H2O(g)對富氧燃燒超細顆粒物生成特性影響

雷 雨，牛艷青，王亨通，溫麗萍，王光耀，惠世恩

(西安交通大學 能源與動力工程學院 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 引 言

2019年我國煤炭能源消費占比57.7%，原煤產量同比增加4%，達38.5億t，“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦決定了我國的能源結構長期仍以煤炭為主[1]。煤炭燃燒會產生大量SOx、NOx和顆粒物[2-3]等，嚴重污染環境，對人類健康造成威脅[4]。相比成熟的脫硫脫硝技術，顆粒物尤其是超細顆粒物(空氣動力學粒徑<0.3 μm[5])的控制面臨很多困難[5-6]。超細顆粒物粒徑小、比表面積大的特性使其無法被傳統除塵設備有效捕集，且極易富集痕量重金屬元素[6-7]；超細顆粒物大量排放還會導致霧霾[8]。我國制定了嚴格的控制標準，規定顆粒物排放質量濃度需低于30 mg/m3，重點地區顆粒物排放質量濃度低于20 mg/m3，超細顆粒物排放低于5 mg/m3(GB 3095—2012),使燃煤電廠在超細顆粒物排放控制方面面臨更加嚴峻的挑戰[9-10]。

富氧燃燒因在碳捕集和儲存方面的優勢而受到廣泛關注，但其用CO2替換N2可能引入大量H2O(g)，影響煤焦燃燒特性[11-13]。超細顆粒物由煤中礦物質通過蒸發-冷凝-成核-凝并機理形成，燃燒氣氛和燃燒溫度對其形成影響顯著[14]。水分會導致爐內氣氛和燃燒溫度改變，進而影響超細顆粒物的生成。一般來說，煤燃燒過程中的H2O(g)主要來自煤中的氫和水分，煤中水分一般不超過10%，但褐煤中的水分可能超過70%[15-16]。此外，煙氣再循環作為工業鍋爐常用的降低NOx的方法，也會增加爐內H2O(g)量，部分新型燃燒技術中H2O(g)被用于調節火焰溫度以降低NOx和SOx排放[17]，因此富氧條件下H2O(g)對超細顆粒物生成特性的研究非常必要。文獻[18]研究表明，超細顆粒物形成初期對H2O(g)非常敏感，H2O(g)會促進顆粒物的生成。Xu等[19]通過研究濕富氧氣氛下超細顆粒物生成和SiO2的氣化特性，證明了H2O(g)促進SiO2的氣化和超細顆粒物的生成。文獻[20]研究表明，H2O(g)能促進微粒的成核、團聚和凝并，還能增加粒徑小于0.1 μm的超細顆粒物的排放量和平均粒徑。但目前H2O(g)在超細顆粒物形成過程中的影響機理尚不明確，仍需要進一步研究。

本文模擬富氧氣氛(27% O2/73% CO2)，在1 800 K 高溫管式爐內進行黃陵煤焦燃燒試驗，通過荷電低壓撞擊器收集0～10 μm顆粒物，并實時獲取顆粒物質量/數量粒徑分布，研究H2O(g)體積分數為0、5%、10%、20%、30%時超細PM的生成特性，以獲得H2O(g)濃度對超細顆粒物粒徑分布、不同粒徑超細顆粒物占比、超細顆粒物平均粒徑的影響，為進一步研究超細顆粒物生成機理提供基礎數據。

1 試 驗

1.1 燃料特性

本文選取黃陵煙煤為試驗煤樣，其工業分析、元素分析及灰分組成見表1，煤中揮發分為30.34%，灰分為13.64%。

制備黃陵煤焦：選取75～120 μm黃陵煤顆粒在98% N2、2% O2富氧氣氛、熱解溫度1 200 K、停留時間1.5 s條件下熱解，并將熱解后收集的煤焦顆粒重新篩分至75～90 μm，在馬弗爐378 K干燥備用。

表1 黃陵煤工業分析、元素分析及灰組分分析[21]

1.2 試驗系統

試驗系統主要由給粉系統、配氣系統、H2O(g)發生系統、高溫管式爐、取樣系統和荷電低壓撞擊器(Dekati ELPI+)等組成，如圖1所示。煤粉顆粒經CO2氣流攜帶由電動給粉機的儲粉試管通過水冷給樣探針送入高溫管式爐內恒溫區，給粉速率為100 mg/min，攜帶氣流量200 mL/min。高溫管式爐中心位置為內徑52 mm、長900 mm的剛玉管，其周圍由硅鉬棒加熱，保證管式爐恒溫區長度不小于300 mm。試驗過程中爐膛恒溫區溫度保持1 800 K，上、下水冷槍距離為100 mm。

圖1 高溫一維爐試驗系統示意

爐內煤焦燃燒產生的超細顆粒物經過水冷取樣探針稀釋取樣和兩級稀釋器后，進入包含14級撞擊器ELPI+(實時顯示超細顆粒物的質量濃度和數量濃度)。14級撞擊器上收集顆粒物對應的中位徑分別為0.009 26、0.016 66、0.025 61、0.041 48、0.070 63、0.129 07、0.231 41、0.431 47、0.733 76、1.218 58、2.010 57、3.012 77、4.437 43和7.298 08 μm，ELPI+前7級收集到的顆粒物為超細顆粒物。水冷取樣探針出口到ELPI+入口沿程均設有伴熱裝置，防止顆粒物冷凝。煤焦燃燒所需H2O(g)由蒸汽發生系統提供，去離子水通過蠕動泵(iPump 2L+YZ)定量送入蒸汽發生裝置，電阻絲爐加熱后產生的H2O(g)由CO2氣流攜帶送入爐膛，攜帶氣流量為150 mL/min。通過質量流量計控制通入爐膛內的O2和CO2量以模擬富氧燃燒氣氛，控制氣體總量為1.74 L/min，確保煤焦在爐內停留時間為1.2 s。

2 結果與討論

2.1 H2O(g)對超細顆粒物粒徑分布的影響

圖2 不同H2O(g)濃度下超細顆粒物質量/數量濃度粒徑分布

圖2為5個水蒸氣濃度下煤焦燃燒產生粒徑小于1 μm顆粒物的質量濃度粒徑分布和數量濃度粒徑分布。煤焦燃燒試驗過程中，生成的超細顆粒物被ELPI+前7級撞擊器收集。5個H2O(g)濃度下超細顆粒物的質量/數量濃度粒徑分布不是簡單的單峰分布，主峰峰值出現在0.2 μm附近，副峰峰值出現在0.01～0.10 μm。同時，發現沉積在ELPI+第1級撞擊器表面的超細顆粒物質量濃度很低，但數量濃度最高；相反，沉積在ELPI+第7級撞擊器表面的超細顆粒物質量濃度最高，但是數量濃度相對較低。

圖3為ELPI第1級、第7級撞擊器(峰值處)收集的超細顆粒物在超細顆粒物總數量和中質量中的占比。第1級撞擊器收集到的超細顆粒物對超細顆粒物總數量貢獻最大，5個H2O(g)濃度下均超過65%；第7級撞擊器收集到的超細顆粒物對超細顆粒物總質量貢獻最大，5個H2O(g)濃度下均超過94%，說明超細顆粒物總數量由小粒徑超細顆粒物數量決定，超細顆粒物總質量由大粒徑超細顆粒物質量決定。隨著H2O(g)體積分數增加，第1級撞擊器上超細顆粒物的數量占比和第7級撞擊器上超細顆粒物的質量占比均呈先減后增的趨勢，并在5% H2O(g)下達到最小值，說明H2O(g)的加入影響不同粒徑超細顆粒物的生成。

2.2 H2O(g)對超細顆粒物生成率的影響

H2O(g)不僅導致不同粒徑超細顆粒物生成占比發生變化，還會影響超細顆粒物生成量和生成效率。圖4為不同H2O(g)濃度下超細顆粒物及粒徑小于1 μm的顆粒物生成總量。圖4(a)中煤焦燃燒生成的超細顆粒物總數量濃度與粒徑小于1 μm的顆粒物總數量濃度幾乎相同，這與2.1節顆粒物總數量由小粒徑顆粒顆粒物決定的結論一致。圖4(b)中超細顆粒物總質量與粒徑小于1 μm顆粒物總質量有明顯差距，因為大粒徑顆粒對顆粒物質量貢獻更大。隨著H2O(g)濃度增加，超細顆粒物的總數量濃度和總質量濃度均呈先減后增的趨勢，并在5% H2O(g)時達到最小值。

圖4 H2O(g)對超細顆粒物及粒徑小于1 μm的顆粒物生成量的影響

造成該變化的主要原因是H2O(g)加入導致煤焦顆粒燃燒溫度降低而對超細顆粒物生成產生的抑制作用，與H2O(g)與煤焦反應時在煤焦顆粒周圍形成的還原性氣氛對超細顆粒物生成的促進作用，相互競爭[22]。在低H2O(g)濃度時，溫度降低對超細顆粒物生成的抑制作用大于還原性氣氛對超細顆粒物生成的促進作用，且兩者之間在5% H2O(g)濃度時差距最大；高H2O(g)濃度時，由于氣化反應加劇，還原性氣氛對超細顆粒物生成的促進作用大于水分加入煤焦顆粒燃燒溫度降低對超細顆粒物生成產生的抑制作用，整體表現出促進超細顆粒物生成。

2.3 H2O(g)對單個超細顆粒物粒徑的影響

不同H2O(g)濃度下超細顆粒物質量濃度和數量濃度的變化不同步，說明不同H2O(g)濃度下單個超細顆粒物質量發生變化，可通過超細顆粒物總質量濃度和數量濃度的比值確定單個超細顆粒平均質量。假設所有顆粒物的密度一致，不同H2O(g)濃度下超細顆粒物粒徑發生變化，超細顆粒物粒徑相對值可通過單個超細顆粒質量計算。圖5(a)為超細顆粒物平均質量隨H2O(g)濃度變化曲線，隨著H2O(g)濃度提高，單個超細顆粒物質量先增大后減小再增大，0～5% H2O(g)下超細顆粒物平均質量增加最快，5%～10%時超細顆粒物平均質量輕微下降，10%～30%時超細顆粒物平均質量持續穩定上升。

圖5 超細顆粒物及粒徑小于1 μm的顆粒物平均質量及相對粒徑

與無 H2O(g)時相比，5% H2O(g)下超細顆粒物平均粒徑增加約7%，30% H2O(g)時單個超細顆粒物平均粒徑增加約13%。粒徑小于1 μm的顆粒物平均質量先增大后減小，在5% H2O(g)時最大，5% H2O(g)下單個粒徑小于1 μm的顆粒物平均粒徑增加約14%。有H2O(g)參與時，超細顆粒物平均粒徑均大于無H2O(g)時。H2O(g)的加入增加了水分子和顆粒物之間的撞擊，促進了煤中礦物質蒸發成核和顆粒物的凝并[20,23]。同時，超細顆粒物平均粒徑的增大使部分大粒徑超細顆粒物粒徑進一步增大，超出超細顆粒物粒徑上限，導致超細顆粒物生成數量減少，這可能是導致5% H2O(g)時超細顆粒物生成數量和質量減少的一個原因。

3 結 論

1)H2O(g)加入對超細顆粒物的質量/數量粒徑分布影響不大，但會導致超細顆粒物峰值大小波動。超細顆粒物生成的數量由最小粒徑超細顆粒物決定，第1級超細顆粒物占超細顆粒物總數量超過65%；超細顆粒物生成的質量由最大粒徑超細顆粒物決定，第7級超細顆粒物占超細顆粒物總質量超94%。

2)H2O(g)的加入導致煤焦顆粒燃燒溫度降低，抑制超細顆粒物的生成，H2O(g)與煤焦顆粒發生氣化反應生成的還原性氣氛會促進超細顆粒物的生成，兩者之間的競爭作用導致低H2O(g)濃度抑制超細顆粒物生成，高水蒸氣濃度促進超細顆粒物生成。

3)H2O(g)的加入會促進超細顆粒物平均粒徑增大，且在5% H2O(g)前，超細顆粒物平均粒徑增加最快，在5% H2O(g)時超細顆粒物平均粒徑增加了7%。