燃煤过程中矿物质气化与亚微米颗粒形成的研究

摘要

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。 论文综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。系统总结了国内外煤燃烧过程中亚微米颗粒形成与排放等方面的研究现状，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。 首先论文通过热重实验研究了小龙潭褐煤、平顶山烟煤、六盘水烟煤和合山烟煤的低温灰的矿物质气化量，进而在实验室的沉降炉上对小龙潭褐煤、平顶山烟煤、六盘水烟煤、萍乡烟煤和合山烟煤分别进行燃烧实验，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0.935μm的颗粒是通过气化－凝结机理形成的，而粒径大于0.935μm的颗粒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和燃煤特性都对亚微米颗粒的生成有显著性影响。 为了研究实际电站锅炉的颗粒物排放特性及其成分变化，论文接下来应用低压撞击器对八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、形成机理以及运行工况对颗粒物排放的影响。结果表明，各个锅炉机组除尘器入口和出口PM10的质量粒径呈双峰分布；除尘器入口的颗粒组成特性基本类似，而出口差别很大；次量元素在PM10中基本呈双峰分布；锅炉负荷对PM10形成的影响有待于进一步研究。