燃煤亞微米顆粒的形成和團(tuán)聚機(jī)制的研究.pdf

1、顆粒形成機(jī)理的研究方面入手，系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外在數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方面所開展的各項(xiàng)工作，分析和比較相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和模擬研究的優(yōu)勢及其不足；在分析燃煤電站采用的常規(guī)控制方法的基礎(chǔ)上，對最新的亞微米顆粒團(tuán)聚方法（如光、聲、電、磁、熱等）進(jìn)行分析，提出采用化學(xué)團(tuán)聚促使亞微米顆粒團(tuán)聚成較大顆粒后加以清除的方法，并以此作為本文的研究思路，進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究工作。本文主要從以下幾個方面開展研究。 本文基于氣溶膠動力學(xué)理論，模擬了燃燒過程中亞微米

2、顆粒的形成演化過程。通過描述兩類亞微米顆粒的形成：自由分子顆粒和鏈狀分子結(jié)構(gòu)的顆粒，系統(tǒng)分析了亞微米顆粒形成過程中成核機(jī)理、冷凝機(jī)理、凝聚機(jī)理的作用特點(diǎn)和規(guī)律。通過模型與不同顆粒形成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，充分證實(shí)了該模擬能夠定量、準(zhǔn)確地反映顆粒物的形成演化。這些工作在國內(nèi)還屬于較少開展的領(lǐng)域，該模型的運(yùn)用對于認(rèn)識與描述燃燒過程中亞微米顆粒的形成具有十分積極的意義。 本文還深入研究了亞微米顆粒富集痕量元素的規(guī)律和機(jī)理。通過不同煤樣的滴管

3、爐燃燒實(shí)驗(yàn)，研究和分析了飛灰的主要組成元素、不同揮發(fā)性的痕量元素（以砷、鉛和鉻為例）在不同粒徑飛灰顆粒上的富集規(guī)律，證實(shí)不同粒徑顆粒的質(zhì)量呈雙峰分布，砷的含量分布與煤種無關(guān)，而與煤中含量、易揮發(fā)性密切相關(guān)，富集機(jī)理主要以化學(xué)吸附為主；鉻的分布主要與其賦存形態(tài)有關(guān)。針對亞微米顆粒富集痕量元素的過程中，亞微米顆粒粒徑是否變化的問題，結(jié)合亞微米顆粒的形成演化模型，比較系統(tǒng)地分析了顆粒粒徑與痕量元素的富集關(guān)系。結(jié)果表明在 時，計(jì)算的易揮發(fā)性的S

4、e、As在顆粒上的富集結(jié)果和實(shí)驗(yàn)有較好的相關(guān)性，而難揮發(fā)性的Sb、Co的富集計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性較差，表明模型描述的痕量元素的富集現(xiàn)象與痕量元素的揮發(fā)性有關(guān)，痕量元素?fù)]發(fā)性越難，模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性越差。因此，該模型的建立對描述亞微米顆粒富集易揮發(fā)性痕量元素具有理論指導(dǎo)意義。 為了研究燃煤飛灰成分對痕量砷的吸附規(guī)律，本文選用一般飛灰中含量較多的四種單一成分Al2O3、CaO、MgO和SiO2，分別進(jìn)行了不同溫度下含砷物質(zhì)的揮

5、發(fā)和吸附的實(shí)驗(yàn)研究，并在吸附理論和質(zhì)量擴(kuò)散理論的基礎(chǔ)上，模擬了CaO對砷的吸附過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較高溫度下，砷蒸氣較易與CaO、MgO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成砷酸鹽化合物。通過CaO和砷吸附模型的計(jì)算結(jié)果表明，溫度，吸附劑的轉(zhuǎn)化率、CaO顆粒的有效表面積和砷揮發(fā)率是重要的影響因素，吸附劑的轉(zhuǎn)化率隨著時間先增大后減少，CaO顆粒的有效表面積的變化速率隨時間先增大后減少。 為了減少燃煤亞微米顆粒的排放，本文提出采用化學(xué)團(tuán)聚促使顆粒物團(tuán)聚

6、成較大粒徑后加以除去的方法，該方法的提出開辟了一條亞微米顆粒的排放控制新思路。對此，本文進(jìn)行了較為系統(tǒng)的理論工作，推導(dǎo)了基于噴霧理論的團(tuán)聚劑促進(jìn)亞微米顆粒團(tuán)聚的模型，研究了亞微米顆粒間的團(tuán)聚作用力。模擬的計(jì)算結(jié)果表明，不加團(tuán)聚劑時亞微米顆粒間的團(tuán)聚效果并不明顯；但加入團(tuán)聚劑后能較好地促進(jìn)顆粒間團(tuán)聚，有效的減少亞微米顆粒的數(shù)目，并綜合分析了團(tuán)聚劑流量、質(zhì)量濃度、煙塵流量、霧化液滴半徑和飛灰顆粒半徑等影響因素；影響亞微米顆粒團(tuán)聚的主要作用力

7、是表面極性力和阻力，而表面彈性力和重力幾乎可忽略。該研究的結(jié)果為進(jìn)一步對亞微米顆粒的團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)提供了理論上參考依據(jù)。 在前面對亞微米顆粒團(tuán)聚機(jī)理進(jìn)行模擬研究的基礎(chǔ)上，本文專門建立了顆粒的團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)的亞微米顆粒團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)研究，挑選了團(tuán)聚效果較好的團(tuán)聚劑，比較了各種因素對亞微米顆粒團(tuán)聚的影響，并進(jìn)行了團(tuán)聚機(jī)理的分析。實(shí)驗(yàn)表明，團(tuán)聚劑的使用可以促使顆粒發(fā)生團(tuán)聚，大大減小煙塵的排放濃度，并且采用這種方法可以不改變鍋爐現(xiàn)有的運(yùn)行