燃煤可吸入颗粒物在高梯度磁场中的捕集研究

摘要

可吸入颗粒物易附集有害物质，对环境和人体都有较大危害。煤的燃烧是可吸入颗粒物污染的重要来源。由于燃煤可吸入颗粒物体积小、数目多，常规的除尘方式对其缺乏有效控制。在中国，以燃煤为主的能源结构使得这一问题更加突出。根据燃煤可吸入颗粒物具有一定铁磁性这一特点，采用高梯度磁分离技术控制燃煤细颗粒的排放是一个有价值的研究方向，被列为国家重点基础研究项目(973计划)的研究内容。 本文首次提出采用高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物的方法，在对大气可吸入颗粒物特征及燃煤可吸入颗粒物磁特性系统研究的基础上，建立了颗粒捕集动力学模型及高梯度磁场下磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物的宏观和微观实验台，以理论分析、宏观和微观实验相结合的方式，从多方面对颗粒捕集规律及机理进行了深入探讨，旨在为该技术的应用提供理论基础和实验参考。 首先对大气可吸入颗粒物特征和燃煤可吸入颗粒物磁特征进行了系统研究。通过分析发现了大气可吸入颗粒物数目浓度日变化特征，大气中PM<,2.5>数目浓度较高，比表面积大，湿度对可吸入颗粒物分布特征影响较大；颗粒形态中球状实体颗粒占有较大的数目份额，絮状体和簇状聚集体次之，多孔颗粒和条状晶体含量较少，通过SEM-EDX分析对比发现，这些球状实体多为煤燃烧产生。利用VSM对典型的燃煤可吸入颗粒物样品进行了磁性测试，测试发现燃煤可吸入颗粒物具有铁磁特性，饱和磁化强度范围为0.7×10<'3>～4.5×10<'3>A/m；利用XRD对燃煤可吸入颗粒物中磁性物质含量进行了测试分析，γ-Fe<,2>O<,3>和Fe<,3>O<,4>的存在是引起粒子铁磁特性的主要原因，引入磁性当量铁含量来表征粒子中磁性物质的含量，粒子饱和磁化强度与磁性当量铁含量线性相关，相关系数为0.985。 基于Euler/Lagrange方法建立了高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物的动力学模型。通过对磁场、流场的解析，结合燃煤可吸入颗粒物磁化特性，在考虑磁场梯度力、流体曳力、布朗作用力等情况下，通过对颗粒轨迹的计算，研究了流场、磁场、颗粒磁性、磁介质材料以及磁介质尺寸等因素对颗粒轨迹的影响，得到了高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物的理论基础。高梯度磁场下磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物的过程中，磁场作用力、流体曳力是主导作用力。磁性较强及粒径较大的粒子所受磁场作用力较大，其颗粒轨迹变化明显；随着粒径的减小，布朗作用逐渐增强，颗粒运动轨迹相应随之变化。 在理论分析的基础上，通过自制高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物宏观实验台，进行了高梯度磁场下磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物的宏观实验，利用ELPI分析了颗粒浓度变化。分析发现了颗粒捕集的三个典型阶段；粒径在1.0μm～3.0μm内的颗粒捕集效率相对较低，其余粒径颗粒捕集效率相对较高；磁性较强的样品，其捕集效率较高；增大颗粒浓度、外加磁场强度可以有效提高颗粒的捕集效率，在一定行程内增大气体流速则会导致颗粒捕集效率降低，较高的磁介质磁化强度、磁介质填充率以及较小的磁介质直径都会有利于颗粒捕集效率的提高；增大外磁场强度和采用较小直径的磁介质，对于中间档粒径段颗粒捕集效率影响相对较低，而对其余粒径段颗粒影响相对较为显著；增大磁介质磁化强度对各级颗粒捕集效率均有较大提高；增大磁介质填充率对于小粒径颗粒捕集效率影响相对较低，而对大粒径颗粒捕集效率影响相对较高；添加磁种后，颗粒捕集效率有明显增加，粒径在0.1μm～1μm的颗粒捕集效率增幅高于其余粒径的颗粒。在本文实验条件下，颗粒捕集效率可高达70.2％。通过显微摄像可视化技术研究了高梯度磁场下燃煤可吸入颗粒物在磁介质表面附集状态。微观下燃煤可吸入颗粒物在磁介质表面附集状态的动态研究，进一步揭示了颗粒捕集的机理，发现了颗粒捕集过程中磁介质表面颗粒链的形成及断裂的现象。颗粒附集的过程中，颗粒链在不断的成长与坍塌，往复更迭：颗粒的捕集效果主要是由磁介质的吸引、在磁介质表面形成的颗粒链的截留以及流体的夹带作用控制；颗粒磁性较强的样品，受磁场作用明显，颗粒链的成长速度较快；磁介质磁性较强及直径较小时，对颗粒链的成长有促进作用；颗粒浓度越高，颗粒链的成长速度越快。微观实验结果与宏观实验结果一致，并很好的揭示了宏观实验所得的规律。 研究表明，采用高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物是一种新型有效的方法，本文研究结果可对该技术的实际应用提供理论基础和实验参考。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号表

声明

第一章 绪论

1.1本文研究背景及意义

1.2城市大气可吸入颗粒物特征

1.3高梯度磁场脱除燃煤可吸入颗粒物的方法

1.3.1现有的颗粒物排放控制技术

1.3.2高梯度磁分离技术研究现状

1.3.3高梯度磁场脱除燃煤可吸入颗粒物

1.4本文研究的内容及方法

1.4.1大气可吸入颗粒物特征及燃煤可吸入颗粒物磁特性

1.4.2高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物的动力学研究

1.4.3高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物的宏观实验研究

1.4.4高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物的微观拍摄实验研究

参考文献

第二章 实验仪器及装置

2.1引言

2.2实验仪器及方法

2.2.1电称低压冲击器

2.2.2振动样品磁强计

2.2.3扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析(EDX)

2.2.4X射线衍射仪

2.2.5特斯拉计

2.3气溶胶发生装置

2.4高梯度磁场捕集燃煤可吸入颗粒物实验装置

2.4.1电磁铁

2.5微观拍摄实验装置

2.5.1微观拍摄观测室

2.5.2显微CCD摄像系统

2.5.3激光器

参考文献

第三章 大气可吸入颗粒物特征及燃煤可吸入颗粒物磁特性

3.1大气可吸入颗粒物特征

3.1.1引言

3.1.2研究方法

3.1.3结果与分析

3.1.4小结

3.2燃煤可吸入颗粒物特征

3.2.1燃煤可吸入颗粒物表观形态及元素组成

3.2.2燃煤可吸入颗粒物磁特性

3.2.3燃煤可吸入颗粒物XRD分析

3.2.4颗粒饱和磁化强度与铁磁物质含量的关系

3.2.5小结

参考文献

第四章 高梯度磁场中磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物动力学模型

4.1引言

4.2磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物动力学模型

4.2.1气相流动

4.2.2磁场状态

4.2.3颗粒受力分析

4.3模型求解

4.4计算结果与分析

4.4.1气相场计算结果分析

4.4.2颗粒运动轨迹

4.5本章小结

参考文献

第五章 高梯度磁场中磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物宏观实验研究

5.1引言

5.2实验

5.2.1实验系统

5.2.2实验样品

5.2.3实验方法

5.3实验结果和讨论

5.3.1磁场作用时间对燃煤PM10捕集效率的影响

5.3.2颗粒浓度对捕集效率的影响

5.3.3磁场强度对PM10捕集效率的影响

5.3.4气体流速对PM10捕集效率的影响

5.3.5磁介质直径对PM10捕集效率的影响

5.3.6磁介质材料对PM10捕集效率的影响

5.3.7磁介质填充率对PM10捕集效率的影响

5.3.8添加磁种对燃煤PM10捕集效率的影响

5.4模拟计算

5.4.1捕集效率

5.4.2模拟结果

5.5本章小结

参考文献

第六章 高梯度磁场中磁介质捕集燃煤可吸入颗粒物微观实验研究

6.1引言

6.2实验

6.2.1实验装置的建立

6.2.2实验材料及方法

6.3实验结果和讨论

6.4本章小结

参考文献

第七章 总结及展望

7.1本文工作内容及主要结论

7.2进一步研究的建议

作者简介，在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢