淺談燃煤亞微米顆粒物的形成與控制

陳璞金

摘要：燃煤鍋爐排放煙氣中含有大量的亞微米顆粒，其形成機(jī)制與控制技術(shù)具有突出的研究意義和重要性。本文闡述了煤燃燒亞微米顆粒物的形成機(jī)理，過程受到煤種、溫度、燃料-空氣比率和停留時間等多種因素的影響。介紹和分析了靜電除塵器，袋式除塵器以及旋風(fēng)除塵器等傳統(tǒng)顆粒物排放控制方法，探討了電凝并、聲凝并、熱凝并、化學(xué)凝并等凝并技術(shù)脫除細(xì)微顆粒物的原理和優(yōu)缺點。

Abstract： The coal fired boiler flue gas contains a large number of sub micron particles， and its formation mechanism and control technology has outstanding research significance and importance. The formation mechanism of submicron particles in coal combustion is described in this paper. The process is affected by coal type， temperature， fuel -air ratio and residence time， etc.. This paper introduces and analyzes the electrostatic precipitator， bag type dust collector， cyclone dust collector and other traditional particles emission control methods， discusses the principle and the advantages and disadvantages of coagulation technologies for removing fine particles， such as electro coagulation， acoustic coagulation， heat coagulation.

關(guān)鍵詞：亞微米顆粒物；生成機(jī)理；凝并；除塵技術(shù)

Key words： submicron particles；formation mechanism；coagulation；dust removal technology

中圖分類號：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）35-0195-02

0 引言

煤在我國能源結(jié)構(gòu)中一直占有很高的比例，我國煤的利用方式主要是燃燒，每年生產(chǎn)的煤炭中有84%直接用于燃燒[1]，從而帶來了嚴(yán)重的顆粒物污染。盡管電廠都安裝了高效除塵設(shè)備，但是它們對細(xì)顆粒物的收集效率并不明顯，尤其是亞微米顆粒（粒徑約為0.05～1μm），其收集效率更低[2-3]。細(xì)顆粒被排入大氣后，具有較大的比表面積，且由于這些細(xì)顆粒含有大量的有機(jī)污染物（如二噁英、多環(huán)芳烴類化合物等）和各類有毒金屬元素（如Cd、Pb、Mn、Al、Be、Fe等）[4]，能夠在大氣中長時間的停留，漂浮范圍巨大，人體很容易吸收到被排入大氣的這些細(xì)顆粒。實踐發(fā)現(xiàn)，人類疾病的發(fā)病率、死亡率都和這些細(xì)顆粒物濃度增加有關(guān)，特別是心肺疾病和呼吸系統(tǒng)疾病等[5]，對人體存在巨大的不利影響，甚至對整個社會而言都具有不利影響，它是導(dǎo)致臭氧層破壞、煙霧事件、全球氣候變化等重大事件的重要因素[6]。

因此，煤燃燒過程中亞微米顆粒物的形成機(jī)制與控制技術(shù)具有突出的研究意義和重要性。

1 煤燃燒亞微米顆粒物的生成機(jī)理

煤灰顆粒的形成途徑主要包括以下幾個方面：礦物質(zhì)的氣化-凝結(jié)；外在礦物質(zhì)破碎；內(nèi)在礦物質(zhì)凝聚和聚結(jié)；焦炭破碎。顆粒粒徑范圍依據(jù)形成機(jī)理的不同變現(xiàn)出明顯差異，一般來說，第一個機(jī)理形成的是主要是亞微米顆粒，而后三種機(jī)理形成的主要是粗顆粒。研究表明，亞微米顆粒的最重要形成機(jī)理就是煤中無機(jī)礦物質(zhì)的氣化-凝結(jié)。

煤中無機(jī)礦物質(zhì)的氣化-凝結(jié)機(jī)理包括礦物質(zhì)的氣化、成核、蒸氣在亞微米顆粒上的凝結(jié)及亞微米顆粒的凝聚等過程。煤粉在高溫燃燒室內(nèi)經(jīng)過揮發(fā)分揮發(fā)、碳粒的著火燃燒等過程后，煤中的部分礦物成分開始?xì)饣纬蓱腋×Ｗ樱鞣N痕量元素也在氣化過程中的重新分配。火焰溫度越高，煤粒內(nèi)部還原性氣氛越強(qiáng)，元素氣化越容易，越有利于亞微米顆粒的形成。隨著溫度降低，氣相物質(zhì)凝聚成核。分散的亞微米顆粒通過物理或化學(xué)作用，主要包括布朗運動、沉降速率、化學(xué)反應(yīng)、湍流運動和顆粒間的相互作用力，導(dǎo)致亞微米顆粒粒徑逐漸增長，相互結(jié)合成較大顆粒，即，凝聚，又稱為團(tuán)聚。煤中微量元素經(jīng)過高溫分解、燃燒和氣化過程中蒸發(fā)后，當(dāng)煙氣冷卻時在飛灰顆粒表面上凝結(jié)。研究證明，在煤燃燒的復(fù)雜環(huán)境下，成核作用、凝結(jié)作用和凝聚作用幾乎能夠同時發(fā)生作用，共同促使顆粒物的形成和長大。

研究證實煤燃燒過程中亞微米顆粒物的形成機(jī)理復(fù)雜，受到煤種、溫度、燃料-空氣比率和停留時間等多種因素的影響[7]，由于采樣、分析的困難，目前仍然缺乏規(guī)律的科學(xué)描述，并有待深刻認(rèn)識和進(jìn)一步探究。

2 控制方法

目前國內(nèi)外對燃煤細(xì)微顆粒的捕集技術(shù)主要有兩種方法：一種是研究高效的除塵技術(shù)進(jìn)行捕集；另一種是使顆粒凝并長大，然后通過除塵裝置捕集。

2.1 除塵技術(shù)

使用較為廣泛的傳統(tǒng)除塵技術(shù)主要有靜電除塵器，袋式除塵器以及旋風(fēng)除塵器。

靜電除塵器具有較長的使用壽命，運行可靠、經(jīng)濟(jì)，是煤粉電站中顆粒物捕集的最普遍的設(shè)備，許多電站都裝備有高效率靜電除塵器。電除塵器在正常運行工況下除塵效率很高，但是對于亞微米級的顆粒來說，仍有高達(dá)15%的顆粒會排入大氣，富集在這些小顆粒上的痕量元素同樣無法被捕集而逃離靜電除塵裝置。endprint