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华中科技大学 硕士学位论文 燃煤过程中亚微米颗粒凝并过程矩方法模拟 姓名魏丽君 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师柳朝晖 20080603 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 燃煤和垃圾焚烧过程中产生的亚微米颗粒物粒径较小且富集了大量的重金属元 素，对自然环境和人体健康有着严重的危害，因此了解亚微米颗粒在燃烧过程中的生 成、长大机理，以及如何有效的抑制其排放是目前亟待解决的问题。亚微米颗粒的形 成一般经历了蒸发、成核、冷凝以及颗粒间的布朗凝并过程。在上述经历中，颗粒间 的凝并过程对亚微米颗粒的长大起着极为重要的作用。 本文在总结了有关亚微米颗粒物成核、冷凝、布朗凝并过程的研究进展和相关数 学模型之后，将以合理的对数正态分布假设为基础，运用矩方法Moment 重 点分析燃煤气氛下布朗凝并过程对亚微米颗粒尺寸分布的影响，随后将计算的颗粒场 与实际燃煤过程结合，讨论流场、温度场的特性对颗粒尺寸分布的影响。 燃煤过程产生的颗粒通常呈典型的双峰分布，因此本文根据参与模态的不同，将 凝并过程细分为同模态间的自身凝并和粗模态对细模态的捕集，使用矩方法的模拟结 果表明当细颗粒数浓度远大于粗颗粒时，颗粒间的自身凝并占主导地位；随着细颗 粒数目的减少，粗颗粒的捕集效应变得相对明显。与单独的自身凝并相比，捕集过程 的加入使得颗粒粒径减小，分布变窄，破坏了自保持特性。在分析影响凝并过程的因 素时发现初始颗粒的不均匀分布可增大布朗凝并速率，而且凝并过程对燃烧气氛如 烟气密度、温度等有较强的依赖性。 将矩方法和煤粉燃烧过程的通用数值模拟程序将结合, 初步探讨了实际燃烧过程 中颗粒物的演化过程及其尺寸分布模拟结果表明煤粉火炬所在的温度较高的区域内 亚微米颗粒数量浓度较大，随着炉膛高度增加，温度下降的同时，颗粒数目也逐渐减 少，粒径则呈增大的趋势。高温区内的颗粒数浓度达到最大的同时，其质量浓度却处 在较低值。同时发现颗粒在回流区内有较明显的富集现象。这说明在实际的炉膛燃烧 过程中，流场的流动结构对亚微米颗粒凝并及其数密度分布具有重要的影响。 关键词 亚微米颗粒 对数正态分布 矩方法 布朗凝并 输运 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The aerosol emissions from coal combustion and waste incineration generally have seriously impact on the human health and environment, which are too small to be captured and enriched with heavy metals. To know how the particulate matters PM generates and grows in the combustion process is the prerequisite to control and prevent them. After vaporization, the fine particles are ed as nucleation，condensation and coagulation processes during coal combustion. Among all these processes, coagulation plays a dominant role for fine particles growth and removal. Here in this article we firstly summarize the evolution and mathematical models about fine particles nucleation, condensation and Brownian coagulation, then give a reasonable initial log-normal size distribution to the particle system, using moment simulate the particle size distribution PSD changed during Brownian coagulation processes in the poly-disperse system. Further more, we will discuss the changed of PSD during the process of transportation by combining the moment and the modeling of the fluid field. Generally speaking, the particles generated from combustion have a typical bimodal mass distribution, so the coagulation can be divided as intra-coagulation which happened within the same mode, and inter-coagulation happened between different modes. The results show that when the ratio of number concentration between fine and coarse mode larger than a certain value, the intra-coagulation will be dominant for particles growth, while the number of fine particles reduced, the inter-coagulation become more effective comparatively, but the inter-coagulation process leads to a smaller and narrower size distribution, and finally could not reach the self-preserving state. From the results, it is also found that the initial deviation of particles and the properties of flue gas can make significant difference on the PSD. Finally, combined the moment and the modeling of the combustion fluid field, the dynamic characteristics of these fine particles in coal combustion process are theoretically analyzed. The results show that the number concentration of the PM is higher in the high temperature zone, and less in the upper part of the furnace where temperature is 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III lower, but its diameter tends to be larger at the outlet of furnace. Another hand, the number concentration and the mass concentration of particle are higher in the reflux region. These result indicated that the structure of flow field has significant influence on particle coagulation behavior and its PSD. Keywords Submicron Particles, Log-normal distribution, Moment , Brownian Coagulation, Transportation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密□，在____________年解密后适用本授权书。 不保密□。 （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 能源和环境是人类赖以生存和发展的根本。一、二次产业革命后，化石燃料特别 是煤和石油的大规模开采和利用标志着人类社会前所未有的进步，但同时也给生态环 境带来了巨大的影响。 煤是一种“不清洁”燃料，由燃煤引起的大气污染是人类共同面临的难题，更成 为制约我国国民经济和社会可持续发展的一个重要因素。因此，如何提高煤的燃烧效 率，寻找一条高效清洁的燃煤途径是亟待解决的一项重大课题。本文以国家重点基础 研究“973”计划－燃烧源可吸入颗粒物的形成与控制技术研究为依托，主要研究煤 粉燃烧过程中亚微米颗粒的形成及分布特性。 1.1 课题背景 煤炭是世界上蕴藏量最丰富的化石燃料资源，约占世界上已探明化石燃料储量的 70以上。过去的 100 年里，伴随着人类经济社会突飞猛进的发展，能源结构总体也 朝着优质化方向发展。如图 1-1 所示，20 世纪以来，油、气的利用比例有了较大幅度 增长，但是煤炭仍占一次能源消费的 30左右。据世界能源会议预测，煤炭作为一次 能源的重要组成，其地位在相当长的时间内不会改变。 图 1-1 过去 100 多年世界能源消费变化[1, 2] 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，能源资源所呈现出的“富煤贫油少气”的 特点决定了煤炭在我国能源结构中的重要地位。 从表 1-1 所示能源消费结构可以看出， 虽然煤炭消费的比重自 1990 年有所下降，但始终占了一次能源的 70左右，在可预 见的未来几十年内，煤炭仍将是我国主要的一次能源。 表 1-1 中国一次能源消费结构[3] 占能源消费的比重 年份 煤炭 石油 天然气 水电、核电、风电 1985 1990 1995 2000 2002 2004 2006 75.8 76.2 74.6 67.8 66.3 68.0 69.4 17.1 16.6 17.5 23.2 23.4 22.3 20.4 2.2 2.1 1.8 2.4 2.6 2.6 3.0 4.9 5.1 6.1 6.7 7.7 7.1 7.2 作为一次能源，煤炭在我国的利用方式主要是燃烧，其中绝大部分被用作发电燃 料。据国家统计局及中国电力企业联合会统计[2]，2007 年我国的主要电力燃料中化石 燃料约占 77.7左右。然而煤粉燃烧在给我们提供必需的热源和电力资源的同时，也 带来了严重的污染。燃煤产生的 SOx和 NOx、有机物和痕量元素等，成为环境污染的 主要来源。此外，尽管电厂都安装了除尘设备，但对于燃煤中产生的微米级的小颗粒 捕获效率并不高，因此仍有数目众多的飞灰颗粒排入大气，成为我国大部分城市的主 要污染物，见图 1-2。 200120022003200420052006 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 排放 量/亿t 排放 量/亿t SO2 烟尘 工 业粉 尘 年 份 图 1-2 中国主要污染物排放情况[3] 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 可吸入颗粒物是指通过鼻和嘴进入人体呼吸道的颗粒物总称，用 PM10 表示（指 空气动力学直径小于 10 微米的颗粒） ，其中更细的 PM2.5（直径小于 2.5 微米的颗粒） 能够进入人体肺泡甚至血液系统中去。 可吸入颗粒物在大气中可停留几天甚至几年，也可以长距离传输从而造成更大范 围的污染，从而导致大气能见度降低、酸雨、全球气候变化、烟雾事件、臭氧层破坏 等重大问题。 此外， 可吸入颗粒物具有很大的比表面， 通常富集了各种重金属元素 （如 As、Se、Pb、Cr 等）和 PAHs多环芳烃类、PCDD/Fs二恶英类等有机污染物，这些 多为致癌物质和基因毒性诱变物质， 一旦被人体吸收， 将会对人体健康产生严重危害， 成为导致人类死亡率上升的主要原因。 因此，深入研究燃煤过程中细颗粒物的形成机理、排放特性、元素分布特性以及 最终实现其排放控制的技术已经迫在眉睫。 大气中可吸入颗粒物的形成包括两个重要途径一. 自然和人为直接向环境排放 的颗粒物；二. 燃烧排放的污染物在大气中形成的二次气溶胶粒子。以燃烧排放的可 吸入颗粒物为最大来源，同时在可吸入颗粒物中最有害的物质通常也来自于燃烧源。 燃烧源排入大气环境中的一次颗粒物和一次气态污染物以及在环境大气中转化 生成的二次颗粒物，最终将以干沉降或湿沉降的方式去除。但是这个去除过程受到自 然环境和天气条件的影响，而且可吸入颗粒物还与生态污染物之间存在相互作用，已 沉积的颗粒也容易受到各种力的影响再次悬浮，进入大气，因此必须从根源实现颗粒 物的减排。所幸自然环境中可吸入颗粒物间的布朗碰撞、凝并、冷凝长大过程以及在 大气中扩散变迁的模式等理论基础，都将会有助于燃烧过程中颗粒物的排放控制。 目前颗粒物的减排主要采用燃烧后烟尘控制技术， 主要考虑了外加场作用力对颗 粒迁移行为的影响， 但是这些技术对于PM10 以下的微米级颗粒的捕获率仍然很低 （特 别是 PM2.5） 。因此许多研究人员将研究重点转向了如何在燃煤过程中抑制这些可吸 入颗粒物的形成，例如添加吸附剂或改变燃烧环境，以增大颗粒的生成粒径、提高燃 烧后除尘设备的效率，这就需要先了解颗粒物在炉内的生成、迁移特性。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 1.2 燃煤过程中亚微米颗粒生成特性的研究现状 由于亚微米颗粒对人体和环境有较强的危害性，且生成过程复杂、难以被现有除 尘设备捕捉，因此成了控制排放研究的重点。 McElroy[4]整理了不同容量锅炉颗粒物排放的数据后发现亚微米颗粒的质量浓 度、粒径分布随着锅炉的容量、燃烧器布置方式以及煤种的不同有着明显的区别，但 整体呈双峰分布。Taylor Flagan[5]在一实验炉上也发现燃烧器的运行参数与亚微米 颗粒的分布变化有密切联系，而且随着初始数浓度的增加，最终生成的平均粒径也会 有所增大。 Flagan Friedlander[6]曾提到当煤粒在炉膛内的温度升高达到 1350K 时，一些 易挥发的碱金属和痕量元素将首先气化；当温度超过 1900K 时，煤粒内部形成还原性 气氛，使得难熔性的硅酸盐被还原成较易挥发的次氧化物SiO、AlO或者金属Ca、 Mg、Fe、Al形式，以蒸气状态向外扩散。还有研究也证实[5, 7, 8]火焰温度越高，烟 气中矿物的分压力越低，还原性气氛越强，元素气化越容易，从而有利于亚微米灰的 形成。Quann 在利用不同煤种实验时发现[9]烟煤生成的亚微米灰主要由 SiO2和 FeO 组成，而低阶煤生成的亚微米灰主要由 MgO 和 CaO 组成，差别的原因在于低阶煤中 以原子状态存在的碱土金属含量较高，进而得出结论元素的原子分散状态可加强气 化。由以上结论可知煤中无机元素的气化行为与煤种、燃烧温度和元素的分散状态 等因素密切相关[10, 11]。 此外，Quann Sarofim[12]还通过实验测定了主要无机矿物元素的蒸发量，并首次 给出了无机矿物元素的蒸发模型，用以预测燃煤过程中无机矿物元素的蒸发速率和蒸 发量。 由于成核、 冷凝的发生受实际燃煤条件的限制， 因此对二者的研究多以理论为主。 McNallan 等人的研究[13]表明均相成核发生在焦粒边界层中，因为此处温度较高， 气化物质在边界区域大量聚集，具有很高的数密度，从而为气态分子的核化创造了条 件。Fuchs[14]曾提出理论说在冷凝过程中颗粒的增长同时伴随着热量和物质的交换 发生。他还指出只有在颗粒温度与周围气体介质温度差别非常小的情况下才有可能从 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 热量和物质输运方程得出解析解。基于这个假设，Kulmala[15]推导出了过渡区域内单 个液滴颗粒的冷凝生长速率，此后，Park Lee[16]将计算扩展到了全尺寸范围的颗粒 冷凝过程，并深入到了多分散系统。Senior 等人[17]在模拟痕量元素 As 的冷凝时，对 所处不同区域的颗粒采用了 Friedlander[18]提出的计算模型，表明冷凝过程中细颗粒的 通量与其粒径呈 2 次方关系，而粗颗粒仅呈 1 次方关系。 Neville Sarofim[19]曾在实验中发现凝并过程形成的颗粒粒径与温度呈一简单 的指数关系dp∝ fv t2/5。Helble[20, 21]随后通过实验证明环境气体和煤粉颗粒的温度 越高，凝并作用越强，生成的一次亚微米颗粒越大；扩散性强的化合物（如氧化铁） 生成的一次颗粒也较大。事实上随着凝并过程的进行，灰粒粒径增大，扩散性减小， 当灰粒增大到一定程度，凝并将难以进行。当灰粒被气流携带进入焦炭尾流区，由于 此处温度较低，不足以使碰撞的颗粒发生凝并，彼此碰撞的颗粒就粘结在一起形成粒 径大于 0.36m 的聚结物。 Flagan Taylor[22]对煤粉炉的颗粒物排放进行了实验分析，发现平均粒径在 0.020.08m 之间的细颗粒数目接近 1014个/m3。此外，对 0.033m 的颗粒群进行化 学分析时发现大颗粒的组成主要是 Al、Ca、Fe 和 Si 元素，而 S、Si 等易挥发的则 主要出现在细颗粒中。 Suriyawong 等人[23]在研究 O2-CO2气氛下亚微米颗粒的排放时，用 CO2代替 N2 后，炉内温度降低的同时，使得烟气密度增大，颗粒平均粒径减小了 28.当 O2CO2 从 14 增长到 33 时，颗粒粒径从 0.029m 相应增大到 0.054m。该结果较好地反映 了燃烧气氛对亚微米颗粒尺寸分布的影响。 还有些学者在研究焚烧炉中痕量元素 Pb 的分布[24-26]时发现，PbO 在 Cl 元素的作 用下将转变为较易挥发的 PbCl2，成核形成的颗粒数目也增多。而吸附剂的加入，一 方面使大部分的 Pb 颗粒附着，另一方面降低了 Pb 自身的凝并，使最终形成的 Pb 浓 度较高、粒径较小。但综合来看，吸附剂的加入能减少 Pb 颗粒的排放。研究同时发 现当 Cl 和 Pb 的比值接近 2 时，吸附剂 Cl 颗粒对 Pb 的捕集效果明显。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 1.3 燃煤过程中亚微米颗粒形成过程数值模拟的研究进展 本文涉及的数值模拟侧重于颗粒物的宏观物理问题，即利用数学模型求解颗粒群 的通用动力学方程General Dynamic Equation以观察颗粒的长大及其分布情况。 Flagan Friedlander[6]最早提出了颗粒的生长模型，认为少量蒸气在燃烧过程中 的极短时间内冷凝形成大量粒径为 0.03-0.1m 的小颗粒， 这些颗粒主要经凝并作用后 体积逐渐增大，并在数浓度平衡方程中同时考虑了细颗粒凝并及捕集过程的损失。对 于粗颗粒的形成，则提出一种简单的破碎模式，即一个煤颗粒燃烧后产生若干个大的 残灰颗粒，不过颗粒数目随煤种的不同略有区别如褐煤可产生 3 个，而烟煤则可产 生 5 个。 Lockwood Yousif[27]在模拟重金属在颗粒物中的富集效应时，对颗粒形成的成 核、冷凝和凝并子过程给出了详细的计算式，得出了颗粒数密度随时间的变化率。但 是该计算方法并未能得出颗粒体积及分散度随时间的变化规律。而实际燃煤中产生的 颗粒分布并非单分散系统， 而是双分散甚至是多分散系统， 粒径也呈现出宽分布状态， 因此其分散度的变化不能忽略。 国内也有学者专门针对燃煤中颗粒物的形成过程进行了模拟，隋建才等[28]借助 CFD 软件平台，针对 1 台 92.9kW 卧式炉，研究了单组分 NaOH 颗粒在炉内的形成、 演化过程，其计算结果显示炉膛温度是影响亚微米颗粒生成的主要因素；相对于温 度来说，氧浓度的影响不大，在此基础上进一步证实分级燃烧通过降低炉膛温度可以 减少亚微米颗粒的排放。 1.4 亚微米颗粒迁移特性的矩方法研究现状 由于颗粒形成过程的模型表现出相当复杂的非线性，因此对 GDE 方程的直接求 解比较困难。许多的科研工作者在这方面进行了大量研究，提出了很多种简化方法和 数值解法。 分区法Sectional[31]提出将颗粒粒径分布区间离散成有限个区域，在各区域内认 为颗粒分布连续。但是由于颗粒尺度谱范围宽，所需划分的区间数目很多，因此这种 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 算法编制的程序较为复杂。蒙特卡洛Monte Carlo方法也被认为是一种较为有效的方 法，它可以得到颗粒的历史粒径变化及内部结构细节，也可以方便的处理多组分、多 分散性颗粒，算法相对简单，但是存在着计算量大、计算精度很难保证以及对计算机 本身要求较高的问题。相比较而言，上一节提到的矩方法Moment计算量小，但数学 模型复杂，而且需预先设定初始的颗粒尺度分布函数和便于求解的特殊形式的核函 数。幸运的是，大多数情况下颗粒尺寸呈正态分布的假设是合理的，于是可方便利用 矩方法求解。 自 Whitby 1979和 Friedlander[32]提出矩方法以来， Lee Park 等人[33-38]一直致力 于用矩方法研究大气中颗粒物的动力学特性。在假定颗粒为球形、且其尺寸始终服从 对数正态分布的基础上，用调谐平均Harmonic[33]或者 Dahneke’s 系数[33, 34]将碰撞核 函数扩展到过渡区域，以得到整个尺度范围内颗粒的分布特性。Dekkers Friedlander[39] 则运用矩方法研究了不规则的颗粒在自由分子区域的颗粒物的分布特 性。 很多学者在研究中发现，大气中颗粒在自身凝并过程中具有“自保持”特性[33, 39, 42, 43]，并且得出[33]细颗粒的最终分散度保持在 1.355 左右，粗颗粒则可达 1.32 左右。但 是实际的燃煤过程中，颗粒物的生成及分布特性受到其他一些因素的影响，远未达到 自保持状态。 Friedlander 等人[40]基于自保持特性的假设，运用矩方法分析了粗颗粒对细颗粒的 捕集与细颗粒自身凝并过程的特征时间，发现细颗粒的半生命期t1/2不仅与其初始数 浓度有关，还与粗颗粒的一阶矩有关。若半生命期远小于停留时间，以粗颗粒对细颗 粒的捕集为主；反之，细颗粒的凝并占主导。 Whitby McMurry[44]给出了大气中的颗粒物在对流、 扩散以及其他外力作用下的 GDE 方程的具体形式， 利用矩方法分析了粗细颗粒两种模态间的捕集作用， 但是他们 只计算了自由区和连续区颗粒间的凝并，忽略了过渡区域的计算。随后 Jung 等人[45] 更详细的研究了粗细颗粒初始浓度变化以及无量纲停留时间对捕集过程的影响。 在矩方法的基础上，Park 等人[46, 47]对颗粒间的湍流凝并和布朗凝并作了比较， 发现在颗粒粒径较小时，颗粒间的布朗凝并占主导。Settumba 等人[47, 48]研究了常温下 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 一个混合层内自由分子区颗粒的凝并问题，先用矩方法将 GDE 方程简化成一组关于 前三阶矩的偏微分方程组，然后将参数无量纲化，再用直接数值模拟DNS方法模拟 颗粒的尺寸分布情况，定义了一个 Da 数，来描述凝并时间尺度和流场时间尺度的比 值，但是该方法的计算代价非常大。 耿珺、黎春梅[29, 30]利用矩方法对燃煤过程中颗粒的成核、冷凝、以及同模态颗粒 间的凝并作了分析，得出了分散度、颗粒球形度对各个过程以及颗粒最终尺寸分布的 影响规律。在此基础上，黎春梅将凝并模型应用到简单的二维突扩流场，分析流场作 用下的颗粒尺寸分布规律，但是该计算并未深入到燃煤过程中以考虑燃烧源项的产生 对颗粒凝并的影响。 迄今为止，有关粗细两种模态颗粒迁移过程的理论分析，特别是针对实际燃煤环 境中颗粒的生成、 迁移特性还比较少， 大多数学者也仅就细颗粒的自身凝并作了分析， 忽略了不同模态间的捕集过程，而捕集过程恰恰是脱除颗粒物的基础环节，因此有必 要对炉膛、烟道内复杂多变的流场中不同模态颗粒间的捕集效应及其影响因素进行详 细研究。 1.5 本文研究内容与任务 要真正的对燃烧源可吸入颗粒物进行有效的防治与控制，我们必须先对可吸入颗 粒物的生成、长大以及迁移过程进行统观模拟以掌握颗粒物的尺寸分布特性。但是由 于颗粒的碰撞凝并、均质成核以及异质凝结等过程的复杂性与非线性，对他们进行统 观模拟，也就是对通用动力学方程GDE的求解是非常困难的，所以要寻找一种有效 的求解方法。 针对以上问题，本文将从颗粒的宏观物理问题出发，拟采用一种简单且可靠的方 法矩方法，对实际燃煤环境中两种模态的颗粒物在迁移过程中的尺寸分布变化规律 进行研究，本文的研究内容大致如下 1. 将燃煤过程中形成的典型的颗粒系统分为粗、细两个模态，考虑粗、细模态 内自身的布朗凝并以及粗细模态间的捕集作用，利用矩方法得出颗粒分布演 化规律。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2. 忽略流场作用，对实际炉膛以及滴管炉内颗粒的分布特性进行研究，分析烟 气性质对颗粒凝并过程及其最终尺寸分布的影响。 3. 将单独的颗粒场计算与流场耦合，探讨燃烧输运过程中的燃烧源项的产生对 颗粒尺寸分布的影响。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 2 细微颗粒物形成过程及其数学模型 2.1 燃煤过程中颗粒物形成机理 煤是由多种元素组成的复杂结构的混合体， 其中的不可燃成分包括与有机物结合 的阳离子和晶状或碎片状矿物质。这类矿物质在炉膛高温环境下会发生一系列物理、 化学转化。研究表明[12],煤中矿物质的存在形式及其在燃烧过程中的转化直接影响着 颗粒物的形成，而且不同粒径的颗粒群通过不同的机理形成。要深入研究和揭示亚微 米颗粒的形成机理，首先需要了解煤中矿物质的存在形式。 2.1.1 煤中矿物质的存在形式 煤中矿物质的赋存形态是复杂和多变的， 尤其是在不同的煤阶之间。 一般情况下， 不同煤中矿物的质量含量在 230之间[4]，根据其来源不同可具体分为[49] 1 原生矿物质存在于原煤植物中的矿物质，主要为碱金属Na, K和碱土金属 Ca, Mg的盐类物质，在煤中呈细分散状态、与有机质紧密结合在一起，不易用机械 方法分离。这部分矿物质含量较少，约占 12. 2 次生矿物质指砂、泥或黏土，它作为外来物质的离散粒子沉积在植物残骸， 或是由带有矿物质的水渗人煤层时矿物质沉积而成。这部分矿物质在煤中的含量一般 也不高，仅有少数煤层中如迁移堆积形成的煤层中较多。 3 外在矿物这种矿物质原来并不在煤层中存在，它是采煤过程中混入煤中的 顶板、底板、和矸石层形成的，其数量多少根据开采条件在很大范围内波动，主要成 分为 SiO2、Al2O3. 三种矿物的含量和组分依赖于煤的形成过程和地质结构，在不同的煤中变化很 大。煤中原生矿物质和次生矿物质总称为煤的内在矿物质，与有机质紧密的结合在一 起，含量一般不超过煤粉质量的 2，在一些劣质煤或褐煤中则可能要高一些。大部 分的外在矿物则可通过悬浮技术分离出去，然而在煤的机械粉碎过程中一些次生矿物 会转化为外在矿物，从而增加煤中的外在矿物含量。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2.1.2 燃烧过程中颗粒物的形成机理 大量的现场和试验研究表明煤粉燃烧过程中生成的颗粒物多呈双峰状粒径分布 [4, 50]，约有 1左右处于亚微米级的细颗粒，其余的为直径在 1-20m 的粗颗粒。 McElroy[4]指出仅占飞灰质量总重 0.22左右的细颗粒却占据了几乎所有的颗粒数量 和表面积。进一步的研究还发现，粗、细颗粒的形成经历了不同的过程，如图 2-1 所 示粗颗粒主要是由煤粉燃烧时外在矿物的破碎、内在无机矿物在焦炭表面的熔化粘 合以及焦炭破碎等过程产生的；细颗粒则主要通过内在矿物的气化-成核-冷凝-凝并的 途径形成。 图 2-1 燃煤过程中颗粒物形成过程 2.1.2.1 粗颗粒的形成机理 燃烧早期，脱挥发分过程中挥发分的快速析出与传输阻力之间的矛盾会使颗粒受 到内应力，导致颗粒产生裂纹或直接破碎，即一次破碎。实验表明[51]一次破碎受煤 种、颗粒尺寸等因素的影响，不仅改变了煤焦颗粒的粒径分布，还对煤焦燃烧后形成 的飞灰粒径分布也有较大影响，使得燃烧后形成的飞灰粒径更细。 加热过程中粘性物质的膨胀改变了煤焦的结构特性，使煤焦变得极易发生破碎， 随着煤粉燃烧后期焦炭的消耗，焦炭颗粒发生结构性破坏或表面灰粒脱落，导致焦炭 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 的二次破碎。焦炭的破碎，不仅受煤种、燃烧模式的影响，还与其本身孔隙结构密切 相关。这是因为脱挥发分阶段煤粒的膨胀使得煤焦内部结构呈现出非均一的特点，最 薄弱的地方氧化后极易断裂，导致破碎现象的发生。因此，孔隙结构的存在是引起煤 焦破碎的主要原因， 颗粒孔隙率越大， 发生破碎的概率越大。 但是实验研究发现[20, 52] 并非所有的孔隙对破碎都有重大影响， 对破碎起决定作用的是颗粒中的大孔0.5m。 Helble[53]通过试验对大孔导致破碎的问题进行了详细的研究，认为由于大孔的存在降 低了碳基质之间的联系，使得焦炭在燃烧中容易解体为许多细小的碎片，最终形成大 量粒径较小的飞灰。 除焦炭的破碎外，外在矿物的破碎也会产生较大的颗粒。煤粉在燃烧过程中，外 在矿物在很高的加热速率下会迅速升温，高温热冲击及内部气体析出所产生的应力会 导致外在矿物的破碎， 而且颗粒越大， 温度梯度越明显， 发生破碎的可能性也就越大， 其破碎程度，与矿物质自身特性有关，但外在矿物的破碎过程有很强的随机性。 2.1.2.2 细颗粒的形成机理 与粗颗粒的形成过程相比，亚微米颗粒的形成则表现出十分复杂的物理化学过程 [4, 7, 54]。在高温环境中，煤中的部分无机物（0.2％3）首先发生气化，气化产物通 过孔隙不断向外扩散，穿过碳边界层到达焦炭表面时，由于此处温度的降低及氧分压 的增加，次氧化物蒸气将重新被氧化为相应的氧化物，使得蒸气达到过饱和，于是通 过均相成核作用[18]形成数量巨大的细微颗粒（＝50时，便 可认为该颗粒属于自由分子区域Free-Molecule Regime，即为细颗粒模态；反之，当 颗粒尺寸远大于自由程Kn＝1，颗粒处在连续区Continuum Regime，即为粗颗粒 模态。还有一部分颗粒的尺寸处于两个区域之间（1 Kn 50） ，则认为处于过渡区域 Transition Regime。 由于不同模态的颗粒动力学特征不同，因而其碰撞核函数也有所区别。Otto等人 在文献中[34]提到早在1934年，Fuchs就提出了一个计算碰撞核函数的半经验公式， 假设在某一特定距离（气溶胶颗粒的平均自由程）之外，颗粒的输运由包含滑移修正 （slip correction）的扩散理论描述；距离内则用气体自由分子动力学来描述。在吸收 半径（absorbing sphere radius）处通过通量匹配方法（matching flux）整合扩散理论和 分子动力学对颗粒凝并的描述。如图2-2所示，r1r2是碰撞半径radius of collision sphere, p λ是颗粒的平均自由程，r1r2∆12是吸收半径。 A P O r1r2 p λ θ 12 ∆ 自由分子区连续区 图 2-2 吸收球 通量匹配的方法因为其唯象的方法phenomenological approach并能保证碰撞函 数适用于所有区域的颗粒 （包括过渡区域） 而成为后续研究过渡区布朗碰撞率的基础。 自由分子区碰撞核自由分子区碰撞核 1 Kn 为 Knudsen 数[r/λ ]，r 为颗粒半径。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 对于亚微米颗粒，粒径远小于空气分子自由程，其碰撞率可由自由区碰撞核函数 表示 2 1/3 1/3 11 , fmfm v vkvv vv β 2-5 式中 kfm 表示自由区颗粒的碰撞系数[3/4π1/66kBT/ρp1/2]， kB为波尔兹曼常数, T 为 环境气体的热力学绝对温度，ρp 表示颗粒密度。 连续区域及准连续区域碰撞核连续区域及准连续区域碰撞核 处于连续区的颗粒的碰撞核函数则可用2-10式来表示 2 1/3 1/3 1/31/3
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