燃煤过程中亚微米颗粒生成及影响因素的研究.pdf

第2 3 卷第3 期 2 0 0 8 年5 月 热能动力工程 J O I I I i N A LO F 础G 姗E R 矾GF O RT H E R M A LE N E R G YA N DP O W E R V 0 1 ．2 3 ，N o ．3 M a y ，2 0 0 8 文章编号1 0 0 1 2 0 6 0 2 0 0 8 a 3 一0 2 6 9 0 4 燃煤过程中亚微米颗粒生成及影响因素的研究 隋建才1 ，徐明厚2 ，杜云贵3 ，刘 艺1 1 ．中电投远达环保工程有限公司，重庆4 0 0 0 6 0 ；2 ．华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ； 3 ．重庆大学资源- q 环境学院，重庆4 0 0 0 4 4 摘要通过沉降炉燃煤实验，讨论了燃煤过程中亚微米颗 粒的形成机理，研究了炉膛温度、煤粉粒径及氧浓度对亚微 米颗粒生成的影响。实验选择平顶山烟煤、六盘水烟煤和合 山烟煤。每种煤的煤粉粒径范围分别是1 0 0 2 0 0 ／a n 、6 3 ～ 1 0 0 肿和小于6 3 肿。煤粉在不同条件下燃烧后，用1 3 级低 压撞击器按不同粒径收集可吸入颗粒物进行研究。结果表 明i 粒径小于0 ．3 7 7p a n 的颗粒是通过气化一凝结机理形成， 而粒径大于O ．3 7 7 ／a n 的颗粒是通过矿物质的破碎、聚结机 理形成；随着炉膛温度的升高、煤粉粒径的降低及氧浓度的 提高，亚微米颗粒生成量会有不同程度的增加；炉膛温度是 最主要的影响因素，煤粉粒径及气氛次之。 关键词煤燃烧；亚微米颗粒；形成机理；影响因素 中图分类号T Q 0 3 8 ．1 文献标识码A 引言 煤炭是国内目前及今后相当长一段时期内火电 站的主要燃料，其燃烧在为我们提供必需的热源和 电力资源的同时，也会带来严重的颗粒物污染。截 至2 0 0 6 年底我国火电机组装机容量已经达到了4 ．8 亿k W ，电站年耗煤约1 2 亿t 。而我国燃煤锅炉热效 率偏低，且煤质低劣，燃煤过程中颗粒物排放量大约 是电厂所用煤粉量的1 ．2 ％一1 ．5 ％⋯，这说明电站 燃煤是大气颗粒物污染重要来源之一。因此，研究 燃煤过程中颗粒物的生成与控制已成了一项非常紧 迫的任务。 煤粉燃烧过程中，煤中无机组分在锅炉内高温 热动力条件下，经过一系列复杂的物理化学变化通 过几种不同途径形成煤灰颗粒，这些颗粒进入大气 后会对人类和动植物产生不同程度的危害【2 - 5 J 。2 0 世纪8 0 年代初国外就开始了煤灰颗粒形成与控制 方面的研究[ 6 - 8 ] ，国内这方面的研究起步较晚。目 前研究机构仅限于清华大学、华中科技大学、北京大 学、东南大学、浙江大学、中国科学院、环境科学研究 院等单位，并且研究主要集中在颗粒物形成机理、元 素迁移和富集规律及大气中颗粒物的浓度分布等方 面，而对亚微米颗粒的形成及影响因素的研究较 少[ 2 ，9 0 0 | 。为此，通过沉降炉实验，探讨了燃煤过程 中亚微米颗粒的形成机理，分析炉膛温度、煤粉细度 及氧浓度对其生成的影响，进而为实现燃烧过程中 抑制其生成提供理论依据。 1 实验 1 ．1 实验煤种 实验选用平顶山、六盘水和合山3 种烟煤，先将 其干燥、破碎和研磨，然后筛分为3 种粒径小于6 3 ／z m 、6 3 ～1 0 0 ／a n 和1 0 0 ～2 0 0t a n 。3 种煤不同的工业 分析和元素分析分另i J 如表1 、表2 和表3 所示。 表1 平顶山烟煤工业分析和元素分析 工业分析元素分析 粒径 水份灰份挥发份固定碳 CHNS 6 31 ．0 51 8 ．7 53 5 ．9 84 4 ．2 26 7 ．0 35 ．3 41 ．0 93 ．8 5 6 3 一1 0 01 ．1 61 7 ．3 03 7 ．9 14 3 ．6 36 8 ．船5 ．4 50 ．1 33 ．9 4 1 0 0 一2 0 0O ．7 71 8 ．5 14 1 ．4 9 3 9 ．2 36 8 ．9 5 5 ．1 4 1 ．1 l3 ．8 3 收稿日期2 0 0 7 0 5 2 1 ；修订日期2 0 0 7 0 7 2 3 基金项目国家重点基础研究专项经费资助项目 2 0 0 2 C B 2 1 1 6 0 2 ；国家自然科学基金资助项目 5 0 3 2 5 6 2 1 ；国家科技支撑计划 2 0 0 7 B A C 2 4 8 0 0 作者简介隋建才 1 9 7 5 一 ，男，重庆人，中电投远达环保工程有限公司博士后． 万方数据 2 7 0 热能动力工程2 0 0 8 年 表2 六盘水烟煤工业分析和元素分析 工业分析元素分析 粒径 水份灰份挥发份 固定碳cI - IN S 6 31 ．8 12 7 ．6 42 1 ．1 0 4 9 ．4 5 5 7 ．6 64 ．9 50 ．6 9 3 ．3 8 6 3 。1 0 02 ．0 l2 5 ．5 42 1 ．0 3 5 1 ．4 25 5 ．7 35 ．2 3 0 ．7 5 4 ．2 2 1 0 0 一2 0 02 ．0 92 6 ．3 52 1 ．5 6 5 0 ．0 05 9 ．6 43 ．3 41 ．0 82 ．8 6 表3 合山烟煤工业分析和元素分析 工业分析元素分析 粒径 水份灰份挥发份 固定碳cHNS 6 32 ．7 05 0 ．0 21 5 ．2 53 2 ．0 33 5 ．4 31 ．3 50 ．4 86 ．2 2 6 3 一1 0 02 ．5 64 8 ．5 61 3 ．6 43 5 ．2 4 2 8 ．84 ．8 4 0 ．4 16 ．5 1 l o o 一2 0 02 ．5 44 8 ．6 31 2 ．7 33 6 ．i 03 7 ．4 20 ．8 50 ．4 l5 ．6 2 1 ．2 实验系统 实验系统见文献[ 2 ] ，其主要由沉降炉、微量给 粉器、旋风分离器及低压撞击器组成。沉降炉采用 硅炭棒分3 段电加热，加热区高约2m ，炉膛采用刚 玉管，内径为5 6m m ，温度调节和监测通过自动温控 装置实现。给粉采用M F E V 2 1 0 型微量给粉器，利用 分别贮存有氮气和氧气的气罐对燃烧气氛进行调 节。为防止高温产物进一步反应，在取样管顶部采 用氮气淬灭，并且全程采用水冷。煤粉在沉降炉内 完全燃烧以后，飞灰随着烟气流经取样枪进入切割 粒径为1 0 ／a n 的旋风分离器，分离器的主要作用是 除掉粒径大于1 0 肿的颗粒，防止后面低压撞击器 每一级膜片上的颗粒超重；然后，飞灰颗粒进入L P I 并将飞灰颗粒按空气动力学直径大小分成1 3 级，其 切割粒径范围分别为0 ～0 ．0 2 8l ，0 ．0 2 81 0 ．0 5 65 ，0 ．0 5 65 ～0 ．0 9 44 ，0 ．0 9 44 ～0 ．1 5 4 ，0 ．1 5 4 0 ．2 5 8 ，0 ．2 5 8 ～0 ．3 7 7 ，0 ．3 7 7 ～0 ．6 0 5 ，0 ．6 0 5 0 ．9 3 6 ， 0 ．9 3 6 ～1 ．5 8 ，1 ．5 8 ～2 ．3 6 ，2 ．3 6 3 ．9 5 ，3 ．9 5 ～6 ．6 ， 6 ．6 ～9 ．8 t a n 。 1 ．3 样品处理 实验中撞击器内的膜片采用有机膜，为了防止颗 粒反弹，在有机膜上涂上用四氯化碳稀释后的阿匹松 油 A p i e z o nLv ￡t e u u l ng r e a s e 。取样前的有机膜及取样 后载有颗粒的有机膜置于烘箱中1 0 5 ℃烘干1h ，在 干燥器中冷却至室温，在灵敏度为0 ．0 0 1n a g 的分析天 平上称重。利用X 1 W 对样品进行成分分析。 2 结果与讨论 2 ．1 亚微米颗粒形成 煤中矿物质在高温燃烧环境中经气化、成核、凝 结及凝聚等过程形成亚微米颗粒，许多学者都得出 了类似的研究结论，但哪些粒径的颗粒是由气化一 凝结机理形成的，目前还没有一致的结论【7 圳。为 此本文对不易气化元素s i 和龇在不同粒径灰颗粒 上的含量变化进行了分析研究。 总灰中S i 含量 囫赋 匡C国圉 匝母A l ≥ 。总灰中A l 含量 二阻阅一．一用隔寓．1I l l ； i 卫 l lIl 鋈 多黍 蚕鎏萎誊蚕量莹鋈曼萋鬟暑罟 空气动力学直径，I m 图1 粒径 F c 3 2 ．1 4 ， 这说明燃烧六盘水烟煤时，炉膛温度、煤粉粒径和气 氛对亚微米颗粒生成量都有显著性影响，影响最大 的是炉膛温度，其次分别是煤粉粒径和气氛。同样， 燃烧另外2 种煤时也有类似的规律，对于平顶山烟 煤来说，F A 7 4 ．2 1 ，F B 5 6 ．1 5 ，F c 2 9 ．3 4 ；对于合 山烟煤来说，F A 7 7 ．2 3 ，F B 7 6 ．5 5 ，F c 3 8 ．5 6 F 为方差分析中的观测值 。 3 结论 通过沉降炉燃煤实验，探讨了亚微米颗粒的形 成机理，研究了炉膛温度、煤粉粒径及氧浓度对亚微 米颗粒生成的影响，主要得到了以下一些结论 1 粒径小于0 ．3 7 7 肿的颗粒很可能是通过 气化一凝结机理形成的，而粒径大于0 ．3 7 7p z n 的颗 粒是通过矿物质的破碎、聚结机理形成。 2 随着炉膛温度的升高、煤粉粒径的降低及 氧浓度的提高，亚微米颗粒生成量会有不同程度的 增加。 3 通过正交试验发现，炉膛温度、煤粉粒径及 炉内气氛都对亚微米颗粒的生成有显著性影响，而 且炉膛温度是最主要的影响因素，煤粉粒径及气氛 次之。 参考文献 [ 1 ] S O U DHN ，W Uz ．E a s tA s i a a i rp o l l u t a n tc o n t r o la n dc o a l f i r e d p o w e rg e n e r a t i o n [ R ] ．L o n d o n I E AC o a l R e s e a r c h ，1 9 9 8 ． [ 2 ] J I A N C A IS U I ，M I N G H O UX U ，Y U N G U ID U ，e ta 1 ．E m i s s i o nc h a r a c t e r - 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