燃煤过程中亚微米颗粒形成与排放的研究

煤是中国目前及今后相当长一段时期内电站燃料的主体,煤粉燃烧为我们提供必需的热源和电力资源的同时,会带来严重的颗粒物污染。研究表明,燃煤生成的细微颗粒物是大气中可吸入颗粒物的重要来源,通常这些颗粒富集着有机污染物和各种有毒金属元素,会对人类的健康和生态环境产生严重的危害。由于煤燃烧过程亚微米颗粒形成过程的复杂性,目前对燃煤过程中亚微米颗粒的形成机理和控制的研究一直进展缓慢。因此,对燃煤过程中亚微米颗粒物的形成机理、演化过程及其排放特性等方面开展研究具有重要的科学和实际意义。 本文首先论述了燃煤过程中颗粒物的排放对人类及环境所造成的严重危害,阐明了研究颗粒物形成与排放的重要性和必要性。系统综述了国内外煤燃烧过程中亚微米颗粒形成、排放与模拟等方面的研究现状,分析了已有研究中存在的不足,进而明确了本文的研究思路。本文主要从以下几个方面开展研究。 本文首先在实验室的沉降炉上对六盘水烟煤、平顶山烟煤和合山烟煤分别进行燃烧实验,通过对燃烧生成的颗粒物收集后进行XRF、SEM、SEM-EDX等分析,研究了颗粒物的质量粒径分布、物理化学特征及亚微米颗粒的形成机理。结果表明,不同煤种、不同工况下生成的PM10的质量粒径分布都是呈双峰分布,其峰值分别在0.0944μm和3.95μm附近;粒径小于0.377μm的颗粒很可能是通过气化-凝结机理形成的,而粒径大于0.377μm的颗粒可能是通过矿物质的破碎、聚结机理形成;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。 为了研究实际电站锅炉的颗粒物排放特性及其成分变化,本文接下来应用低压撞击器对四台燃煤机组锅炉除尘器前后的飞灰进行取样,并对不同粒径范围的飞灰进行重量、形貌及成分测定,获得了除尘器前后PM10的质量粒径分布以及元素分布规律,进而研究了煤粉炉燃烧过程中颗粒物的排放特性、元素行为、形成机理及排放因子,为研究我国燃煤电站颗粒物的排放积累了一定的基础数据。 煤中矿物质气化是亚微米颗粒生成的前提,研究矿物质气化显得尤为重要,因此本文通过建立矿物质气化模型,研究了煤粒温度、粒径及CO2浓度对矿物质气化的影响,并结合CFD软件研究了单角炉内矿物质的气化行为。结果表明,温度是主要影响因素,煤粒粒径和浓度也会对它们有一定影响,温度升高、煤粉粒径及CO2浓度降低都会增强矿物的气化,这与实验结果一致,为实验结果提供了理论基础。空气分级燃烧改变了炉内的温度场、氧量场分布及炉内高温区和峰值温度的位置,进而对煤中矿物质的气化产生影响,分级程度越大,煤中矿物质的气化量越少。 本文最后理论分析了燃煤过程中亚微米颗粒的成核、凝结及凝聚等形成过程,然后结合CFD软件对燃煤过程中亚微米颗粒的生成进行了数值计算。结果表明,亚微米颗粒的生成数量与温度具有强烈的相关性,温度较高的区域亚微米颗粒数量浓度较大,温度较低的区域则较小;而在炉膛的高温区内,亚微米颗粒的质量浓度并不是最高,而是最低,同时随着炉膛高度的增加,亚微米颗粒的质量浓度逐渐增加。这说明控制炉膛高温区温度可以抑制亚微米颗粒的生成,为此本文还研究了炉内偏转二次风对亚微米颗粒生成的影响,结果表明,二次风偏转后,炉内高温区平均温度下降,可以在一定程度上抑制亚微米颗粒的生成,对本章模拟锅炉而言,中间两层二次风偏转10°较为合适。该研究为实现燃烧中抑制亚微米的生成提供理论依据。