高灰熔點(diǎn)煤燃燒細(xì)微顆粒物生成及控制實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、燃煤顆粒物是大氣可吸入顆粒物的重要來源之一，危害人體健康?；茨鲜俏覈?guó)重要的能源電力基地之一，淮南煤作為高灰熔點(diǎn)煤的典型代表，深入研究其礦物分布特征及其在燃燒過程中的轉(zhuǎn)化行為，探討配煤、添加劑對(duì)淮南煤燃燒細(xì)微顆粒物生成的影響，對(duì)于研究高灰熔點(diǎn)煤燃燒細(xì)微顆粒物生成及排放控制具有重要意義。
　　本文利用計(jì)算機(jī)控制掃描電鏡(CCSEM)分析了高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）的礦物種類、含量、粒度分布，并對(duì)內(nèi)在礦物和外在礦物進(jìn)行了區(qū)分;在滴管爐中分別進(jìn)

2、行了高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）單煤燃燒、與低灰熔點(diǎn)煤配煤燃燒、淮南煤與添加劑的混合燃燒實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生的細(xì)微顆粒物用低壓撞擊器(LPI)進(jìn)行收集，采用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM-EDS）、CCSEM、掃描電子顯微鏡(SEM-EDS)、X射線熒光光譜（XRF）等對(duì)收集的細(xì)微顆粒物進(jìn)行分析，考查了高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）單一燃燒無機(jī)礦物向細(xì)微顆粒物的轉(zhuǎn)化行為，分別探討了低灰熔點(diǎn)煤配煤、添加劑對(duì)高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）燃燒細(xì)微顆粒物生成的影響;最后，利用

3、合并-破碎模型，對(duì)高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）與添加劑混合燃燒細(xì)微顆粒物的粒度分布和化學(xué)組成進(jìn)行了模擬計(jì)算。主要內(nèi)容如下:
　　高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）中礦物主要由高嶺石、石英、蒙脫石、未知礦物（成分更為復(fù)雜的硅鋁酸鹽礦物）組成，粘土礦物和石英約占到礦物總量的85％以上，其灰熔融溫度大于1500℃?；茨厦褐袃?nèi)在高嶺石和外在高嶺石含量接近，內(nèi)在石英和外在石英含量也接近;選用的配煤HT煤中高嶺石、石英含量相對(duì)較少，高嶺石和石英約占到礦物總量的60

4、％，而方解石、白云石和黃鐵礦含量較高，約占到礦物總量的21％，其灰熔融溫度在1278℃左右。礦物顆粒的粒度對(duì)燃煤細(xì)微顆粒物的形成有重要的影響?；茨蟌J、XQ煤與低灰熔點(diǎn)煤HT煤中＜1.0μm的外在礦物含量分別約為5.95％、2.00％、1.86％;淮南ZJ、XQ煤與HT煤中1.0μm-2.5μm的外在礦物含量分別約為15.09％、5.52％、4.44％;淮南ZJ、XQ煤與低灰熔點(diǎn)煤HT煤中＜1.0μm的內(nèi)在礦物含量分別約為3.67％、5

5、.79％、6.20％;淮南ZJ、XQ煤與HT煤中1.0μm-2.5μm的內(nèi)在礦物含量分別約為13.86％、14.52％、17.29％，礦物顆粒粒度分布的差異進(jìn)一步表明了煤中不同的礦物分布特征。
　　高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）單一燃燒排放的細(xì)微顆粒物有一個(gè)雙峰分布，大約分別在0.05μm和2.5μm。高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）單一燃燒排放的PM1和PM2.5濃度均高于外地HT煤燃燒排放的PM1和PM2.5濃度，其中淮南ZJ煤燃燒排放的PM1和P

6、M2.5濃度最高，這與淮南ZJ煤中＜1.0μm和1.0μm-2.5μm的外在礦物顆粒含量最高有關(guān)，一部分細(xì)小外在礦物在燃燒過程中可直接轉(zhuǎn)化形成細(xì)微顆粒物。高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）燃燒產(chǎn)生的PM1有兩種典型的礦物學(xué)形態(tài)，一是大約由20nm的基本粒子分形聚合形成的粒徑≤1.0μm的顆粒，富含易揮發(fā)性的元素包括S，P，堿金屬元素和少量的難揮發(fā)性的元素Si，F(xiàn)e，由蒸發(fā)-冷凝形成;另一種是粒徑大約在0.1-0.2μm軟化的含Si，Al的單顆粒，由淮

7、南煤中＜1.0μm硅鋁酸鹽礦物顆粒在燃燒過程中熔融自由釋放形成。同樣，高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）中一部分1.0μm-2.5μm不純凈的硅鋁酸鹽礦物也熔融轉(zhuǎn)化形成PM1-2.5。HT煤富含Ca和Fe，灰熔點(diǎn)較低，在燃燒過程中礦物間的融合降低了PM1和PM2.5的生成。
　　與低灰熔點(diǎn)煤配煤燃燒能減少高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）PM1和PM2.5的生成。S，P，Si和Al從亞微米級(jí)顆粒轉(zhuǎn)化到PM1+，減少了PM1排放。Ca、Fe、Al和Si從PM1

8、-2.5轉(zhuǎn)化到PM2.5+，減少了PM1-2.5排放。由于Ca和Fe在混煤中濃度較高，在燃燒過程中產(chǎn)生液相量增加，揮發(fā)的S，P更容易粘附到鋁硅酸鹽的粘性表面，形成超微米顆粒物，減少了PM1生成;液相量的增加，礦物顆粒在燃燒過程中碰撞熔融合并的幾率增大，亞微米或微米顆粒的熔融合并生成粗顆粒的鈣鋁硅酸鹽、鐵鋁硅酸鹽和鈣鐵鋁硅酸鹽，這樣Ca、Fe、Al和Si元素從PM2.5轉(zhuǎn)化到PM2.5+，相應(yīng)PM1和PM1-2.5排放減少。
　　添

9、加Ca基，Mg基，F(xiàn)e基添加劑均能有效減少高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）煤PM1和PM2.5的生成。高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）與添加劑混合燃燒，導(dǎo)致礦物高溫下熔融產(chǎn)生的液相量增加。在燃燒過程中，高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）中細(xì)小的Al-Si顆粒分別與添加的Ca基，Mg基，F(xiàn)e基添加劑發(fā)生了反應(yīng)，熔融形成相應(yīng)的鈣鋁硅酸鹽、鎂鋁硅酸鹽和鐵鋁硅酸鹽粗顆粒;同時(shí)，熔融的鈣鋁硅酸鹽、鎂鋁硅酸鹽和鐵鋁硅酸鹽的顆粒，能捕獲蒸發(fā)和冷凝形成的亞微米顆粒物，控制和減少了PM1和P

10、M1-2.5的生成。高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）與添加劑混合燃燒顯著影響了細(xì)微顆粒物的粒度分布。SiO2和Al2O3有一個(gè)單峰分布，可能由煤中難揮發(fā)性元素直接轉(zhuǎn)化形成，固體-顆粒的模式控制著它們的轉(zhuǎn)化。CaO在PM1中含量很低，表明Ca的蒸發(fā)很少，CaO主要與硅鋁酸鹽反應(yīng)熔融進(jìn)入PM1+;而MgO和Fe2O3呈現(xiàn)多峰分布，說明Fe元素的蒸發(fā)同Ca元素相比更高。Fe2O3的轉(zhuǎn)化由兩個(gè)模式控制，一部分與鋁硅酸鹽反應(yīng)熔融進(jìn)入PM1+，一部分經(jīng)過蒸發(fā)、

11、冷凝進(jìn)入PM1。對(duì)于Mg元素，其存在PM1的原因可能是其蒸氣吸附在亞微米顆粒上。
　　基于高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）原煤、高灰熔點(diǎn)煤與添加劑混合樣、以及燃燒產(chǎn)生細(xì)微顆粒物的CCSEM分析數(shù)據(jù)，利用合并-破碎模型，對(duì)高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）與添加劑混合燃燒細(xì)微顆粒物的粒度分布和化學(xué)組成進(jìn)行了模擬計(jì)算。預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性表明:由于添加劑與高灰熔點(diǎn)煤（淮南煤）混合燃燒，導(dǎo)致礦物高溫下熔融產(chǎn)生的液相量增加，內(nèi)在礦物的平均合并率也呈增加的趨