浅谈燃煤亚微米颗粒物的形成与控制

1、浅谈燃煤亚微米颗粒物的形成与控制陈璞金摘要：燃煤锅炉排放烟气中含有大量的亚微米颗粒，其形成机制与控制技术具有突出 的研究意义和重要性。本文阐述了煤燃烧亚微米颗粒物的形成机理，过程受到煤 种、温度、燃料-空气比率和停留时间等多种因素的影响。介绍和分析了静电除 尘器，袋式除尘器以及旋风除尘器等传统颗粒物排放控制方法，探讨了电凝并、 声凝并、热凝并、化学凝并等凝并技术脱除细微颗粒物的原理和优缺点。关键词：亚微米颗粒物;生成机理;凝并;除尘技术;作者简介：陈璞金（1984-），男，江苏如皋人，学士学位，环评工程师，从事 环境影响评价工作。formation mechanism and control

2、technology of submicron particles in coal combustionchen pu-jinjiangsu fuhuan environmental science andtechnology co., ltd.;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 significanc

3、e and importance. the formation mechanism of submicron particles in coal combustion is described in thispaper. the process is affected by coal type, temperature, fuel-air ratio and residenee time, etc. this paper introduces and analyzes the electrostatic preci pi tator, bag type dust col lector, cyc

4、lone dust collector emd other traditional particles emission control methods,discusses theprinciple and the advantages and disadvantages of coagulation technologies for removing fine particles, such as electro coagulation, acoustic coagulation, heat coagulation.keyword：submicron particles; formation

5、 mechanism; coagulation; dust removal technology;0引言煤在我国能源结构中一直占有很高的比例，我国煤的利用方式主要是燃烧，每 年生产的煤炭中有84%直接用于燃烧in,从而带来了严重的颗粒物污染。尽管 电厂都安装了高效除尘设备，但是它们对细颗粒物的收集效率并不明显，尤其 是亚微米颗粒（粒径约为0. 051nm）,其收集效率更低2-3。细颗粒被排入 大气后，具有较大的比表面积，且由于这些细颗粒含有大量的有机污染物（如 二噁英、多环芳怪类化合物等）和各类有毒金属元素（如cd、pb、mn、al、be、 fe等）皿，能够在大气中长吋间的停留，漂浮范围巨大，

6、人体很容易吸收到被 排入大气的这些细颗粒。实践发现，人类疾病的发病率、死亡率都和这些细颗粒 物浓度增加有关，特别是心肺疾病和呼吸系统疾病等固，对人体存在巨大的不 利影响，甚至对整个社会而言都具有不利影响，它是导致臭氧层破坏、烟雾事 件、全球气候变化等重大事件的重要因素凹。因此，煤燃烧过程中亚微米颗粒物的形成机制与控制技术具有突岀的研究意义 和重要性。1煤燃烧亚微米颗粒物的生成机理煤灰颗粒的形成途径主要包括以下几个方面:矿物质的气化-凝结;外在矿物质破 碎；内在矿物质凝聚和聚结;焦炭破碎。颗粒粒径范围依据形成机理的不同变现出 明显差异，一般來说，第一个机理形成的是主要是亚微米颗粒，而后三种机理

7、形成的主要是粗颗粒。研究表明，亚微米颗粒的最重要形成机理就是煤中无机矿 物质的气化-凝结。煤中无机矿物质的气化-凝结机理包括矿物质的气化、成核、蒸气在亚微米颗粒 上的凝结及亚微米颗粒的凝聚等过程。煤粉在高温燃烧室内经过挥发分挥发、碳 粒的着火燃烧等过程后，煤屮的部分矿物成分开始气化形成悬浮粒子，各种痕 量元素也在气化过程中的重新分配。火焰温度越高，煤粒内部述原性气氛越强， 元素气化越容易，越有利于亚微米颗粒的形成。随着温度降低，气和物质凝聚成核。分散的亚微米颗粒通过物理或化学作用，主要包括布朗运动、沉降速率、化 学反应、湍流运动和颗粒间的相互作用力，导致亚微米颗粒粒径逐渐增长，相互 结合成较大

8、颗粒，即，凝聚，又称为团聚。煤中微量元素经过高温分解、燃烧和 气化过程屮蒸发后，当烟气冷却时在飞灰颗粒表面上凝结。研究证明，在煤燃烧 的复杂环境下，成核作用、凝结作用和凝聚作用几乎能够同时发生作用，共同促 使颗粒物的形成和长大。研究证实煤燃烧过稈中亚微米颗粒物的形成机理复杂，受到煤种、温度、燃料- 空气比率和停留时间等多种因素的影响iz1,由于采样、分析的困难，目前仍然 缺乏规律的科学描述，并有待深刻认识和进一步探究。矿物质气化二 + 匚化学反应+物理、化e 作用图1燃煤亚微米颗粒物形成机理示意图下载原图2控制方法口前国内外对燃煤细微颗粒的捕集技术主要有两种方法:一种是研究高效的除尘 技术进行

9、捕集;另一种是使颗粒凝并长大，然后通过除尘装置捕集。2.1除尘技术使用较为广泛的传统除尘技术主要有静电除尘器，袋式除尘器以及旋风除尘器。静电除尘器具有较长的使用寿命，运行可靠、经济，是煤粉电站中颗粒物捕集的 最普遍的设备，许多电站都装备有高效率静电除尘器。电除尘器在正常运行工况 下除尘效率很高，但是对于亚微米级的颗粒来说，仍有高达15%的颗粒会排入 大气，富集在这些小颗粒上的痕量元素同样无法被捕集而逃离静电除尘装置。布袋除尘方法是脱除颗粒物的有效方法，世界上工业发达国家如美国、日本、澳 大利亚、加拿大以及欧洲的一些国家目前普遍采用袋式除尘器。在燃烧系统中， 袋式除尘器具有与esp相似的全效率（

10、99%）,然而袋式除尘器的除尘效率对于 整个粒径范围内的颗粒更均匀，在控制细微粒上具有较好的性能，可以通过改 变烟气条件，如改变灰的电荷，粘性，化学组分等来提高灰的成桥能力，控制 细微颗粒的排放。但是，袋式除尘器在潮湿条件下容易发生糊袋现象，且需经常 更换布袋。旋风除尘器结构简单、应用范围广、有较大的开发潜力。然而，普通型旋风除尘 器对于5 um以下粉尘的捕集效率很低。如何提高对亚微米颗粒物捕集效率，目 前研究主要集中在以下两点:一是改进结构，减少粉尘的返混和灰斗上部的卷 吸、夹带;二是降低能量损失，减少进口部分的压力损失，改善除尘器内气流的 流动状况。基于以上传统的除尘技术，发展一系列新型高

11、效除尘技术：电袋复合除尘技术、 静电颗粒层除尘器、静电旋风除尘器、静电增强湿式除尘器等宜。这些技术将 静电与其它方式结合，可以有效提高对亚微米颗粒物的捕集，但同时又带来新 的技术难点。如电袋复合除尘技术滤袋的保护问题，静电颗粒层除尘器的清灰问 题，静电旋风除尘器容易出现两种捕集机理的冲突等。2. 2凝并技术在传统除尘器z前加上凝并器，使较小颗粒凝并成较大的颗粒成为燃煤亚微米 颗粒捕集研究的另一个热点。细微颗粒物的凝并技术中，研究较多的主要有电凝 并、声凝并、热凝并和化学凝并。电凝并是通过增加微细顺粒的荷电能力，促进细微颗粒以电泳方式到达飞灰颗 粒表面的数量，从而增加颗粒间的凝并效应。电凝并是提

12、高粉尘团聚的有效方法 2。电凝并理论与实验研究的核心是尽可能地提高微细尘粒的电凝并速度，使 细微颗粒物在较短的时间内尽可能地凝并而增大粒径回。研究结果表明，结合 电凝并技术能够使电除尘器对亚微米颗粒捕集效率大为提高。声凝并方法收集亚微米粉尘是有效的，但是存在能耗高以及噪声危害等问题。热 凝并对于烟尘浓度高，粒径相差较大的颗粒物具有良好的效果，是一种常见的 凝并方式，但该方法由于热团聚过程缓慢，无法有效快速的分离细微粉尘，在 实际工业屮应用较少。化学凝并是指使用固体吸附剂捕获超细颗粒物的除尘方法, 主要通过物理吸附和化学反应相结合的机理来实现的。化学凝的优势是能够有效 捕集亚微米颗粒物，且能够同

13、时脱除多种污染物。通过实验和理论探索细微颗粒物的凝并机理，促使粒子成长可以有效推动我国 燃煤亚微米颗粒物捕集的研究。我国0前大部分电厂使用电除尘器，电凝并的方 式更适于电厂除尘器改造，因此电凝并具有较大的潜力。3总结与展望随着国家环保标准的fl益严格，燃煤电厂亚微米颗粒的控制技术一直是学者们 研究的热点。由于亚微米颗粒采样、分析的困难，对其形成机理仍然缺乏规律的 科学描述，需要进一步对其形成机理进行研究。对于燃烧亚微米颗粒的捕集技术 需要突破传统除尘技术，通过细微颗粒物的凝并技术，促使粒子成长可以有效 推动亚微米颗粒捕集的研究。其屮电凝并更适于电厂除尘器改造，具有较大的潜 力。参考文献1 侯聪

14、，邵龙义，王静，等燃煤排放可吸入颗粒物中微量元素的分布特征j. 煤炭学报，2016, 41 (3) : 760-7682 沈欣军，王仕龙，韩平，等电除尘器内亚微米细颗粒物动态的可视化测试 j浙江大学学报(工学版),2015, 49 (5) : 985-992.4 c. l. senior, l. e. bool iii, s. srinivasachar, et al. pilot seale study of trace clement vaporization and condonseition during combustion of a pulverrized sub-bitumino

15、us coalj. fuel processing technology, 2000, 63:149-165.5 a. fernandez, j. 0. wendt, n. wolski, et al. inhalation hea1th effects of fine particles from the co-combustion of coal and refuse derived fuel j. chemosphere, 2003, 51:1129-1137.6 everett a. sondreal, steven a. benson, j ohn h. pavlish, et al. an overview of air quality iii:mercury,