燃煤过程中亚微米颗粒形成的数值模拟研究

摘要

煤是中国目前以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，也会带来严重的颗粒物污染。研究表明，燃煤中产生的颗粒物是大气中可吸入颗粒物的重要来源，其中这些颗粒物上富集了大量的有机污染物和有毒重金属，对人类的健康和生态环境产生了严重的危害。因此，深入研究燃煤过程中亚微米颗粒的形成机理，演化过程及其排放特性等方面具有重大的意义。
　　 本文首先论述燃煤亚微米颗粒的排放对人类及其居住环境所造成的严重危害，说明了研究亚微米颗粒形成机理和控制方法的重要性和必要性。然后从对燃煤过程中亚微米颗粒形成机理的研究方面入手，系统综述了国内外在数值模拟和实验研究方面所开展的各项工作，分析和比较相关的实验和模拟研究的优势及其不足，从而明确了自己的研究思路。本文主要从以下几个方面开展工作。
　　 本文分析了国内外现有的3个比较完善的气化模型：Quann、Zeng Taofang以及Zhou的气化模型，通过探讨，发现存在以下的问题与不足：Quann的气化模型忽略了熔融体内扩散的控制作用以及熔融体表面气化的影响，并且也没有考虑焦炭孔内其它CO2产生源对内在矿物颗粒表面平衡反应的影响；Zeng Taofang的气化模型则认为熔融体表面蒸气分压为0，致使气化传质系数偏大；Zhou的气化模型认为多孔颗粒是不易燃的。这些研究为以后建立更合理、更完善的蒸发模型奠定了基础。在早期蒸发模型的基础上，针对模型的问题与不足，分别建立了矿物质气化的三种模型：内在矿物质、与有机物结合的矿物元素以及外在矿物质的气化模型。通过模拟看出，影响内在矿物质气化的因素除温度、外压外，最根本原因是元素的饱和蒸气压；与有机物结合的矿物元素的气化速率与温度呈指数增长的趋势；而对于外在矿物质的气化，模数、孔径的增大，温度的升高以及CO2分压的降低都会增强气化。最后基于气溶胶动力学理论，理论分析了燃煤过程中亚微米颗粒成核、冷凝以及凝聚等形成过程的动力学特性，并对各阶段特征时间进行了定义，通过模型与不同实验结果的分析比较，结果显示，成核作用是极细小亚微米颗粒形成的主要原因；而亚微米颗粒的快速增长则依赖于冷凝作用。该研究为以后控制亚微米颗粒的生成提供了理论依据。