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第 3 7卷第 1期 2 0 0 7年 1月 东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版 ) J O U R N A L O FS O U T H E A S T U N I V E R S I T Y( N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) V o l 3 7 N o 1 J a n .2 0 0 7 梯度磁场中燃煤 P M1 0聚并实验 李永旺 吴 新 赵长遂 鲁端峰 韩 松 ( 东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要在永磁环梯度磁场中对 0 0 2 3~ 9 3 1 8μ m粒径范围内东胜煤灰和大同煤灰进行了聚并实 验研究. 采用流化床气溶胶发生器对飞灰进行气溶胶化, 采用低压电称冲击器在线测量聚并前后 飞灰粒子的数目浓度. 结果表明 在相同条件下, 磁性较强的东胜煤灰粒子的聚并脱除效率高于 磁性较弱的大同煤灰粒子的聚并脱除效率; 增大飞灰粒子质量浓度或延长粒子的聚并时间, 飞灰 粒子的分级聚并脱除效率和整体聚并脱除效率提高, 且东胜煤灰比大同煤灰整体脱除效率提高 更为迅速; 提高气流平均速度, 飞灰粒子的分级聚并脱除效率和整体聚并脱除效率降低; 中间粒 径粒子的聚并脱除效率高于小粒子和大粒子的聚并脱除效率; 随整体聚并脱除效率的提高, 分级 聚并脱除效率最大值对应的粒径减小, 粒子数目中位直径减小. 关键词燃煤 P M1 0; 磁聚并; 永磁环; 梯度磁场 中图分类号X 5 1 3 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1- 0 5 0 5 ( 2 0 0 7 ) 0 1 0 0 8 4 0 5 E x p e r i me n t a l s t u d yo na g g r e g a t i o no f c o a l f i r e dP M1 0 i ng r a d i e n t ma g n e t i cf i e l d L i Y o n g w a n g WuX i n Z h a oC h a n g s u i L uD u a n f e n g H a nS o n g ( K e yL a b o r a t o r yo f C l e a nC o a l P o w e r G e n e r a t i o na n dC o m b u s t i o nT e c h n o l o g yo f Mi n i s t r yo f E d u c a t i o n , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 ,C h i n a ) A b s t r a c t A g g r e g a t i o ne x p e r i m e n t s o f f l ya s hp a r t i c l e s i nt h e s i z e r a n g e o f 0 0 2 3t o 9 3 1 8 μ mf r o m D o n g s h e n ga n dD a t o n gc o a l c o m b u s t i o nw e r ec o n d u c t e di nag r a d i e n t m a g n e t i cf i e l df o r m e db yp e r m a n e n t m a g n e t r i n g s . T h e f l u i d i z e db e da e r o s o l g e n e r a t o r w a s u s e dt oa e r o s o l t h e f l ya s h , a n dt h e E l e c t r i c a l L o wP r e s s u r e w a s u s e dt om e a s u r e t h e p a r t i c l e n u m b e r c o n c e n t r a t i o nb e f o r e a n da f t e r p a r t i c l e a g g r e g a t i o n .T h er e s u l t s s h o wt h a t t h e r e m o v a l e f f i c i e n c yo f p a r t i c l e s w i t hh i g h e r m a g n e t i z a t i o nf r o m D o n g s h e n gc o a l i s h i g h e r t h a nt h a t o f p a r t i c l e s w i t hl o w e r m a g n e t i z a t i o nf r o mD a t o n gc o a l c o m b u s t i o nu n d e r t h es a m ec o n d i t i o n .T h eg r a d ea n do v e r a l l p a r t i c l er e m o v a l e f f i c i e n c i e s c a nb ee n h a n c e d b yr a i s i n gt h ep a r t i c l em a s s c o n c e n t r a t i o na n dt h ep a r t i c l ea g g r e g a t i o nt i m e ,w h i c hi s e v e nm o r er e m a r k a b l ei np a r t i c l e s f r o mD o n g s h e n gc o a l c o m b u s t i o nt h a ni np a r t i c l e s f r o mD a t o n gc o a l c o m b u s t i o n .Wh e nt h e a v e r a g e g a s v e l o c i t yi s i n c r e a s e d ,t h e g r a d e a n do v e r a l l r e m o v a l e f f i c i e n c yd e c r e a s e . T h er e m o v a l e f f i c i e n c i e so fm i d s i z e dp a r t i c l e sa r eh i g h e rt h a nt h o s eo fs m a l l e ra n db i g g e ro n e s . Wi t ht h ei n c r e a s eo f o v e r a l l p a r t i c l er e m o v a l e f f i c i e n c y ,b o t ht h ep a r t i c l es i z ec o r r e s p o n d i n gt ot h e h i g h e s t g r a d er e m o v a l e f f i c i e n c ya n dp a r t i c l en u m b e r m e d i a nd i a m e t e r d e c r e a s e . K e yw o r d s c o a l f i r e dP M1 0;m a g n e t i c a g g r e g a t i o n ;p e r m a n e n t m a g n e t r i n g ;g r a d i e n t m a g n e t i c f i e l d 收稿日期 2 0 0 6 0 8 2 4 . 基金项目国家重点基础研究发展计划( 9 7 3计划) 资助项目 ( 2 0 0 2 C B 2 1 1 6 0 0 ) 、 江苏省高等学校研究生创新计划资 助项目、 东南大学优秀博士学位论文基金资助项目. 作者简介李永旺( 1 9 7 9 ) , 男, 博士生; 赵长遂( 联系人) , 男, 教 授, 博士生导师, c s z h a o @s e u . e d u . c n . 我国是燃煤大国, 燃煤排放的可吸入颗粒物 ( 粒径小于 1 0μ m, 通常用 P M1 0表示) 已成为大气 环境污染的突出问题, 日益引起世界各国的高度重 视[ 1 ]. 由于燃煤 P M1 0体积小、 质量轻、 数量多, 常规 除尘方法难以奏效. 当前, 国内外对燃煤 P M1 0脱除 研究主要有两类方法 一种是采用新式除尘装置直 接脱除; 另一种是采用预处理装置首先使颗粒聚并 长大, 然后采用常规除尘装置对其进行有效脱除. 燃煤 P M1 0的聚并是飞灰粒子在粒子间相互作用力 和外场( 如重力场、 电场、 声波场、 磁场等) 的共同 作用下相对运动, 彼此间发生碰撞而粘着在一起. 大量研究表明, 燃煤 P M1 0主要是由铁硅铝质物质 组成的高温复合化合物, 具有较高的磁化率[ 2 ], 磁 化后在磁相互作用力和外磁场力的共同作用下碰 撞粘附在一起, 形成粒径较大的颗粒, 同时粒子数 目减少, 聚并产物可采用常规除尘装置直接脱除. 因而采用外加磁场来聚并脱除燃煤飞灰细微粒子 是一种比较有前景的燃煤 P M1 0脱除方法, 已列为 国家重点基础研究项目而被启动. 到目前为之, 采用外加磁场聚并脱除颗粒物, 国内还未见相关报道, 国外已有一些学者对磁性粒 子、 弱磁性粒子的聚并进行了初步的理论研究. S m o l u c h o w s k i [ 3 ]最早研究了气溶胶粒子的聚并, 提 出了静止介质中气溶胶粒子的布朗扩散聚并模型, 为粒子聚并研究奠定了一定的理论基础. S v o b o d a [ 4 ]基于布朗扩散机理, 提出弱磁性粒子在均匀磁 场中的聚并模型, 分析了粒径和外磁场强度对聚并 速率的影响. P r a k a s h 等[ 5 ]应用布朗扩散模型, 对粒 子间相互作用能作了必要的数学简化, 提出了粒子 在磁偶极子力作用下聚并系数的解析表达式. 在磁 聚并实验方面, T s o u r i s 等[ 6 ]研究了悬浮于液体中 的顺磁性粒子在均匀磁场中的聚并, 结果表明粒子 的磁化系数和粒径是影响粒子聚并速率的主要因 素, N b o l d 等[ 7 ]在微重力条件下研究了磁性粒子 与非磁性粒子聚并产物的微观形态, 发现链状和网 状结构是聚并产物的 2种主要形态. 均匀磁场中飞灰粒子聚并理论与实验研究[ 8 ] 的结果表明, 由于飞灰粒子间聚并系数较小, 使磁 场中飞灰粒子的聚并脱除效率较低. 而在梯度磁场 中, 飞灰粒子除了受磁偶极子力、 气体曳力、 布朗 力、 范德华力和重力外, 还受到由磁场梯度引起的 外磁场力. 粒径不同的粒子所受的外磁场力不同, 因而在梯度磁场中更有利于粒子的相对运动, 使其 发生碰撞聚并, 从而增大聚并系数, 提高粒子的聚 并脱除效率. 为此, 本文选取达拉特旗电厂和大同 第二电厂 0 0 2 3~ 9 3 1 8μ m粒径范围内的飞灰为 研究对象, 在永磁环梯度磁场中研究了飞灰粒子的 聚并脱除特性, 以揭示燃煤 P M1 0在梯度磁场中的 聚并动力学规律. 1 实验装置及实验条件 1 . 1 实验装置 磁聚并实验系统如图 1所示, 整个系统由气溶 胶发生装置、 磁聚并装置和测试装置 3部分组成. 压缩氮气经高效微粒过滤器过滤后进入飞灰粒子 的气溶胶发生器[ 9 ], 被发生器气溶胶化的飞灰在 气流的携带下进入水平布置于永磁环内的实验通 道, 在通道内发生聚并, 聚并前后粒子数目浓度由 电称低压冲击器( E L P I ) 在线监测, 外磁场作用后 的气溶胶粒子经高效微粒空气过滤器过滤后排入 大气. 磁环通道由 4 0个轴向磁化的小磁环按相同 磁化方向叠加而成, 磁环外径为 5 0m m, 内径为 2 2 5m m, 总长度为 7 2 0m m, 剩磁为 4 0 0m T . E L P I 测试装置由采样头、 旋风分离器、 稀释器、 E L P I 本 体和数据采集 P C组成. 为避免在磁场内部采样时 气溶胶粒子在采样头内部发生聚并, 在采样头外表 明敷设了磁屏蔽铁箔. 对于聚并长大到粒径大于 9 3 1 8μ m的粒子, 在通过旋风分离器时被去除. 稀 释器对采集的气溶胶样品进行稀释, 稀释倍率为 8 1 8 . E L P I 对颗粒物粒径的测量范围为 0 0 2 3~ 9 3 1 8μ m. 图 1 实验系统示意图 1 2 实验条件 选取达拉特旗电厂和大同第二电厂煤粉锅炉 静电除尘器四电场飞灰为研究对象, 燃烧煤种分别 为东胜烟煤和大同烟煤, 燃烧方式均为四角喷燃. 其他实验条件如表 1所示. 2种飞灰粒子的粒径分 布和磁滞回线分别如图 2和图 3所示. 图 2表明, 2 种飞灰粒子的粒径分布有较大的差异, 东胜煤灰中 小粒子所占份额较大, 而大同煤灰中大粒子所占份 额较大. 图 3表明, 2种飞灰粒子具有典型的铁磁 特性, 矫顽力 M较小, 在磁感应强度 B= 0 4 2T时 基本达到饱和磁化. 表 1 实验条件 粒子真实密度/ ( k g m- 3) 气体粘度/ ( μ P a s ) 气体分子平均 自由程/ n m 介质 温度/ K 2 2 0 01 8 . 37 3 32 9 3 2 实验结果及分析 2 . 1 分级聚并脱除效率 梯度磁场中, 燃煤 P M1 0在外磁场力、 磁偶极子 力、 气体曳力、 布朗力、 范德华力和重力等作用下相 对运动而发生碰撞聚并, 使粒子长大, 粒子数目浓 58第 1期李永旺, 等 梯度磁场中燃煤 P M1 0聚并实验 图 2 飞灰粒径分布直方图 图 3 飞灰粒子磁滞回线 度发生变化, 变化前后粒子的数目浓度采用 E L P I 分 1 2级同步测量. 某一级粒子数目浓度的相对变 化率为分级聚并脱除效率, 该级粒径区域内粒子数 目浓度的变化是以下 4种聚并共同作用的结果 1 ) 该区域内粒子与粒径较小区域内粒子的聚 并, 聚并生成的新粒子仍停留在该区域或进入粒径 较大的区域. 2 ) 该区域内部粒子的聚并, 聚并生成的新粒 子仍停留在该区域或进入粒径较大的区域. 3 ) 该区域内粒子与粒径较大区域内粒子的聚 并, 聚并生成的新粒子进入粒径较大的区域. 4 ) 粒径较小区域内或区域间粒子的聚并, 聚 并生成的新粒子进入该区域. 粒子间聚并系数和粒子粒径分布是影响粒子 聚并的 2个内在因素. 根据以上粒子间同时存在的 4种聚并可知, 在聚并系数和粒子数目浓度不随粒 径变化的情况下, 小粒子的聚并脱除效率高于大粒 子的聚并脱除效率, 即分级聚并脱除效率随粒径的 增大而增大. 然而, 粒子间作用力以及粒子所受的 其他作用力都随粒径的改变而改变, 使得粒子间聚 并系数也随粒径的变化而变化; 此外, 不同粒径粒 子的数目浓度也不同( 见图 2 ) . 所以, 在聚并系数 和粒径分布的共同作用下, 不同粒径粒子的聚并脱 除效率也不同. 图 4 ( a ) 为在气流平均速度 u 0= 0 1 4m/ s 、 粒 子在磁场中聚并时间 t = 5 1 4s 时, 不同质量浓度 C条件下东胜煤灰( P 1 ) 和大同煤灰( P 2 ) 分级聚并 脱除效率( η s) . 该图表明, 在相同条件下, 东胜煤 灰的分级聚并脱除效率高于大同煤灰的分级聚并 脱除效率; 随粒子质量浓度的增大, 分级聚并脱除 效率提高, 分级聚并脱除效率最大值对应的粒径减 小; 中间粒径粒子的聚并脱除效率高于小粒子和大 粒子的聚并脱除效率. 飞灰粒子磁性越强, 粒子间 相互磁作用力以及粒子所受的外磁场力越大, 粒子 间聚并系数也就越大, 聚并脱除效率越高. 因而, 磁 性较强的东胜煤灰分级聚并脱除效率高于磁性较 弱的大同煤灰的分级聚并脱除效率. 在粒子间聚并 系数不变的条件下, 提高粒子质量浓度, 粒子数目 浓度增大, 碰撞频率提高, 聚并脱除效率随之提高. 飞灰粒子在气流携带下流经磁场, 在气流速度 不变的情况下, 在聚并通道中不同位置处粒子的聚 并时间不同. 聚并时间越长, 粒子的碰撞次数越多, 聚并脱除效率越高, 如图 4 ( b ) 所示. 此外, 图 4 ( b ) 也表明相同条件下东胜煤灰的分级聚并脱除效率 高于大同煤灰的分级聚并脱除效率; 中间粒径粒子 的聚并脱除效率高于小粒子和大粒子的聚并脱除 效率; 随聚并时间的延长, 分级聚并脱除效率最大 值对应的粒径减小. 68东南大学学报( 自然科学版) 第 3 7卷 图 4 单粒径聚并脱除效率的影响因素 在聚并通道某一位置处, 粒子从进入磁场到该 位置处的聚并时间随气流速度的改变而改变, 增大 气流速度, 通道内气流速度梯度增大, 可在一定程 度上加强粒子间的相对运动, 增强粒子间的聚并, 但粒子在通道中的聚并时间缩短, 从而又削弱了聚 并. 图4 ( c ) 为 u 0t = 0 7 2 m时气流速度对分级聚并 脱除效率的影响. 该图表明, 随气流平均速度的增 大, 分级聚并脱除效率降低, 脱除效率最大值对应 的粒径增大. 此外, 图 4 ( c ) 还表明相同条件下磁性 较强的东胜煤灰分级聚并脱除效率高于磁性较弱 的大同煤灰的分级聚并脱除效率, 中间粒径粒子的 聚并脱除效率高于小粒子和大粒子的聚并脱除效 率. 2 2 整体聚并脱除效率和数目中位直径 飞灰粒子的整体聚并脱除效率 η t是 0 0 2 3~ 9 3 1 8μ m粒径范围内总粒子数目浓度的相对减少 率. 由于各级的分级聚并脱除效率不同( 如图 4所 示) , 因而, 在聚并过程中, 飞灰粒子的粒径分布是 不断变化的, 这一变化过程可用粒子数目中位直径 d m来表达. 增大飞灰粒子质量浓度, 分级聚并脱除效率提 高, 使得整体聚并脱除效率也随之提高, 数目中位 直径减小, 如图 5 ( a ) 所示. 此外, 由于东胜煤灰的 磁性强于大同煤灰的磁性, 随粒子质量浓度的增 大, 东胜煤灰的总聚并脱除效率比大同煤灰整体聚 并脱除效率的提高更为迅速. 数目中位直径的减小 表明飞灰粒子中大粒子比小粒子更易于聚并长大 到粒径大于 9 3 1 8μ m后被旋风除尘器脱除. 图 5 总聚并脱除效率和数目中位直径的影响因素 在气流速度不变的条件下, 延长粒子的聚并时 间, 分级聚并脱除效率提高, 整体聚并脱除效率也 随之提高, 且东胜煤灰整体聚并脱除效率比大同煤 灰整体聚并脱除效率提高更为迅速, 飞灰粒子数目 中位直径减小, 如图 5 ( b ) 所示. 同样, 在平均气流速度与粒子聚并时间的乘积 为一定值时, 增大气流速度, 整体聚并脱除效率降 低, 数目中位直径减小, 图 5 ( c ) 表明了这一结论. 78第 1期李永旺, 等 梯度磁场中燃煤 P M1 0聚并实验 3 结论 1 ) 在相同条件下, 磁性较强的东胜煤灰粒子 的聚并脱除效率高于磁性较弱的大同煤灰粒子的 聚并脱除效率. 2 ) 增大飞灰粒子质量浓度或延长粒子的聚并 时间, 飞灰粒子的分级聚并脱除效率和整体聚并脱 除效率提高, 且东胜煤灰比大同煤灰整体脱除效率 提高更为迅速; 提高气流平均速度, 飞灰粒子的分 级聚并脱除效率和整体聚并脱除效率降低. 3 ) 中间粒径粒子的聚并脱除效率高于小粒子 和大粒子的聚并脱除效率. 4 ) 随整体聚并脱除效率的提高, 分级聚并脱 除效率最大值对应的粒径减小, 粒子数目中位直径 减小. 参考文献 ( R e f e r e n c e s ) [ 1 ]金银龙, 何公理, 刘凡, 等. 中国烟煤型大气污染对人 群健康危害的定量研究[ J ] . 卫生研究, 2 0 0 2 , 3 2 ( 5 ) 3 4 2 3 4 8 . J i nY i n l o n g , H eG o n g l i , L i uF a n , e t a l . Q u a n t i f i e ds t u d y o nh u m a nh e a l t hi m p a c t c a u s e db yc o a l b u r n i n ga i r p o l l u t i o ni nC h i n a[ J ] .J o u r n a lo fH y g i e n eR e s e a r c h , 2 0 0 2 , 3 2 ( 5 ) 3 4 2 3 4 8 . ( i nC h i n e s e ) [ 2 ]单红丹, 卢升高. 火电厂粉煤灰的矿物磁性及其环境 意义[ J ] . 矿物学报, 2 0 0 5 , 2 2 ( 2 ) 1 4 1 1 4 6 . S h a nH o n g d a n , L uS h e n g g a o .Mi n e r a lm a g n e t i s m o f p o w e r p l a n t f l ya s ha n di t s e n v i r o n m e n t a l i m p a c t i o n [ J ] . A c t aMi n e r a l o g i c aS i n i c a , 2 0 0 5 , 2 2 ( 2 ) 1 4 1 1 4 6 . ( i n C h i n e s e ) [ 3 ]S m o l u c h o w s k i M. V e r s u c he i n e r m a t h e m a t i s c h e nt h e o r i e d e r k o a g u l a t i o n s k i n e t i k k o l l o i d e r l u n g e n [ J ] . Z e i t s c h r i f tf rP h y s i k a l i s c h eC h e m i e , 1 9 1 7 ,9 2 1 2 9 1 8 8 . [ 4 ]S v o b o d aJ . Ma g n e t i cf l o c c u l a t i o na n dt r e a t m e n t o f f i n e w e a k l ym a g n e t i cm i n e r a l s [ J ] .I E E ET r a n s a c t i o n so n Ma g n e t i c s , 1 9 8 2 , 1 8 ( 2 ) 7 9 6 8 0 1 . [ 5 ]P r a k a s hK , P r a t i mB . A n a l y t i c a l e x p r e s s i o n s o f t h ec o l l i s i o nf r e q u e n c yf u n c t i o nf o r a g g r e g a t i o no f m a g n e t i c p a r t i c l e s [ J ] .A e r o s o l S c i e n c e , 2 0 0 5 , 3 6 ( 4 ) 4 5 5 4 6 9 . [ 6 ]T s o u r i s C , S c o t t TC . F l o c c u l a t i o no f p a r a m a g n e t i c p a r t i c l e s i nam a g n e t i cf i e l d[ J ] .J o u r n a l o f C o l l o i da n dI n t e r f a c eS c i e n c e , 1 9 9 5 , 1 7 1 ( 2 ) 3 1 9 3 3 0 . [ 7 ]N b o l dH ,P o p p eT , R o s t M. Ma g n e t i ca g g r e g a t i o n Ⅱ l a b o r a t o r ya n dm i c r o g r a v i t ye x p e r i m e n t s [ J ] . I c a r u s , 2 0 0 3 , 1 6 5 ( 1 ) 1 9 5 2 1 4 . [ 8 ]李永旺, 赵长遂, 吴新, 等. 燃煤可吸入颗粒物在磁场 中聚并脱除理论与实验研究[ J ] . 热能动力工程, 2 0 0 7 , 2 2 ( 2 ) . ( 待发表) L i Y o n g w a n g , Z h a oC h a n g s u i , WuX i n , e t a l . T h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a l s t u d yo nc o a l f i r e dP M1 0a g g r e g a t i o ni n m a g n e t i cf i e l d[ J ] .J o u r n a l o f E n g i n e e r i n gf o r T h e r m a l E n e r g ya n dP o w e r , 2 0 0 7 , 2 2 ( 2 ) . ( t oa p p e a r ) ( i nC h i n e s e ) [ 9 ]李永旺, 赵长遂, 吴新, 等. 新型流化床气溶胶发生装 置及其特性[ J ] . 东南大学学报 自然科学版, 2 0 0 5 , 3 5 ( 5 ) 7 4 2 7 4 5 . L i Y o n g w a n g , Z h a oC h a n g s u i , WuX i n , e t a l . D e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co fn o v e lf l u i d i z e db e da e r o s o l g e n e r a t o r [ J ] . J o u r n a l o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n , 2 0 0 5 , 3 5 ( 5 ) 7 4 2 7 4 5 . ( i nC h i n e s e ) 88东南大学学报( 自然科学版) 第 3 7卷
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