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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 高梯度磁场中燃煤 P M1 0的捕集试验 鲁端峰 赵长遂 吴 新 李永旺 韩 松 丛 俊 ( 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 ) 摘要利用高梯度磁场试验装置进行了捕集燃煤可吸入颗粒物的试验研究. 采用电称低压冲击 器( E L P I ) 在线实时测量了颗粒浓度的变化, 系统研究了颗粒磁性、 磁场强度、 气溶胶流速和磁介 质填充率对颗粒捕集效率的影响. 结果表明 在 0 1~ 1 0μ m范围内, 颗粒的总捕集效率可以达 到 2 5 % ~ 3 6 %; 较大和较小的颗粒捕集效率相对较高; 而粒径在 1~ 3μ m的颗粒捕集效率相对 较低. 磁矩较大的样品, 其捕集效率较高. 磁场强度和磁介质填充率的增加可以提高颗粒的捕集 效率, 而气体流速的增大则会导致颗粒捕集效率降低. 较低的气体流速有利于小颗粒的捕集, 而 较高的磁介质填充率对于大颗粒的捕集更为有利于. 试验结果表明, 采用高梯度磁分离控制燃煤 可吸入颗粒物是一种新型有效的方法. 关键词P M1 0; 燃煤; 高梯度磁场; 捕集效率; E L P I 中图分类号X 5 1 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 9 0 5 E x p e r i me n t a l r e s e a r c ho nc a p t u r eo f P M1 0e mi t t e d f r o m c o a l c o mb u s t i o nw i t hh i g hg r a d i e n t ma g n e t i cf i e l d L uD u a n f e n g Z h a oC h a n g s u i WuX i n L i Y o n g w a n g H a nS o n g C o n gJ u n ( 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 E x p e r i m e n t s o nc a p t u r i n gP M1 0e m i t t e df r o mc o a l c o m b u s t i o nw i t hh i g hg r a d i e n t m a g n e t i c f i e l dw e r ec a r r i e do u t f o r t h ef i r s t t i m e .T h ev a r i a t i o no f p a r t i c l en u m b e r c o n c e n t r a t i o nc a u s e db y h i g hg r a d i e n t m a g n e t i cf i e l dw a s m e a s u r e db yt h ee l e c t r i c a l l o wp r e s s u r ei m p a c t o r ( E L P I ) .E f f e c t s o f p a r t i c l em a g n e t i z a t i o n ,m a g n e t i cf l u xd e n s i t y ,a e r o s o l v e l o c i t ya n df i l l r a t i oo f f e r r o m a g n e t m e d i a o np a r t i c l e c a p t u r e e f f i c i e n c yh a v e b e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d . T h e r e s u l t s s h o wt h a t , w i t h i nt h e p a r t i c l es i z eo f 0 1t o1 0μ m,t h ep a r t i c l ec a p t u r ee f f i c i e n c yr a n g e s f r o m2 5 % t o3 6 %.F o r b o t hb i g a n ds m a l l p a r t i c l e s t h ec a p t u r ee f f i c i e n c ya r eh i g h e r ,a n df o r t h ei n b e t w e e np a r t i c l e s ( 1t o3μ m) t h ec a p t u r ee f f i c i e n c yi sr e l a t i v e l yl o w e r .T h ep a r t i c l ec a p t u r ee f f i c i e n c yr i s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f p a r t i c l em a g n e t i z a t i o n ,m a g n e t i cf i e l dg r a d i e n t a n df i l l r a t i oo f f e r r o m a g n e t m e d i a ,a n di t r e d u c e s w i t ht h ei n c r e a s ei na e r o s o l v e l o c i t y .L o w e r a e r o s o l v e l o c i t yp r o v i d e s a na c t i v ee f f e c t o nc a p t u r i n g f i n ep a r t i c l e s a n dh i g h e r f i l l r a t i oo f f e r r o m a g n e t m e d i ah a sa na c t i v ee f f e c t o nc a p t u r i n gb i gp a r t i c l e s .T h ep r e s e n t s t u d yi n d i c a t e s t h a t a d o p t i n gh i g hg r a d i e n t m a g n e t i cs e p a r a t i o ni s a ne f f e c t i v ew a y t oc o n t r o l f i n ep a r t i c l ee m i s s i o nf r o mc o a l c o m b u s t i o n . K e yw o r d s P M1 0;c o a l c o m b u s t i o n ;h i g hg r a d i e n t m a g n e t i c f i e l d ;c a p t u r e e f f i c i e n c y ;e l e c t r i c a l l o w p r e s s u r ei m p a c t o r 收稿日期 2 0 0 6 0 6 0 7 . 基金项目国家 重 点 基 础 研 究 计 划 ( 9 7 3计 划)资 助 项 目 ( 2 0 0 2 C B 2 1 1 6 0 0 ) . 作者简介鲁端峰( 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 . 可吸入颗粒物( P M1 0) 影响大气能见度, 导致 酸雨以及光化学烟雾, 并且易富集酸性物质、 有机 污染物、 病菌等有害物质, 对环境和人体都有较大 危害[ 12 ]. 煤的燃烧是可吸入颗粒物污染的重要来 源. 燃煤可吸入颗粒物中富集多种有毒痕量元素如 砷、 硒、 铅、 铜、 锌、 溴等, 而且其含量随着颗粒粒径 的减小而增加, 因此具有更大的危害性. 常规的除 尘方式如电除尘、 布袋除尘以及旋风除尘等对燃烧 源 P M1 0尤其是 P M2 5的排放缺乏有效的控制. 在我 国, 以燃煤为主的能源结构使得这一问题更加突 出, 研究新的控制燃烧源可吸入颗粒物的理论和方 法十分迫切. 燃煤可吸入颗粒物中铁等金属氧化物含量较 高[ 3 ]. 文献[ 4 5 ] 的研究发现燃煤可吸入颗粒物 中铁氧化物的含量为 4 1 % ~ 2 3 5 %. 孙俊民等的 研究发现燃煤产生的细颗粒中铁氧化物主要有 F e 3O4, α F e2O3和 γ F e2O3 [ 6 ]. 而 F e 3O4和 γ F e2O3 磁化后具有较高的饱和磁化强度. 因此应用磁分离 技术控制燃煤可吸入颗粒物污染是值得研究的方 向. 外加磁场中磁介质的周围可以形成较高的磁场 梯度, 磁化后的颗粒受到磁场梯度力的作用而被磁 介质吸附, 这就是高梯度磁分离的原理[ 7 ]. 高梯度 磁分离技术已经成功应用于选矿、 化工和环境工程 领域[ 89 ]. 但是采用磁分离技术控制燃煤可吸入颗 粒物的排放方面还未见相关报道. 本文进行了高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒 物的试验研究, 分析了颗粒物的磁性、 磁场、 流场对 颗粒物捕集效率的影响. 初步的试验结果表明采用 高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物是一种新型有 效的方法. 1 试验 1 1 试验系统 如图 1所示, 试验系统由气溶胶发生装置、 高 梯度磁场作用段和测量分析系统组成. 气溶胶发生 系统采用东南大学热能工程研究所研制的流化床 干颗粒气溶胶发生器[ 1 0 ]. 试验中用氮气作为气源, 用燃煤电厂飞灰作为气溶胶化的粉末物质, 所产生 气溶胶颗粒的空气动力学直径小于 1 0μ m. 试验通 道横截面尺寸为 5 0 m m 5 0 m m, 长1 2 m, 通道两 侧布置双轭双调协可调气隙电磁铁. 电磁铁两磁极 中间通道的内部布置磁介质格栅, 磁介质为直径 0 3 5m m的镀镍铁丝, 相邻2 根镀镍铁丝之间的距 图 1 试验系统图 离为 1 4m m. 采用芬兰 D e k a t i 公司生产的电称低 压冲击器( E L P I ) 测量气溶胶颗粒浓度的变化[ 1 1 ], 其响应时间短, 测量精度高, 可以实时测量 0 1~ 1 0μ m颗粒物数目浓度和粒径分布, 能够满足本试 验对燃煤可吸入颗粒物研究的要求. 1 2 试验方法 对采集的燃煤电站飞灰进行烘干处理, 与作为 床料的不锈钢珠以 1 0 %的比例均匀混和后添加到 气溶胶发生器内, 然后调节氮气压力及流量, 控制 一定气体流速, 同时开启 E L P I , 对产生的气溶胶进 行实时监测, 至 E L P I 显示颗粒数浓度稳定后开启 磁场进行试验. 本试验分别研究了颗粒磁性、 外加 磁场 B 、 气体流速 v 和磁介质格栅的填充率 R f对 燃煤可吸入颗粒物捕集效率 η T和颗粒物累积分布 C规律的影响. 图 2 燃煤可吸入颗粒物磁滞回线 1 3 试验条件 选用东胜烟煤 a 、 大同烟煤 b和徐州烟煤 c 燃 烧产生的飞灰作为试验样品. 3种样品的磁性特征 如图2所示. 由图可知, 外加磁场为5 0 0 m T时颗粒 09东南大学学报( 自然科学版) 第 3 7卷 都已趋近饱和磁化, 饱和磁化强度 M分别为4 4 1 0 3, 2 7 5 1 03和 0 8 1 1 03A/ m. 图 3为气溶胶 发生器产生的 3种样品气溶胶的粒径分布, 图中 q 为各粒径段颗粒数目占总颗粒数的百分比, d p为 粒径. 由图可知, 样品 a 中 0 1~ 1μ m的颗粒占有 大比例, 而样品 b和样品 c 粒径分布相似, 0 3~ 3 μ m的颗粒占有较大比例, 3种飞灰的数目平均粒 径分别为 0 4 5 , 0 . 5 3 , 0 8 2μ m. 图 3 颗粒粒径分布 2 结果和讨论 2 1 磁场作用时间对颗粒捕集效率的影响 图 4为开启磁场后样品 a 颗粒捕集效率随时 间的变化曲线. 分析发现, 颗粒数目浓度逐渐降低 的过程可分为 3个阶段, 即缓慢降低阶段( 0~5 s ) 、 快速降低阶段( 5~ 2 5s ) 和稳定阶段( 2 5s 以 后) . 稳定后, 粒径在 1 0~ 3 0μ m内的颗粒捕集 效率相对较低, 其余粒径范围的颗粒捕集效率较 高. 用其余 2种样品进行试验, 得到了相似的规律. 在磁场区域内, 颗粒被磁场磁化, 进而受到磁场梯 度力的作用被磁介质捕集, 与此同时颗粒磁化后易 于相互团聚形成较大的颗粒团, 尤其是粒径较小的 颗粒易于同粒径较大的颗粒相互团聚, 而粒径较大 的颗粒以及较大的颗粒团所受磁场作用力较大, 易于被磁介质捕集. 这些原因导致粒径较小和较大 的颗粒捕集效率相对较高. 图 4 颗粒捕集效率随磁场作用时间的变化 ( B= 6 0 0m T ,v = 0 0 6 8m/ s ,R f= 2 4 %) 图 5 磁场对颗粒捕集的影响 ( v = 0 0 6 8m/ s ,R f= 2 4 %) 2 2 磁场强度对颗粒捕集的影响 图 5 ( a ) 为 3种烟煤飞灰颗粒总捕集效率随磁 场强度的变化规律. 随着磁场强度的增大, 颗粒的 总捕集效率逐渐增大, 而其增幅逐渐减小. 如图所 示, 磁场强度由 8 0m T增大到 2 0 0m T时, 颗粒的 捕集效率提高了 8 %; 而磁场强度由 6 8 0m T增大 到 8 0 0m T时, 颗粒的捕集效率仅提高了 1 5 %. 相 同条件下, η T , a>ηT , b>ηT , c, 这与 3种样品磁特性 关系相一致. 结合图 2可知, 磁场强度在 0~5 0 0 m T时, 颗粒未达到饱和磁化, 随着外加磁场的增 19第 1期鲁端峰, 等 高梯度磁场中燃煤 P M1 0的捕集试验 强, 磁场梯度和颗粒磁矩随之增加, 各级颗粒捕集 效率增加较快, 当磁场强度到达5 0 0 m T以后, 颗粒 趋近饱和磁化, 磁矩不再随外加磁场变化, 进一步 增强磁场, 颗粒捕集效率提高不明显. 图 5 ( b ) 为磁 场对样品 a颗粒数目累积分布的影响. 开启磁场 后, 粒径在 0 1~ 1 0μ m和 3 0~ 1 0μ m内的颗粒 数目份额降低, 而在 1 0~ 3 0μ m范围内的颗粒 数目比例有所增加. 2 3 气体流速对颗粒捕集的影响 图 6 ( a ) 为 3种烟煤飞灰颗粒总捕集效率随气 体流速的变化规律. 气体流速较低时, 颗粒在磁场 作用区内停留时间较长, 可以获得较高的颗粒捕集 效率. 气体流速增大, 颗粒在磁场作用区内的停留 时间减少, 与此同时气体的夹带作用也会增强, 从 而导致颗粒捕集效率明显下降. 如图所示, 气体流 速由 0 0 4 5m/ s 增加到 0 1 0m/ s 时, 颗粒的总捕 集效率降低了 1 5 %. 图 6 ( b ) 为样品 a 颗粒数目累 积分布与气体流速的关系. 由图可知, 随着气体流 速的减小, 小颗粒份额有减少的趋势, 说明较低的 气体流速有利于小颗粒的捕集. 图 6 气体流速对颗粒捕集的影响 ( B= 8 0 0m T ,R f= 2 4 %) 2 . 4 磁介质填充率对颗粒捕集的影响 图 7 ( a ) 为 3种烟煤飞灰颗粒总捕集效率与磁 介质填充率的关系. 增大磁介质的填充率可以增加 捕集颗粒的有效空间, 从而提高了颗粒的捕集效 率. 但是磁介质的填充率达到一定程度后, 颗粒捕 集效率增加的幅度逐渐降低. 如图所示, 介质填充 率由 0 5 6 %增加到 1 1 2 %时, 颗粒捕集效率提高 了1 0 %; 当介质填充率由1 6 8 %增加到2 2 4 %时, 颗粒捕集效率仅提高了3 %. 图7 ( b ) 为样品 a 颗粒 数目累积分布与磁介质填充率的关系. 结合图 7 ( a ) 可知, 增大磁介质填充率, 颗粒捕集效率有较 大的提高, 并且大颗粒所占份额有减小的趋势, 这 说明磁介质填充率越高对大颗粒的捕集更为有利. 图 7 磁介质填充率对颗粒捕集的影响 ( B= 8 0 0m T ,v = 0 0 4 5m/ s ) 3 结语 1 ) 在高梯度磁场中, 燃煤可吸入颗粒物磁化 后被磁介质捕集, 其浓度随时间的变化可以分为 3 个阶段 缓慢降低阶段、 快速降低阶段和稳定阶段. 粒径在 1 0~3 0μ m内的颗粒捕集效率相对较 低, 其余粒径范围的颗粒捕集效率较高. 2 ) 磁性较强的样品, 其捕集效率较高. 增加磁 场强度和磁介质的填充率可以提高燃煤可吸入颗 粒物的捕集效率, 增大气体流速则会导致颗粒捕集 效率降低. 较低的气体流速有利于小颗粒的捕集, 而较高的磁介质填充率有利于大颗粒的捕集. 3 ) 试验结果表明, 采用高梯度磁场捕集燃煤 可吸入颗粒物是一种新型有效的方法. 参考文献 ( R e f e r e n c e s ) [ 1 ]汪安璞. 大气气溶胶研究新动向[ J ] . 环境化学, 1 9 9 9 , 29东南大学学报( 自然科学版) 第 3 7卷 1 8 ( 1 ) 1 0 1 5 . Wa n gA n p u .R e c e n tt r e n d so ns t u d yo fa t o m s p h e r i c a e r o s o l s [ J ] .E n v i r o n m e n t a l C h e m i s t r y , 1 9 9 9 ,1 8 ( 1 ) 1 0 1 5 .( i nC h i n e s e ) [ 2 ]张军营, 魏凤, 赵永椿, 等. P M2 5和 P M1 0排放的一维炉 燃烧实验研究[ J ] . 工程热物理学报, 2 0 0 5 , 2 6 ( 增刊) 2 5 7 2 6 0 . Z h a n gJ u n y i n g ,We i F e n g ,Z h a oY o n g c h u n , e t a l .E x p e r i m e n t r e s e a r c ho fe m i s s i o n so fP M1 0P M2 5d u r i n g c o a l c o m b u s t i o ni no n ed i m e n s i o n a l f u r n a c e [ J ] .J o u r n a l o f E n g i n e e r i n gT h e r m o p h y s i c s ,2 0 0 5 ,2 6 ( S u p p ) 2 5 7 2 6 0 .( i nC h i n e s e ) [ 3 ]刘小伟, 徐明厚, 于敦喜, 等. 煤粉粒径对燃烧过程中 可吸入颗粒物排放特性的影响[ J ] . 动力工程, 2 0 0 5 , 2 5 ( 4 ) 5 9 3 5 9 8 . L i uX i a o w e i ,X uMi n g h o u ,Y uD u n x i , e t a l .S t u d yo n t h ei n f l u e n c eo f c o a l g r a n u l es i z eo ne m i s s i o no f i n h a l a b l ep a r t i c l e s d u r i n gc o m b u s t i o n [ J ] .J o u r n a l o f P o w e r E n g i n e e r i n g , 2 0 0 5 , 2 5 ( 4 ) 5 9 3 5 9 8 . ( i nC h i n e s e ) [ 4 ]Z h a n gC h e n g f e n g , Y a oQ i a n g , S u nJ u n m i n g .C h a r a c t e r i s t i c s o f p a r t i c u l a t e m a t t e r f r o me m i s s i o n s o f f o u r t y p i c a l c o a l f i r e dp o w e rp l a n t si nC h i n a [ J ] .F u e l P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y , 2 0 0 5 , 8 6 ( 7 ) 7 5 7 7 6 8 . [ 5 ]C h e nY u a n z h i ,N a r e s hS h a h ,F r a n kE , e t a l .I n v e s t i g a t i o no f p r i m a r yf i n e p a r t i c u l a t e m a t t e r f r o mc o a l c o m b u s t i o nb yc o m p u t e r c o n t r o l l e ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y [ J ] .F u e l P r o c e s s i n gT e c h n o l o g y , 2 0 0 4 , 8 5 ( 6 ) 7 4 3 7 6 1 . [ 6 ]孙俊民, 姚强, 刘惠永, 等. 燃煤飞灰中铁质微珠的显 微结构及其组成研究[ J ] . 燃料化学学报, 2 0 0 5 , 3 3 ( 3 ) 2 6 3 2 6 6 . S u nJ u n m i n ,Y a oQ i a n g ,L i uH u i y o n g ,e t a l .Mi c r o s t r u c t u r e a n d m i n e r a lc h a r a c t e r i s t i c s o f f e r r u g i n o u s s p h e r e s i nf l ya s h [ J ] .J o u r n a l o f F u e l C h e m i s t r ya n d T e c h n o l o g y , 2 0 0 5 , 3 3 ( 3 ) 2 6 3 2 6 6 .( i nC h i n e s e ) [ 7 ]R i t t e r J a m e sA ,E b n e r A r m i nD ,D a n i e l K a r e nD ,e t a l .A p p l i c a t i o no fh i g hg r a d i e n tm a g n e t i cs e p a r a t i o n p r i n c i p l e st om a g n e t i cd r u gt a r g e t i n g [ J ] .J o u r n a lo f Ma g n e t i s ma n dMa g n e t i cMa t e r i a l s ,2 0 0 4 ,2 8 0 ( 2 ) 1 8 4 2 0 1 . [ 8 ] K a r a p i n a rN .Ma g n e t i cs e p a r a t i o no ff e r r i h y d r i t ef r o m w a s t e w a t e r b ym a g n e t i cs e e d i n ga n dh i g h g r a d i e n t m a g n e t i c s e p a r a t i o n [ J ] .I n t JMi n eP r o c e s s , 2 0 0 3 ,7 1 ( 4 ) 4 5 5 4 . [ 9 ]X i o n gD a h e ,L i uS h u y i ,C h e nJ i n .N e wt e c h n o l o g yo f p u l s a t i n gh i g hg r a d i e n t m a g n e t i c s e p a r a t i o n [ J ] . I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mi n e r a l P r o c e s s i n g , 1 9 9 8 , 5 4 ( 2 ) 1 1 1 1 2 7 . [ 1 0 ]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 t a n dc h a r a c t e r i s t i c o f n o v e l 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 [ 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 27 4 5 . ( i nC h i n e s e ) [ 1 1 ]K e s k i n e nJ ,P i e t a r i n e nK , L e h t i m a k i M.E l e c t r i c a l l o w p r e s s u r ei m p a c t o r [ J ] .A e r o s o l S c i , 1 9 9 2 ,2 3 ( 3 ) 3 5 3 3 6 0 . 39第 1期鲁端峰, 等 高梯度磁场中燃煤 P M1 0的捕集试验
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