燃煤細(xì)微顆粒物生成特性與爐內(nèi)控制的研究.pdf

1、電廠燃煤過(guò)程中可吸入顆粒物，尤其是富含有毒痕量元素的細(xì)微顆粒物的排放，不僅會(huì)造成鍋爐的沾污和腐蝕，影響鍋爐的安全運(yùn)行和換熱效率，還會(huì)給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。為此，本文開(kāi)展了燃煤過(guò)程細(xì)微顆粒物生成和爐內(nèi)控制的研究。
　　 本文首先對(duì)濕法煙氣脫硫燃煤電廠鍋爐進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，研究了實(shí)際鍋爐燃煤顆粒物的排放特性；然后，在實(shí)驗(yàn)室的沉降爐臺(tái)架上，開(kāi)展了O2/N2和O2/CO2條件下燃煤顆粒物的生成特性和不同礦物元素組成煤粉燃燒時(shí)顆

2、粒物的生成特性的研究；基于煤中礦物元素的相互作用會(huì)影響燃煤過(guò)程細(xì)微顆粒物生成特性的思路，本文最后分別開(kāi)展了添加高嶺土燃燒和混煤燃燒減少燃煤細(xì)微顆粒物生成的研究。主要內(nèi)容如下：
　　 通過(guò)對(duì)兩臺(tái)帶有WFGD裝置的電廠燃煤鍋爐進(jìn)行顆粒物采樣，發(fā)現(xiàn)該電廠顆粒物排放呈三模態(tài)分布，細(xì)模態(tài)顆粒物主要由Na和Mg元素組成，中間模態(tài)和粗模態(tài)顆粒物則主要由Si和Al元素組成。運(yùn)行負(fù)荷增大，燃煤鍋爐PM10的生成濃度越高。顆粒物隨煙氣進(jìn)入WFGD后

3、，由于外來(lái)的Ca和S的轉(zhuǎn)化，超細(xì)顆粒物濃度增加，而粗顆粒物由于物理洗滌作用濃度減少。
　　 將煤粉在不同O2濃度的O2/N2和O2/CO2條件下，進(jìn)行沉降爐燃燒收集顆粒物實(shí)驗(yàn)，并分別采用LPI和SMPS-APS進(jìn)行顆粒物取樣，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，O2/CO2燃燒條件下，燃煤細(xì)微顆粒物的峰值粒徑可能減小。相同O2濃度含量下，O2/CO2與O2/N2燃燒條件相比，PM1-10和PM1的生成濃度減少。O2/CO2燃燒條件下，隨著O2濃度的增

4、加，PM1-10的生成濃度逐漸增大，而PM1的生成濃度呈先減少后增大的規(guī)律，這是由于在O2/CO2燃燒條件下，隨著O2濃度的增加，礦物質(zhì)的氣化受溫度和還原性氣氛兩個(gè)因素的共同制約，呈現(xiàn)一個(gè)先減少后增大的趨勢(shì)。應(yīng)用SMPS-APS聯(lián)用進(jìn)行顆粒物采樣，小粒徑顆粒物的數(shù)目占總數(shù)目的絕大部分，顆粒物的數(shù)目濃度在0.05-0.1 μm范圍內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)峰值，并在1 μm附近存在一個(gè)拐點(diǎn)。
　　 具有不同礦物元素組成的高Na煤、高K煤、分密度分

5、粒徑煤粉以及黃鐵礦在不同條件下進(jìn)行沉降爐燃燒收集顆粒物實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高Na煤和高K煤在900 ℃和1100 ℃燃燒時(shí)，經(jīng)氣化凝結(jié)生成的硫酸鹽（Na2SO4/K2SO4）是PM1的主要組成成分，且硫酸鹽（Na2SO4/K2SO4）凝結(jié)成核的平均粒徑在0.5μm左右。當(dāng)燃燒溫度升高到1300℃時(shí)，PM1生成減少，堿金屬元素Na/K元素在氣化過(guò)程中的存在形式發(fā)生改變，大量以的氫氧化物（NaOH/KOH）的形式存在，這些堿金屬的氫氧化物容易與

6、煤中硅鋁酸鹽等發(fā)生化學(xué)作用，最終轉(zhuǎn)化為PM10+，而剩下以氣態(tài)形式存在的Na2SO4/K2SO4以及其它硫酸鹽/氧化物將凝結(jié)成核形成PM1，PM1的峰值粒徑在0.2-0.3 μm左右。煤粉密度、粒徑直接影響煤中礦物分布和燃煤過(guò)程顆粒物的生成特性。低、中密度煤粉主要以內(nèi)在礦物為主，而高密度煤粉主要以外在礦為主。低密度煤粉對(duì)PM1的貢獻(xiàn)最大。相同粒徑條件下，密度越高，PM1生成越少。除高密度小粒徑煤外，其它分密度分粒徑煤粉燃燒生成的PM1均

7、高于原煤燃燒生成的PM1，這揭示了煤中礦物之間交互作用的存在會(huì)影響燃煤細(xì)微顆粒物的生成。黃鐵礦燃燒對(duì)PM1的生成有重要貢獻(xiàn)。
　　 對(duì)原煤、高Na煤和高K煤進(jìn)行添加高嶺土燃燒實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比添加高嶺土燃燒前后生成的顆粒物的質(zhì)量粒徑分布，生成濃度和元素組成等分析發(fā)現(xiàn)，原煤添加高嶺土燃燒后，細(xì)微顆粒物的峰值粒徑減小。燃燒條件的改變對(duì)高嶺土燃燒減少細(xì)微顆粒物的生成有影響。在O2/N2燃燒條件下，添加高嶺土燃燒后PM1和PM1-10生成濃

8、度的減少比例均隨溫度升高呈現(xiàn)一個(gè)先增大后減小的規(guī)律。1100℃燃燒時(shí)，高嶺土對(duì)PM1生成的抑制作用最強(qiáng)。原煤添加高嶺土燃燒后，煤中礦物元素Ca和Fe因與高嶺土發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，減少了向PM1的轉(zhuǎn)化，是添加高嶺土燃燒后PM1生成濃度減少的主要原因。在O2/N2條件燃燒下，高Na煤添加高嶺土在900℃燃燒時(shí)，PM1生成減少比例最大；高K煤添加高嶺土在溫度為1100℃燃燒時(shí)，PM1生成減少比例最大。煤中易氣化元素的組成對(duì)添加高嶺土燃燒減少PM

9、1生成的最佳反應(yīng)溫度的選擇有重要影響。
　　 將具有不同礦物組成的褐煤和煙煤進(jìn)行不同混合比例和不同燃燒氣氛下的沉降爐燃燒實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，混煤燃燒過(guò)程中，褐煤和煙煤中礦物的交互作用抑制了PM1的生成。煤粉混合比例對(duì)PM1生成的抑制程度有重要影響，在本實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)褐煤與煙煤的混合比為7：3時(shí)，PM1的生成所受抑制程度最大。O2/CO2氣氛對(duì)混煤燃燒過(guò)程中顆粒物的生成特性有影響，相比于O2/N2燃燒氣氛，O2/CO2燃燒氣氛下，