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1、燃煤细微颗粒物生成特性与炉内控制的研究电厂燃煤过程中可吸入颗粒物,尤其是富含有毒痕量元素的细微颗粒物的排放,不仅会造成锅炉的沾污和腐蚀,影响锅炉的安全运行和换热效率,还会给人类健康和生态环境带来严重的危害。为此,本文开展了燃煤过程细微颗粒物生成和炉内控制的研究。本文首先对湿法烟气脱硫燃煤电厂锅炉进行现场采样,研究了实际锅炉燃煤颗粒物的排放特性；然后,在实验室的沉降炉台架上,开展了O2PN2和O2/CO2条件下燃煤颗粒物的生成特性和不同矿物元素组成煤粉燃烧时颗粒物的生成特性的研究；基于煤中矿物元素的相互作用会影响燃煤过程细
2、微颗粒物生成特性的思路,本文最后分别开展了添加高岭土燃烧和混煤燃烧减少燃煤细微颗粒物生成的研究。主要内容如下：通过对两台带有WFGD装置的电厂燃煤锅炉进行颗粒物采样,发现该电厂颗粒物排放呈三模态分布,细模态颗粒物主要由Na和Mg元素组成,中间模态和粗模态颗粒物则主要由Si和Al元素组成。运行负荷增大,燃煤锅炉PM10的生成浓度越高。颗粒物随烟气进入WFGD后,由于外来的Ca和S的转化,超细颗粒物浓度增加,而粗颗粒物由于物理洗涤作用浓度减少。将煤粉在不同O2浓度的O2/N2和O2/CO2条件下,进行沉降炉燃烧收集颗粒物实验
3、,并分别采用LPI和SMPS-APS进行颗粒物取样,通过研究发现,O2/CO2燃烧条件下,燃煤细微颗粒物的峰值粒径可能减小。相同O2浓度含量下,O2/CO2与O2/N2燃烧条件相比,PM1-10和PM1的生成浓度减少。O2/CO2燃烧条件下,随着O2浓度的增加,PM1-10的生成浓度逐渐增大,而PM1的生成浓度呈先减少后增大的规律,这是由于在O2/CO2燃烧条件下,随着O2浓度的增加,矿物质的气化受温度和还原性气氛两个因素的共同制约,呈现一个先减少后增大的趋势。应用SMPS-APS联用进行颗粒物采样,小粒径颗粒物的数目占
4、总数目的绝大部分,颗粒物的数目浓度在0.05-0.1μm范围内呈现一个峰值,并在1μm附近存在一个拐点。具有不同矿物元素组成的高Na煤、高K煤、分密度分粒径煤粉以及黄铁矿在不同条件下进行沉降炉燃烧收集颗粒物实验。实验发现,高Na煤和高K煤在900℃和1100℃燃烧时,经气化凝结生成的硫酸盐(Na2SO4/K2SO4)是PM1的主要组成成分,且硫酸盐(Na2SO4/K2SO4)凝结成核的平均粒径在0.5gm左右。当燃烧温度升高到1300℃时,PM1生成减少,碱金属元素Na/K元素在气化过程中的存在形式发生改变,大量以的氢氧
5、化物(NaOH/KOH)的形式存在,这些碱金属的氢氧化物容易与煤中硅铝酸盐等发生化学作用,最终转化为PM10+,而剩下以气态形式存在的Na2SO4/K2SO4以及其它硫酸盐/氧化物将凝结成核形成PM1,PM1的峰值粒径在0.2-0.3μm左右。煤粉密度、粒径直接影响煤中矿物分布和燃煤过程颗粒物的生成特性。低、中密度煤粉主要以内在矿物为主,而高密度煤粉主要以外在矿为主。低密度煤粉对PM1的贡献最大。相同粒径条件下,密度越高,PM1生成越少。除高密度小粒径煤外,其它分密度分粒径煤粉燃烧生成的PM1均高于原煤燃烧生成的PM1,
6、这揭示了煤中矿物之间交互作用的存在会影响燃煤细微颗粒物的生成。黄铁矿燃烧对PM1的生成有重要贡献。对原煤、高Na煤和高K煤进行添加高岭土燃烧实验,通过对比添加高岭土燃烧前后生成的颗粒物的质量粒径分布,生成浓度和元素组成等分析发现,原煤添加高岭土燃烧后,细微颗粒物的峰值粒径减小。燃烧条件的改变对高岭土燃烧减少细微颗粒物的生成有影响。在O2/N2燃烧条件下,添加高岭土燃烧后PM1和PM1-10生成浓度的减少比例均随温度升高呈现一个先增大后减小的规律。1100℃燃烧时,高岭土对PM1生成的抑制作用最强。原煤添加高岭土燃烧后,煤
7、中矿物元素Ca和Fe因与高岭土发生物理化学反应,减少了向PM1的转化,是添加高岭土燃烧后PM1生成浓度减少的主要原因。在O2/N2条件燃烧下,高Na煤添加高岭土在900℃燃烧时,PM1生成减少比例最大；高K煤添加高岭土在温度为1100℃燃烧时,PM1生成减少比例最大。煤中易气化元素的组成对添加高岭土燃烧减少PM1生成的最佳反应温度的选择有重要影响。将具有不同矿物组成的褐煤和烟煤进行不同混合比例和不同燃烧气氛下的沉降炉燃烧实验,研究结果表明,混煤燃烧过程中,褐煤和烟煤中矿物的交互作用抑制了PM1的生成。煤粉混合比例对PM1
8、生成的抑制程度有重要影响,在本实验研究中,当褐煤与烟煤的混合比为7：3时,PM1的生成所受抑制程度最大。02/C02气氛对混煤燃烧过程中颗粒物的生成特性有影响,相比于O2/N2燃烧气氛,02/C02燃烧气氛下,混煤燃烧后矿物交互作用减弱,PM1的生成所受抑制程度下降。混煤后PM1中的Ca、Fe元素的浓度和质量百分数减
