燃煤可吸入顆粒物在高梯度磁場中的捕集研究.pdf

1、可吸入顆粒物易附集有害物質(zhì)，對環(huán)境和人體都有較大危害。煤的燃燒是可吸入顆粒物污染的重要來源。由于燃煤可吸入顆粒物體積小、數(shù)目多，常規(guī)的除塵方式對其缺乏有效控制。在中國，以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)使得這一問題更加突出。根據(jù)燃煤可吸入顆粒物具有一定鐵磁性這一特點，采用高梯度磁分離技術(shù)控制燃煤細顆粒的排放是一個有價值的研究方向，被列為國家重點基礎(chǔ)研究項目(973計劃)的研究內(nèi)容。 本文首次提出采用高梯度磁場捕集燃煤可吸入顆粒物的方法，在對

2、大氣可吸入顆粒物特征及燃煤可吸入顆粒物磁特性系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，建立了顆粒捕集動力學模型及高梯度磁場下磁介質(zhì)捕集燃煤可吸入顆粒物的宏觀和微觀實驗臺，以理論分析、宏觀和微觀實驗相結(jié)合的方式，從多方面對顆粒捕集規(guī)律及機理進行了深入探討，旨在為該技術(shù)的應用提供理論基礎(chǔ)和實驗參考。 首先對大氣可吸入顆粒物特征和燃煤可吸入顆粒物磁特征進行了系統(tǒng)研究。通過分析發(fā)現(xiàn)了大氣可吸入顆粒物數(shù)目濃度日變化特征，大氣中PM<,2.5>數(shù)目濃度較高，比表

3、面積大，濕度對可吸入顆粒物分布特征影響較大；顆粒形態(tài)中球狀實體顆粒占有較大的數(shù)目份額，絮狀體和簇狀聚集體次之，多孔顆粒和條狀晶體含量較少，通過SEM-EDX分析對比發(fā)現(xiàn)，這些球狀實體多為煤燃燒產(chǎn)生。利用VSM對典型的燃煤可吸入顆粒物樣品進行了磁性測試，測試發(fā)現(xiàn)燃煤可吸入顆粒物具有鐵磁特性，飽和磁化強度范圍為0.7×10<'3>～4.5×10<'3>A/m；利用XRD對燃煤可吸入顆粒物中磁性物質(zhì)含量進行了測試分析，γ-Fe<,2>O<,3

4、>和Fe<,3>O<,4>的存在是引起粒子鐵磁特性的主要原因，引入磁性當量鐵含量來表征粒子中磁性物質(zhì)的含量，粒子飽和磁化強度與磁性當量鐵含量線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.985。 基于Euler/Lagrange方法建立了高梯度磁場捕集燃煤可吸入顆粒物的動力學模型。通過對磁場、流場的解析，結(jié)合燃煤可吸入顆粒物磁化特性，在考慮磁場梯度力、流體曳力、布朗作用力等情況下，通過對顆粒軌跡的計算，研究了流場、磁場、顆粒磁性、磁介質(zhì)材料以及磁介

5、質(zhì)尺寸等因素對顆粒軌跡的影響，得到了高梯度磁場捕集燃煤可吸入顆粒物的理論基礎(chǔ)。高梯度磁場下磁介質(zhì)捕集燃煤可吸入顆粒物的過程中，磁場作用力、流體曳力是主導作用力。磁性較強及粒徑較大的粒子所受磁場作用力較大，其顆粒軌跡變化明顯；隨著粒徑的減小，布朗作用逐漸增強，顆粒運動軌跡相應隨之變化。 在理論分析的基礎(chǔ)上，通過自制高梯度磁場捕集燃煤可吸入顆粒物宏觀實驗臺，進行了高梯度磁場下磁介質(zhì)捕集燃煤可吸入顆粒物的宏觀實驗，利用ELPI分析了

6、顆粒濃度變化。分析發(fā)現(xiàn)了顆粒捕集的三個典型階段；粒徑在1.0μm～3.0μm內(nèi)的顆粒捕集效率相對較低，其余粒徑顆粒捕集效率相對較高；磁性較強的樣品，其捕集效率較高；增大顆粒濃度、外加磁場強度可以有效提高顆粒的捕集效率，在一定行程內(nèi)增大氣體流速則會導致顆粒捕集效率降低，較高的磁介質(zhì)磁化強度、磁介質(zhì)填充率以及較小的磁介質(zhì)直徑都會有利于顆粒捕集效率的提高；增大外磁場強度和采用較小直徑的磁介質(zhì)，對于中間檔粒徑段顆粒捕集效率影響相對較低，而對其余

7、粒徑段顆粒影響相對較為顯著；增大磁介質(zhì)磁化強度對各級顆粒捕集效率均有較大提高；增大磁介質(zhì)填充率對于小粒徑顆粒捕集效率影響相對較低，而對大粒徑顆粒捕集效率影響相對較高；添加磁種后，顆粒捕集效率有明顯增加，粒徑在0.1μm～1μm的顆粒捕集效率增幅高于其余粒徑的顆粒。在本文實驗條件下，顆粒捕集效率可高達70.2％。通過顯微攝像可視化技術(shù)研究了高梯度磁場下燃煤可吸入顆粒物在磁介質(zhì)表面附集狀態(tài)。微觀下燃煤可吸入顆粒物在磁介質(zhì)表面附集狀態(tài)的動態(tài)研

8、究，進一步揭示了顆粒捕集的機理，發(fā)現(xiàn)了顆粒捕集過程中磁介質(zhì)表面顆粒鏈的形成及斷裂的現(xiàn)象。顆粒附集的過程中，顆粒鏈在不斷的成長與坍塌，往復更迭：顆粒的捕集效果主要是由磁介質(zhì)的吸引、在磁介質(zhì)表面形成的顆粒鏈的截留以及流體的夾帶作用控制；顆粒磁性較強的樣品，受磁場作用明顯，顆粒鏈的成長速度較快；磁介質(zhì)磁性較強及直徑較小時，對顆粒鏈的成長有促進作用；顆粒濃度越高，顆粒鏈的成長速度越快。微觀實驗結(jié)果與宏觀實驗結(jié)果一致，并很好的揭示了宏觀實驗所得的