燃煤可吸入颗粒物磁聚并研究

摘要

大气可吸入颗粒物(PMl0)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。PM<,10>主要来源之一是电站燃煤锅炉的排放物。由于燃煤PM<,10>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PM<,10>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PM<,10>排放的目的。截至到目前为止，关于燃煤PM<,10>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973项目而被启动。 燃煤PM<,10>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PM<,10>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PMlo聚并实验台，首次对燃煤PM<,10>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PM<,10>微观形态和磁特性研究表明，飞灰粒子为球形粒子，由O、Si、Al、Fe、K、Ca、Mg、Na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Fe<,3>O<,4>含量减小，γ-Fe<,2>O<,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Fe<,3>O<,4>含量越高，γ-Fe<,2>O<,3>含量越低，飞灰粒子饱和磁化强度越高。燃煤PM<,10>粒子的饱和磁化强度与粒子中γ-Fe<,2>O<,3>含量的相关性较差，相关系数仅为0.764，与粒子中Fe<,3>O<,4>含量相关性较好，相关系数可达0.979，与磁性当量铁含量(5.1 l×Fe<,2>O<,3>+γFe<,2>O<,3>)相关性最好，相关系数可达0.985。 均匀磁场中燃煤PM<,10>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间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30g/m<'3>时，总聚并效率为50％，粒子数目中位直径为0.093μm。 均匀磁场中燃煤PM<,10>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PM<,10>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间聚并系数，同一粒径的磁种粒子与不同粒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PM<,10>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30g/m<'3>时，达旗电厂飞灰粒子的总聚并效率可达80％，粒子数目中位直径为0.100μm。梯度磁场中燃煤PM<,10>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30g/m<'3>时，飞灰粒子的总聚并效率可达87％，粒子数目中位直径为0.079μm。 梯度磁场中燃煤PM<,10>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PM<,10>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30g/m<'3>时，达旗电厂燃煤飞灰粒子的总聚并效率可达94％，粒子数目中位直径为0.184μm。 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，粒子的总聚并效率也保持在较高水平，且随着粒子的聚并，0.023μm～9.3μm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9.314μm的粒子向大粒径方向偏移，这对进一步的聚并更为有利。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:主要符号说明

声明

第一章 绪论

1.1研究目的与意义

1.2可吸入颗粒物控制技术研究现状

1.2.1现有常规除尘技术

1.2.2可吸入颗粒物脱除技术

1.2.3磁聚并研究现状

1.3本文研究内容及方法

参考文献

第二章 实验装置和方法

2.1实验仪器及方法

2.1.1电称低压冲击器

2.1.2特斯拉计

2.1.3振动样品磁强计(VSM)

2.1.4X射线衍射仪(XRD)

2.1.5场发射扫描电子显微镜

2.2燃煤PM10磁聚并实验装置

2.2.1粒子聚并通道

2.2.2电磁铁

2.2.3永磁环

2.2.4气溶胶发生装置

2.3流化床气溶胶发生装置

2.3.1气溶胶发生方法

2.3.2发生装置与工作原理

2.3.3输出特性

2.4本章小节

参考文献

第三章 燃煤PM10磁特性研究

3.1引言

3.2燃煤可吸入颗粒物SEM-EDX分析

3.3燃煤PM10磁特性

3.3.1颗粒物取样

3.3.2煤种对燃煤PM10磁特性的影响

3.3.3锅炉运行负荷对燃煤PM10磁特性的影响

3.3.4锅炉容量对燃煤PM10磁特性的影响

3.4燃煤可吸入颗粒物XRD分析

3.4.1XRD相定量分析依据

3.4.2煤种对燃煤PM10铁磁性物质含量的影响

3.4.3锅炉运行负荷对燃煤PM10铁磁性物质含量的影响

3.4.4锅炉容量对燃煤PM10铁磁性物质含量的影响

3.5磁性物质含量与饱和磁化强度的相关性

3.6本章小结

参考文献

第四章 均匀磁场中燃煤PM10聚并理论与实验研究

4.1引言

4.2几何直径与空气动力学直径

4.3粒子聚并动力学方程

4.4二元碰撞聚并模型

4.4.1粒子运动方程

4.4.2磁偶极子力

4.4.3气体曳力

4.4.4布朗力

4.4.5范德华力

4.4.6重力

4.4.7聚并系数计算方法

4.5聚并系数计算结果与分析

4.5.1数值计算条件

4.5.2粒径与重力对聚并系数的影响

4.5.3布朗力对聚并系数的影响

4.5.4磁感应强度对聚并系数的影响

4.5.5气流平均速度对聚并系数的影响

4.6聚并动力学方程的求解

4.6.1求解方法

4.6.2双分区算法

4.6.3数值求解方法

4.7理论与实验结果及讨论

4.7.1理论计算与实验条件

4.7.2燃煤PM10聚并效率的定义

4.7.3实验数据处理方法及误差

4.7.4燃煤PM10聚并微观形态

4.7.5理论与实验结果对照

4.7.6实验结果及理论分析

4.7.7粒子聚并模型预测

4.8本章小结

参考文献

第五章 均匀磁场中燃煤PM10磁种聚并理论与实验研究

5.1引言

5.2粒子间聚并系数

5.3聚并动力学方程组

5.3.1飞灰粒子聚并动力学方程

5.3.2磁种粒子聚并动力学方程

5.3.3磁种飞灰聚并体粒子聚并动力学方程

5.3.4聚并动力学方程组

5.4三组元双分区算法

5.4.1计算公式

5.4.2数值求解方法

5.5理论与实验结果及讨论

5.5.1理论计算与实验条件

5.5.2粒子聚并微观形态

5.5.3理论与实验结果对照

5.5.4实验结果及理论分析

5.5.5粒子聚并模型预测

5.6本章小结

参考文献

第六章 梯度磁场中燃煤PM10聚并理论与实验研究

6.1引言

6.2梯度磁场的描述

6.3粒子间聚并系数

6.4粒子聚并动力学方程

6.5三分区算法

6.5.1计算公式

6.5.2数值求解方法

6.6理论与实验结果及讨论

6.6.1理论计算与实验条件

6.6.2理论与实验结果对照

6.6.3实验结果及理论分析

6.6.4粒子聚并模型预测

6.7本章小结

参考文献

第七章 梯度磁场中燃煤PM10磁种聚并理论与实验研究

7.1引言

7.2粒子间聚并系数

7.3粒子聚并动力学方程组

7.4三组元三分区算法

7.4.1计算公式

7.4.2数值求解方法

7.5理论与实验结果及讨论

7.5.1理论计算与实验条件

7.5.2理论与实验结果对照

7.5.3实验结果及理论分析

7.5.4粒子聚并模型预测

7.6本章小结

参考文献

第八章 全文总结与建议

8.1全文总结

8.2进一步研究建议

致谢

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