度(30℃，20 s-1)/mPa·s
≤500
≤1200
动力黏度(100℃，20 s-1)/mPa·s
≤400
≤750
恩氏黏度(30℃)/(°
14～25
—
恩氏黏度(100℃)/(°
5.3～14
—
平均密度(15℃)/g·cm-3
1.009～1.013
1.009～1.013
续表
项 目
400号奥里油
100号奥里油
闪点/℃
～120
～120
倾点/℃
3
3
净热值/MJ·kg-1
26.9～29.1
26.9～29.1
总热值/MJ·kg-1
29.1～30.9
29.1～30.9
灰分质量分数/%
≤0.1
≤0.25
400号奥里油的添加剂配比中不再含可预防高温腐蚀的镁基化合物Mg(NO3)2，而是由用户决定在燃烧过程中是否向燃油锅炉喷入镁基化合物。另外，灰分含量减少，使与燃烧相关的积灰减少，以使锅炉效率更高，从而降低了NOx和CO排放量，以及细颗粒物(PM)的排放量。尽管如此，400号和100号奥里油的许多特性实际上是相似的。
为论证奥里油在电厂锅炉、工业锅炉等燃烧装置中的燃烧性能、环境影响及应用的经济效益，已有近10个国家和地区进行了商业性试烧，取得了大量的数据和经验。我国从1996年开始进口奥里油，并在南海电厂、胜利油田电厂、上海石化热电厂和其他工业锅炉上试烧。目前，全世界至少有4000MW装机容量已使用或准备采用奥里油作为主要锅炉燃料，表3列出了这类电厂的大致情况。从各国应用情况看，燃烧奥里油是可行的，但作为一种新型矿物燃料，仍存在不少问题有待解决。
表3 全世界已投运或规划燃用奥里油的电厂
国家
电厂名称
初始或规划
的投运时间
设计燃料
机组功率/MW
奥里油用量
/万t·a-1
备 注
加拿大
NB Power Dalhousie#1
1994
重油
105
70
1号、2号组联合用量
NB Power Dalhousie#2
1994
粉煤
215
英 国
PowerGen Ince“B”
1991
重油
500
130
1997年退役
PowerGen Richborough
1991
粉煤
3×120
30
1996年退役
日 本
Kashima－Kita#1
1991
重油
95+蒸汽
37.5
1号、2号组联合用量
Kashima－Kita#2
1994
重油
125+蒸汽
Mitsubishi Kasei
1992
重油
70+蒸汽
30
Kansai Qsaka#4
1994
粉煤
156
20
Hokkaido Electric
1994
奥里油
350
80
Kansai GoboⅡ
2004
奥里油
4×1000
400
还未建成
意大利
ENEL Brindisi Sud#1
1998
粉煤、重油
660
300
全部4台机组总的用量
ENEL Brindisi Sud#2
1999
粉煤、重油
660
ENEL fiume Santo#3
1999
粉煤、重油
320
ENEL Fiume Santo#4
1999
粉煤、重油
320
丹 麦
SK Power Asnaes#5
1995
粉煤、重油
700
140
德 国
RWE Energie Ibbenbüren
1999
粉煤、重油
770
0.77
仅用于辅锅或二次燃料
立陶宛
Lietuvos
1995
粉煤
300
70
中 国
湛江奥里油发电厂
2005
奥里油
2×600
200
建设中
谢大奥里油发电厂
2006
奥里油
2×600
200
规化
2 细颗粒物形成特点
影响PM排放的因素有许多，如燃料中的无机物含量，固体燃料和焦碳微粒形成的程度或燃烧完成的程度，燃烧产物中空气悬浮物的形成等。PM排放主要取决于燃料特性，因此上述各影响因素的作用会随燃料不同而改变。例如，煤所含无机化合物较其他矿物燃料要多，煤燃烧过程中无机化合物含量在PM排放上就起主导作用。对燃料油来说，所含碳的燃烧完成程度对PM排放的影响就要比所含无机化合物大得多。
100号奥里油的灰分含量相对较少(0.2%)，并且与重油的燃烧特性相似，因此PM的排放总量较燃煤低。另外，400号奥里油不再含有Mg(NO3)2添加剂，这也可使其PM排放总量降低约01%。然而奥里油与其他低S、低V矿物燃料相比，其SO3排放浓度较高。SO3在烟气温度条件下通常会形成小滴或凝聚在微粒上，因此，取样时会因PM对SO3分子的捕获而增加PM的测量浓度。Barta LE［4］等人对一台70MW电厂锅炉由重油改燃奥里油进行了测试，并发现：取样的烟气中存在黄色物质。这表明大量奥里油燃烧产生的硫化物被过滤器捕获，导致PM的测试值高于重油，如不考虑SO3气体液化的影响，奥里油的PM排放要比重油低40%。Allen JW等人［5］的实验表明：奥里油的PM排放量明显高于重油，但是否把其中一部分原因归结于SO3气体液化尚未作分析。表4给出了各电厂燃烧重油和奥里油时颗粒物排放量的实测值［1］。
表4 燃烧重油和100号奥里油时颗粒物的排放量
电厂名称
运行情况
重 油
颗粒物排放量
100号奥里油
Dalhousie 1号机组
满负荷
105mg/Nm3
250mg/Nm3
Qsaka 4号机组
满负荷
100～220g/Nm3
180～300mg/Nm3
Kashima - Kita
满负荷
—
280mg/Nm3
Asnaes 5号机组
满负荷
—
12～20mg/Nm3
Sanford 4号机组
满负荷
—
68.8mg/MJ
续表
电厂名称
运行情况
重 油
颗粒物排放量
100号奥里油
Ince“B”
满负荷
—
350mg/Nm3
Power Gen
试燃烧
21～43mg/MJ
129～150mg/MJ
Hungarian Power
试燃烧
415mg/Nm3
160mg/Nm3
ENEL
试燃烧
—
220～260mg/Nm3
注： 除Asnaes 5号机组外，未对排放物进行喷氨控制。
加拿大Dalhousie电厂改燃奥里油试运行期间的测试表明［6］：在温度为70℃、O2含量为0.5%时，废气预热器出口处PM排放浓度约为250mg/Nm3，而燃烧重油时的PM浓度约为105mg/Nm3(温度为70℃，O2含量为0.8%)。但长期燃烧奥里油后，PM排放浓度会降至小于6.45mg/MJ，部分原因是烟气中的PM有37.6%被硫化，所测的PM中含有3.6%Mg，0.4%Ni和1.3%V元素。Asnaes电厂比较了燃烧100号和400号奥里油时废气预热器出口处PM的排放浓度，前者约为300mg/Nm3，经过ESP处理后降为20mg/Nm3，后者相应的数据分别是175mg/Nm3和3～5mg/Nm3。可见在PM的排放上，400号奥里油要远低于100号奥里油。
日本大阪电厂对4号锅炉分别燃用100号奥里油、重油和Orinoco沥青时的PM排放和灰分中未燃烬碳的含量进行过测试比较，发现随着烟气中O2含量的增加，PM排放量会相应减少。燃烧100号奥里油的PM排放量比重油略高，但是未燃烬碳的含量几乎是一样的［7］。Sanford电厂采用蒸汽雾化进行奥里油燃烧，其PM排放浓度为53.8～92.5mg/MJ，并且当负荷改变时，没有明显变化。Ince电厂的PM约为350mg/Nm3，较Dalhousie电厂的要高些，这可能是由于Ince电厂的灰分中含碳量＜0.5%，并且机组是在SO3排放量最小的情况下操作的，二者都可能引起PM的增加。
3 细颗粒物粒径分布
尽管碳的不完全燃烧会导致PM的粒径增大，但燃烧重油产生的大部分PM的粒径小于1μm。燃烧粉煤的大部分PM的粒径大于1μm，有的甚至超过100μm。由于总PM排放量明显增高，燃烧细煤粉产生的亚微米颗粒物比重油和奥里油都要多。奥里油和重油的PM的粒径分布很相似，大部分微粒直径都小于1μm。ENEL电厂试烧奥里油期间通过扫描电子显微镜测试了收集到的PM的粒径尺寸，显示测试：73.1%的PM粒径＜10μm，21.2%PM粒径＜1.0μm，所产生的PM中有84%是未燃烬碳。燃烧重油时，87.5%的PM粒径＜10μm，51.3%的PM粒径＜1.0μm，未燃烬碳约占78.5%［8］。从Dalhousie电厂收集到的PM粒径分布图可见，燃烧奥里油产生的PM比重油的少，粒径＜10μm的PM占98%，＜0.3μm的PM占50%。对重油而言，相应的数据分别为75%和35%，这导致奥里油灰分黏度要远小于6号重油的灰分黏度。
在Asnaes电厂所做的奥里油实验中也测试了PM的粒径分布。测试中捕获的粒径＜1.3μm的微粒占捕获总数的1%，其中75%的粒径＜0.35μm，另外Ince电厂所测定的PM平均粒径也＜1μm。表5列出了各电厂燃烧奥里油和重油产生的粒径＜10μm和＜1μm的PM所占质量比例［1］。
表5 燃烧重油和奥里油时各电厂对颗粒物粒径分布的实测值
电 厂 名 称
运行规模
改燃奥里油前颗粒物粒径分布/%
改燃奥里油后颗粒物粒径分布/%
＜10μm
＜1μm
＜10μm
＜1μm
Dalhousie 1号机组
试燃烧
75.0
45.0
98.0
80.0
Dalhousie 1号和2号机组
满负荷
—
—
75.0
42.0
Asnaes 5号机组
满负荷
—
—
100.0
97.0
Asnaes 5号机组(400号奥里油)
满负荷
—
—
98.0
75.0
Ince“B”
满负荷
—
—
平均粒径＜1μm
ENEL
试燃烧
87.1
51.3
73.1
21.2
Bitor
—
—
—
100.0
85.0
注： 除非特别注明，否则所燃奥里油均为100号奥里油。
4 细颗粒物的控制技术与经验
截至目前，燃用奥里油的电厂大多采用高效静电除尘器(ESP)或布袋除尘器。奥里油燃烧产生的飞灰的电阻率为1010～1011Ω·cm，正处于ESP稳定收集PM的范围内。Ince电厂采用特殊设计的ESP收集奥里油燃烧产生的飞灰，将PM排放量从350mg/Nm3减至约35mg/Nm3，实现了减少90%［9］。Dalhousie电厂1号和2号机组的运行经验表明，ESP除去体积较小的PM比除去体积较大的 [1] [2] 下一页
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