燃煤細微顆粒物生成特性與爐內(nèi)控制的研究.pdf

1、電廠燃煤過程中可吸入顆粒物，尤其是富含有毒痕量元素的細微顆粒物的排放，不僅會造成鍋爐的沾污和腐蝕，影響鍋爐的安全運行和換熱效率，還會給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的危害。為此，本文開展了燃煤過程細微顆粒物生成和爐內(nèi)控制的研究。
　　 本文首先對濕法煙氣脫硫燃煤電廠鍋爐進行現(xiàn)場采樣，研究了實際鍋爐燃煤顆粒物的排放特性；然后，在實驗室的沉降爐臺架上，開展了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影響燃煤過程細微顆粒物生成特性的思路，本文最后分別開展了添加高嶺土燃燒和混煤燃燒減少燃煤細微顆粒物生成的研究。主要內(nèi)容如下：
　　 通過對兩臺帶有WFGD裝置的電廠燃煤鍋爐進行顆粒物采樣，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。運行負荷增大，燃煤鍋爐PM10的生成濃度越高。顆粒物隨煙氣進入WFGD后

3、，由于外來的Ca和S的轉(zhuǎn)化，超細顆粒物濃度增加，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，進行沉降爐燃燒收集顆粒物實驗，并分別采用LPI和SMPS-APS進行顆粒物取樣，通過研究發(fā)現(xiàn)，O2/CO2燃燒條件下，燃煤細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因素的共同制約，呈現(xiàn)一個先減少后增大的趨勢。應(yīng)用SMPS-APS聯(lián)用進行顆粒物采樣，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)一個峰值，并在1 μm附近存在一個拐點。
　　 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行沉降爐燃燒收集顆粒物實驗。實驗發(fā)現(xiàn)，高Na煤和高K煤在900 ℃和1100 ℃燃燒時，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，PM1生成減少，堿金屬元素Na/K元素在氣化過程中的存在形式發(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PM1的貢獻最大。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影響燃煤細微顆粒物的生成。黃鐵礦燃燒對PM1的生成有重要貢獻。
　　 對原煤、高Na煤和高K煤進行添加高嶺土燃燒實驗，通過對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，細微顆粒物的峰值粒徑減小。燃燒條件的改變對高嶺土燃燒減少細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)一個先增大后減小的規(guī)律。1100℃燃燒時，高嶺土對PM1生成的抑制作用最強。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，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，PM1生成減少比例最大。煤中易氣化元素的組成對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行不同混合比例和不同燃燒氣氛下的沉降爐燃燒實驗，研究結(jié)果表明，混煤燃燒過程中，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PM1生成的抑制程度有重要影響，在本實驗研究中，當(dāng)褐煤與煙煤的混合比為7：3時，PM1的生成所受抑制程度最大。O2/CO2氣氛對混煤燃燒過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，