燃煤可吸入颗粒物磁聚并研究(1).pdf

东南大学 博士学位论文 燃煤可吸入颗粒物磁聚并研究 姓名李永旺 申请学位级别博士 专业环境工程 指导教师赵长遂;吴新 20070701 摘要 摘要 大气可吸入颗粒物 P M l o 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。P M l o 主要来源之一是电站燃煤锅炉的排放物。由于燃煤P M l o 体积小、重量轻、数量多，采用常规除尘方 法对其脱除难以奏效。本文率先提出采用磁聚并这一方法来脱除燃煤P M l o ，该方法通过外加磁场的 作用使颗粒物发生碰撞聚并长大，便于常规除尘装置的直接脱除，从而达到控制燃煤P M l o 排放的目 的。截至到目前为止，关于燃煤P M l o 磁聚并的研究，国内外还是一个空白。因此，燃煤可吸入颗粒 物的磁聚并研究已作为9 7 3 项目而被启动。 燃煤P M l 。微观形态和磁特性是研究其聚并的基础，而当前国内外对此没有任何研究，所以，本 文首先系统地研究了燃煤P M l o 的微观形态和磁特性。在此基础上，作者自行设计并建立了均匀磁场、 均匀磁场添加磁种、梯度磁场、梯度磁场添加磁种4 个燃煤P M l o 聚并实验台，首次对燃煤P M i 0 在 这4 个聚并装置中的聚并动力学特性进行了系统的理论与实验研究。 燃煤P M I o 微观形态和磁特性研究表明，飞灰粒子为球形粒子，由O 、S i 、A l 、F e 、K 、C a 、M g 、 N a 等元素组成，对于不同粒径的粒子，各种元素相对含量基本接近。随锅炉负荷的升高，粒子中 F e 3 0 4 含量减小，1 - F e 2 0 3 含量增大，粒子饱和磁化强度减小。上述特性对于煤粉锅炉比较显著，而 对于循环流化床锅炉，其饱和磁化强度随负荷的升高而减小的幅度较小。同一炉型不同容量的锅炉， 锅炉容量越大，飞灰粒子中F e 3 0 4 含量越高，3 , - F e 2 0 3 含量越低，飞灰粒子饱和磁化强度越高。燃煤 P M l o 粒子的饱和磁化强度与粒子中y - F e 2 0 3 含量的相关性较差，相关系数仅为0 ．7 6 4 ，与粒子中F e 3 0 4 含量相关性较好，相关系数可达0 ．9 7 9 ，与磁性当量铁含量 5 ．1 l x F e 3 0 4 岬F e 2 0 3 相关性最好，相关 系数可达0 ．9 8 5 。 均匀磁场中燃煤P M l o 聚并理论与实验研究中，提出了用于求解粒子间聚并系数的二元碰撞聚并 模型和用于求解均匀磁场中粒子聚并动力学方程的双分区算法，计算了粒子的聚并动力学方程，并 与实验结果进行了比较。结果表明，粒子间聚并系数随粒径的增大而增大。布朗力对小粒径粒子有 一定的聚并加强作用，但对于粒径较大的粒子，可忽略不计。增强外加磁场、提高气流速度，粒子 间聚并系数增大，当粒子达到饱和磁化后，粒子间聚并系数保持不变。气流通道截面上粒子问聚并 系数存在明显差异，随径向距离的增大而增大，在通道边壁处，大幅减小。增强外加磁场强度，增 大粒子总质量浓度、提高气流速度、延长粒子在磁场中的停留时间，均可提高粒子的分级聚并效率 和总聚并效率，与此同时，粒子的数目中位直径减小，当粒子达到饱和磁化后，继续增强外磁场强 度，粒子的聚并效率和数目中位直径不再变化。对于几何尺寸一定的磁场，提高气流速度会减小粒 子在磁场中的最大停留时间，从而减弱粒子的聚并，因而当粒子有效行程一定时，提高气流速度会 减小粒子聚并效率，而粒子数目中位直径相应增大。不同粒径粒子的分级聚并效率不同，中间粒径 粒子的分级聚并效率高于小粒子和大粒子的分级聚并效率，随总聚并效率的提高，分级效率最大值 对应的粒径减小，向小粒子方向偏移，这与飞灰粒子数目中位直径的减小相对应。理论计算结果与 实验结果相一致。对达旗电厂燃煤飞灰粒子在较高质量浓度下的模型预测结果表明，在粒子总质量 浓度为3 0 9 ／m 3 时，总聚并效率为5 0 0 ，粒子数目中位直径为0 ．0 9 3 t t m 。 均匀磁场中燃煤P M l o 添加磁种聚并理论与实验研究中，提出了三组元双分区算法求解燃煤P M I o I 东南大学博士学位论文 磁种聚并动力学方程组，计算了飞灰粒子磁种聚并动力学过程，并与实验结果进行了比较。对比添 加磁种与不添加磁种条件下粒子间聚并系数，结果表明，磁种与飞灰粒子间聚并系数远高于飞灰粒 子闻聚并系数，同一粒径的磁种粒子与不同控径的飞灰粒子间聚并系数差异较小，不同粒径的磁种 粒子与飞灰粒子的聚并系数不同，磁种粒径越大，聚并系数越大。尽管均匀磁场中燃煤P M l o 添加磁 种与不添加磁种两种情况下粒子聚并动力学特征相类似，但添加磁种可大幅提高粒子的聚并效率。 对比添加磁种与不添加磁种两种情况下飞灰粒子的聚并，添加磁种情况下飞灰粒子的聚并效率明显 高于不添加磁种情况，其中对小粒子聚并的增强效果更为明显，且磁种粒子磁性越强，磁种对飞灰 粒子聚并的增强作用越大。增大磁种添加量可提高飞灰粒子聚并效率，粒子数目中位直径相应地增 大。理论计算结果与实验结果相吻合。模型预测结果表明，在粒子总质量浓度为3 0 9 ／m 3 时，达旗电 厂飞灰粒子的总聚并效率可达8 0 ％，粒子数目中位直径为O ．1 0 0 9 m 。 梯度磁场中燃煤P M l o 聚并理论与实验研究中，提出了求解梯度磁场中粒子聚并动力学方程的三 分区算法，采用该算法求解了飞灰粒子在梯度磁场中的聚并动力学方程，并与实验结果进行了比较。 结果表明，梯度磁场中飞灰粒子聚并动力学特征与均匀磁场中粒子的聚并类似，但相同条件下梯度 磁场中飞灰粒子的聚并效率要高于均匀磁场添加磁种。模型计算结果与实验结果相一致。对较高质 量浓度下达旗飞灰粒子聚并的模型预测表明，质量浓度为3 0 9 ／m 3 时，飞灰粒子的总聚并效率可达 8 7 ％，粒子数目中位直径为0 ．0 7 9 t t m 。 梯度磁场中燃煤P M 。o 磁种聚并理论与实验研究中，提出了三组元三分区算法，以此来求解梯度 磁场中燃煤P M l o 磁种聚并动力学方程组，同时与实验结果进行了比较。结果表明，添加磁种后，随 粒径的增大，粒子分级聚并效率先减小后增大，而后再次减小；随总聚并效率的提高，中间粒径分 级效率最大值对应的粒径以及粒子的数目中位直径增大。模型理论计算结果与实验结果相吻合。模 型预测结果表明，在粒子总质量浓度为3 0 9 ／m 3 时，达旗电厂燃煤飞灰粒子的总聚并效率可达9 4 ％， 粒子数目中位直径为0 ．1 8 4 9 m 。 对比本文提出的燃煤可吸入颗粒物的4 种聚并方法，以梯度磁场中添加磁种为最优，主要优点 为对人体危害最大的小粒子聚并效率较高，鞋子的总聚并效率也保持在较高水平，且随着粒子的 聚并，O ．0 2 3 0 m , - 9 ．3 1 4 1 ．t m 粒径范围内飞灰粒子数目中位直径增大，使该粒径范围内未聚并长大到粒 径大于9 ．3 1 4 9 m 的粒子向大粒径方向偏移，这对进一步的聚并更为有利。 关键词燃煤P M l 0 ，聚并，均匀磁场，梯度磁场，磁种，聚并动力学 I I A B S T R A C T A B S T R A C T H a z a r d sc a u s e db yt h ei n h a l a b l ep a r t i c u l a t em a t t e r P M j 0 , e s p e c i a l l yt h eP M i og e n e r a t e df r o mc o a l c o m b u s t i o n , a r cb e c o m i n gas e r i o u se n v i r o n m e n t a lc o n c e mi nC h i n ai nr e c e n ty e a r s ．B e c a u s eo f t h e i rt i n y s i z e ，I i g h tw e i g h ta n de n o r m o u sn u m b e r , c o n v e n t i o n a Id u s tr e m o r a If a c i l i t i e sa r eI e s se f f e c t i v eo nt h ev e r y f i n ef l ya s hp a r t i c l e sf r o mc o a lc o m b u s t i o n ．A g g r e g a t i o no f t h ef i n ef l ya s hp a r t i c l e si nam a g n e t i cf i e l di s a l le f f e c t i v ea n df e a s i b l em e t h o df o rr e m o v i n gt h ef i n ef l ya s hp a r t i c l e sf r o mf l u eg a s e s ．U n d e rt h ee f f e c to f t h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ，t h ef i n ep a r t i c l e sc o l l i d ea n da d h e r et o g e t h e rs ot h a tt h e yc a r lb er e m o v e de a s i l y b yc o n v e n t i o n a ld u s tr e m o v a lf a c i l i t i e s ．T h m ．t h eg o a lo fe m i s s i o nc o n t r o lf o rc o a l f i r e dP M l 0c a r lb e r e a l i z e di nt h i sw a y ．A tp r e s e n t , t h ei n v e s t i g a t i o no nt h em a g n e t i ca g g r e g a t i o no fc o a l f i r e dP M i 0i ss t i l l v a c a n ti nt h ew o r l d ．T h e r e f o r e ，t h ep r o j e c to fi n v e s t i g a t i o no nt h a tw a sl a u n c h e da so n eo ft h eN a t i o n a l B a s i cR e s e a r c hP r o g r a m so f C h i n a ． P a r t i c l em o d a l i t ya n dm a g n e t i cp e r f o r m a n c ea r et h eb a s i so ft h ei n v e s t i g a t i o no fp a r t i c l ea g g r e g a t i o n ． H o w e v e r , t h e r ei sn oa n yi n v e s t i g a t i o no nt h e m ．I nt h i sp a p e r , p a r t i c l em o d a l i t ya n dm a g n e t i cp e r f o r m a n c e w e r es t u d i e df i r s t l y ．B a s e do ot h o s er e s e a r c h e s ，f o u rs e t so fe x p e r i m e n t a ls y s t e m sf o rp a r t i c l ea g g r e g a t i o n w e r ed e s i g n e da n de s t a b l i s h e d ，s u c ha st h eu n i f o r mm a g n e t i cf i e l d ’t h eu n i f o r mm a g n e t i cf i e l dw i t h m a g n e t i cs e e d i n g ，t h eg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l da n dt h eg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l dw i t hm a g n e t i cs e e d i n g ． S y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sf o rp a r t i c l ea g g r e g a t i o np r o p e r t i e sw e r ec o n d u c t e di nt h e f o u re x p e r i m e n t a ls y s t e m sf o rt h ef i r s tt i m e ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l ya s hp a r t i c l e sa r es p h e r i c a la n dc o n s i s to f e l e m e n t s ，i nt e r m so f O ，S i ，A I ， F e ，K ，C a , M g ，N ae t c ．E l e m e n tc o n t e n t sf o rd i f f e r e n ts i z e dp a r t i c l e sa r eq u i t ec l o s e ．W i l ht h ei n c r e a s ei n b e i l e rl o a d ，F e 3 0 4c o n t e n td e c r e a s e sa n d7 - F e 2 0 3c o n t e n ti n c r e a s e s , a n dt h es a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o no ff l y a s hp a r t i c l e sd e c r e a s e s ，w h i c hi st y p i c a lf o rp u l v e r i z e dc o a lb o i l e r ．H o w e v e r , f o rC F Bb o i l e r , i t sd e c r e a s e e x t e n to ft h es a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o n sb e c o m e ss l n a l l e rw i t l lt h ei n c r e a s ei nb o i l e rl n a d ．A l s o ．w i t h i n c r e a s i n gt h eb o i l e rc a p a c i t y , F c 3 0 4c o n t e n tr i s e sa n dy - F e 2 0 3c o n t e n td e c r e a s e s ．A sar e s n I t , p a r t i c l e m a g n e t i z a t i o nr i s e s ．S a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o no fc o a l f i r e dP M l 0i sc o r r e l a t e dw e l lw i t hF e 3 0 4c o n t e n tt h a n y - F e 2 0 3c o n t e n t ，a n dt h ec o r r e c t i o nc o e f f i c i e n ti s0 ．9 7 9a n dO ．7 6 7 ，r e s p e c t i v e l y ．A n dt h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h es a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o na n dt h ee q u i v a l e n tc o n t e n to f F e e q u a l5 ．1 I x F e 3 0 4 3 , F e 2 0 3 i st h e b e s t , a n dt h ec o r r e c t i o nc o e f n c i a n ti s0 ．9 8 5 ． F o ra g g r e g a t i o no fc o a l f i r e dP M l 0i nt h eu n i f o r mm a g n e t i cf i e l d ，t h eb i n a r yc o l l i s i o n - a g g r e g a t i o n m o d e lf o re v a l u a t i n gp a r t i c l ea g g r e g a t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ed o u b l es e c t i o n sa l g o r i t h mf o rs o l v i n gt h e G e n e r a lD y n a m i cE q u a t i o nw e r ed e v e l o p e d ．A n dt h ec o m p a r i s o nw a sm a d eb e t w e e nt h es i m u l a t i n gr e s u l t s a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ．1 1 碡r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea g g r e g a t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw i t ht h ep a r t i c l e s i z e ．F o rt h eb i g g e rp a r t i c l e s ，t h e i rB r o w n i a nm o t i o ni ss of e e b l et h a tt h eB r o w n i a nf o r c ec a nb en e g l e c t e d ． W i t hi n c r e a s ei nm a g n e t i cf l u xd e n s i t y ，t h ea g g r e g a t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa tf i r s t ，a n dt h e na p p r o a c h e s i t sm a x i m u m ．n ”a g g r e g a t i o nc o e f f i c i e n ti sv a r i e di nt h eC R O S Ss e c t i o no ft h ea g g r e g a t i o nt u b e , a n di t i n c r e a s e sW i mt h ei n c r e a s ei nt h ep a t ha l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o n ．H o w e v e r , o nt h ep o s i t i o nn e a rt h et u b e w a l l ．p a r t i c l ea g g r e g a t i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e sg r e a t l y d u et ot h ew a l le f f e c t ．1 1 1 ea g g r e g a t i o ns t a g e e f f i c i e n c ya n dt o t a le f f i c i e n c yc a nb er a i s e db yi n c r e a s i n gt h em a g n e t i cf l u xd e n s i t y , t o t a lp a r t i c l em a s s c o n c e n t r a t i o n , g a sf l o wv e l o c i t ya n dp a r t i c l er e s i d e n c et i m ei nm a g n e t i cf i e l d ，a n dp a r t i c l en u m b e rm e d i a n d i a m e t e rd e c r e a s e sa tt h es a m et i m e ．W h e np a r t i c l em a g n e t i z a t i o nr e a c h e si t ss a t o r a t e dv a l u e , t h ef u r t h e r i n c r e a s ei nm a g n e t i cf l u xd e n s i t yw i l lh a sn oe f f e c to na g g r e g a t i o n ．F o rau n i f o r mm a g n e t i cf i e l dw i t ha c e r t a i ng e o m e t r i c a ls i z e ，t h ei n c r e a s ei ng a sf l o wv e l o c i t yw i l ls h o r t e nt h em a x i m u mp a r t i c l er e s i d e n c et i m e i nt h em a g n e t i cf l i e d ，s ot h a tp a r t i c l ea g g r e g a t i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e sa n dp a r t i c l en u m b e rm e d i a nd i a m e t e r I I I 东南大学博士学位论文 r i s e s ．T h ea g g r e g a t i o ne f f i c i e n c i e sa r ed i f f e r e n tf o rd i f f e r e n ts i z e dp a n i c l e s ，a n dt h o s ef o rt h em i d s i z e d p a r t i c l e sa r eh i g h e rt h a nt h o s ef o rt h es m a l l e ra n dt h eb i g g e rs i z e dp a n i c l e s ．T h ep a r t i c l es i z ec o r r e s p o n d i n g t ot h eh i g h e s ta g g r e g a t i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s ei nt o t a la g g r e g a t i o ne f f i c i e n c y , w h i c h c o r r e s p o n d sw i t ht h ed e c r e a s ei np a r t i c l en u m b e rm e d i a nd i a m e t e r ．T h es i m u l a t i n gr e s u l t sa r ec o n s i s t e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l B ．T h ep r e d i c t e dr e s u I t ss h o wt h a t , w h e nt h et o t a lp a r t i c l em a s sc o n c e n t r a t i o ni s 3 0 9 ／m ’，t h et o t a la g g r e g a t i o ne f f n c i e n c yi s5 0 ％，a n dt h ep a r t i c l en u m b e rm e d i a nd i a m e t e ri s0 ．0 9 3 “m ． F o ra g g r e g a t i o no fc o a l - f i r e dP M I oi nu n i f o r mm a g n e t i cf i e l dw i t hm a g n e t i cs e e d i n g ，t h ed o u b l e s e c t i o n sf o rt h r e ec o m p o n e n t sa l g o r i t h mw a sd e v e l o p e df o rs o l v i n gt h eG e n e r a lD y n a m i cE q u a t i o nw i t h m a g n e t i cs e e d i n gf o rf l ya s hp a r t i c l e si nu n i f o r mm a g n e t i cf i e l d ．T h ec o m p a r i s o nw a sm a d eb e t w e e nt h e p a r t i c l ea g g r e g a t i o nc o e f f i c i e n t sw i t hm a g n e t i cs e e d i n ga n dw i t h o u tm a g n e t i cs e e d i n g ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h ea g g r e g a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h em a g n e t i cs e e dp a r t i c l ea n df l ya s hp a r t i c l ei sm u c hg r e a t e rt h a n t h a tb e t w e e nt w of l ya s hp a r t i c l e s ．T h ed i f f e r e n c eb e t w e e na g g r e g a t i o nc o e f f i c i e n t so fam a g n e t i cs e e d p a r t i c l ea n dd i f f e r e n ts i z e df l ya s hp a r t i c l e si ss m a l l ．A n dt h ea g g r e g a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nm a g n e t i c s e e dp a r t i c l ea n df l ya s hp a r t i c l ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s ei np a r t i c l es i z eo f m a g n e t i cs e e d ．A l t h o u g ht h e p r o p e r t i e so f p a r t i c l ea g g r e g a t i o n a r es i m i l a r f o r t h e p a r t i c l ea g g r e g a t i o n w i t h m a g n e t i cs e e d i n g a n d w i t h o u t m a g n e t i cs e e d i n g , p a r t i c l et o t a la g g r e g a t i o ne f f i c i e n c i e sw i t hm a g n e t i cs e e d i n ga r em u c hh i g h e rt h a nt h o s e w i t h o u tm a g n e t i cs e e d i n g ，e s p a c i a i l yf o r t h es m a l lp a r t i c l e s ，A n dt h eh i g h e rt h em a g n e t i z a t i o no fm a g n e t i c s e e d s ，t h es t r o n g e rt h ea g g r e g a t i o nf o rt h ef l ya s hp a r t i c l e sa n dm a g n e t i cs e e dp a r t i c l e si s ．I n c r e a s i n gt h e m a s sr a t i oo fm a g n e t i cs e e d st of l ya s h , t h ea g g r e g a t i o ne f f i c i e n c yo ff l ya s hp a r t i c l e sr i s e s ，a n dp a r t i c l e n u m b e rm e d i a nd i a m e t e rd e c r e a s e sc o r r e s p o n d i n g l y ．T h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ．T h ep r e d i c t e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et o t a la g g r e g a t i o ne f f i c i e n c yi s5 0 ‰a n dt h e p a r t i c l en u m b e rm e d i a nd i a m e t e ri sO ．0 9 3 “mw h e nt o t a lp a r t i c l em a s sc o n c e n t r a t i o ni s3 0 9 ／m 5 ． T h et r i p l es e c t i o n sa l g o r i t h mw a sd e v e l o p e df o rp a n i c l ea g g r e g a t i o ni ng r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d ．T h e n i tw a su s e dt os o l v i n gt h eG e n e r a lD y n a m i cE q u a t i o n , a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a l d a t a ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep a r t i c l ea g g r e g a t i o np r o p e r t i e sa r es i m i l a rw i t ht h ea g g r e g a t i o ni nu n i f o r m m a g n e t i cf i e l d ．H o w e v e r , t h ep a r t i c l ea g g r e g a t i o ne f f i c i e n c yi ng r a d i e n tm a g n e t i cf i e l di sh i g h e rt h a nt h a ti n u n i f o r mm a g n e t i cf i e l d ．T h es i m u l a t i n gr e s u l t sa l ec o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a ．T h em o d e lp r e d i c t i o n s h o w st h a tt h et o t a la g g r e g a t i o ne f f i c i e n c yi s8 7 ％，a n dt h ep a r t i c l en u m b e rm e d i a nd i a m e t e ri s0 ．0 7 9 1 a ． F o rp a r t i c l ea g g r e g a t i o nw i t hm a g n e t i cs e e d i n gi ng r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d ，t h et r i p l es e c t i o n sf o rt h r e e c o m p o n e n t sw a sd e v e l o p e d , a n dt h e ni tw a su s e dt os o l v i n gt h eG e n e r a lD y n a m i cE q u a t i o no fp a r t i c l e si n g r a d i e n tm a g n e t i c6 e UT h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t a ．T h er e s u l t ss h o w t h a t , w i t ht h ei n c r e a s ei np a r t i c l es i z e ，a g g r e g a t i o ns t a g ee f f i c i e n c yd e c r e a s e sa tf i r s t , t h e ni n c r e a s e sa n d f i n a l l yd e c r e a s e sa g a i n