（环境工程专业论文）基于γfe2o3的燃煤pm10和nox协同脱除促进作用试验研究.pdf

摘要 摘要 可吸入颗粒物 p m i o ) 和n o x 的污染日趋严重，国家己逐步制定政策严格限制其排放：对这两 种污染物的形成和控制技术的研究各受广大科研工作者的关注电站燃煤是其主要污染源。研究表 明，电站和其它排放源飞灰中不同程度地含有大量磁性物质，采用磁分离技术控制燃煤可吸入颗粒 物污染是值得研究的方向；s c r 脱硝是电厂烟气脱硝的主流，催化剂是s c r 脱硝系统的关键，为降 低s c r 催化剂成本，本文试验了一种新的选择性催化脱除方法，在常用催化荆中加入t f e 2 0 ，促 进脱除效果。该课题是国家重点基础研究计划规划项目( 9 7 3 ) “燃烧源可吸入颗粒物的形成与控制 技术基础研究”的子课题“磁场中可吸入颗粒物的动力学特性研究”所研究的内容之一 本文建立了包括燃煤可吸入颗粒物脱除试验系统和s c rd e n 0 嗽试验系统的试验台，对两者的 脱除进行了试验研究，文章利用先进的e l p i 和烟气分析仪对试验结果进行在线测定。在燃煤可吸入 颗粒物脱除试验中，通过改变外加磁场强度、气溶胶流量、格栅排数等条件，分析其对颗粒物脱除 效率的影响，并以此为基础，研究y f e 2 0 3 对燃煤可吸入颗粒物脱除的促进作用，结果表明：增加外 加磁场强度、减小气溶胶流量，增加格栅的排数都可以使颗粒物的脱除效率得以提高，e 2 0 3 磁种 对颗粒物的脱除有明显的促进作用，脱除效率的增幅最大达到1 5 左右。在s c rd e n o x 试验中， 通过改变反应温度、n h 加旧、空速比等条件，分析其对脱除效率的影响，并研究了在各催化荆作用 下，加入t ，f 0 2 0 3 对s c rd e n o x 的促进作用。结果表明：反应温度、n h n o 、空速比等条件对s c r d e n o x 的影响是一个对立统一的结果，t f 旬o ，对s c r d g n o x 有一定的促进作用，但对不同的原始 催化剂其促进效果不一对y a 1 2 0 3 的作用最为明显，最大脱除效率从3 9 6 提升到5 5 2 ，且最佳 温度降低了3 0 。 关键词：燃煤可吸入颗粒物，磁场，卜f e 2 0 ，s c r ，催化剂，脱除效率 些! ! - 坠! ! a b s t r a c t t h ep o l 】u t i o n so fp a r t j c u l a t em a t c e fw j m 神r o d y 腑m i cd i 帅e t e r s 1 0um 口m l o ) a 1 1 d 面埘co x i d e s 州o x ) e r n i s s i o ma 坤伊o w 打1 9m p j d l y t h ef 0 加a t i o nm e c l a n i s ma n dt 1 1 ec o n 仃o lt e c h n j q u e so ft i i et w o c o n t a “n a t i o n sa r eb e j n gp a i dm u c ha t t c n o nb ym o r c 蛳dm o f es c j e n t i 矗cr e s e a r c h e r s t h ec o m b l l s t i o no f f o s s i 】f i l e j sj st h em a i nr e s o 町c eo fa i rp o l l u t i o n l o t so f r e s e a r c h e si i l d i c a t e st i l a in y 船h 丘伽p o w c rp l 鲫t a n do t h e rr e s o u r c e sc o n t a i n sm u c hm a 里m e 虹cm a n e ll t sac o n s i d e r a b i em e t i l o dt oc o n 仃o ip m i oc l i n e d f r o mc o a lc o m b u s t i o nb yh 吼g r a d i e n lm a g r i e t i c & 1 d s c rd e n o ) 【i s 也em o s tp f o f l l i s 堍锄o n gm 越y n u eg 部d e n j 埘行c a t i o nt c c h n o l o 百e s s c rc a t a l ”ti st 1 1 ek e ye l e m c n to fm ew h o l es c rs y s t e m a 呻v e l m e t h o do fs c rd e n o x ，l l s i n g 丫一f e 2 0 3a sp a no ft l i ec g t a l u s t ，i st e s 刚i 芏lt k sp a p e ft op r o m o t et h c d e n o xr e m o v a le m c i e n c y t 1 l i ss u b j e c tw 船i i l c i u d e di nt i l e 9 7 3p r o 伊锄一t h ef o n i l a t i o nt h e o r y a n dc o n t r o lt e c h n i q u e so f p m l of 而mc o m b u s t i o r l at e s t f a c i l l hw h i c hc o n t a bp m l or e m o v a ls y s t e mi nh j g h 掣a d i e n tm a 凹e t i c 丘e l da l l ds c r d e n 0 xs y s t e mw f o u n d e d e l e c 研c a ll o wp r e s s u r ei n l p a c t o r 孤dg a sa n a l y s e rw e r eu s e dt o m e a s u r ct h et e s tr e s u l t s t h ei i l f l u e n c e so fm a 9 1 l e t i cf l i l 】( o fa p p l i e dm a 鲫e t i cf i e l d ，a e r o s o l n u 】【，a n dt h en 啪b e ro ft h er o w so ft l eb a rw e 豫t a k e ni n t 0a c c o u n tw h e nm m 岍i n gm e r e m o v a le 衔c i e r l c y o f p m l o f 1 m h e r m o r e ，t 1 1 e p r o m o t i n ge 仃宅c to f t f e 2 0 3 i | i t l l i se x p 旧m e n t w 笛 t e s t e d n er c s u l t si n d i c a t e s 也a t 埘p r o v i n ga p p l i e dm a g j l e t i cf l u ) 【，d e c r e a s i n ga e r o s o ln u x ， i n c r e a s i n gt h en 啪b e ro fm eb a rw i l li m p r o v e 也er c m o v a le 施c j e n c yo f p m i o t h ep r o m o t i n g e 任to f 丫一f e 2 0 3i sv i s i b l 岛w m l et h er e m o v a le f n c i e n c yo fp m i oi n c r e 越e sb y15 t h e 砌u e n c c so f t e m p e r a n j r e ，t h er a t j oo fn h 3a 们n oa n ds v ，c r et a 工( e ni n t oa c c o u n tw h e l la 1 1 a l y z i i l gt 1 1 ed e n o x e m c i e i l c y ，a n dt h ep r o m o t i n ge 丘b c to f 丫一f e 2 0 3 w a sa l s os 札d i e dw b i l eu s i n gd i f f c r e n t 耐g i t i a lc a 脚y s t s t h er e s u i t si n d i c a t e st h a tt h eh l f l u e n c c so f t c m p e r a n 鹏，m e 哺i oo f n h 3 锄d n oa i l ds vo ns c r d e n o x a r ed j a l e c c j c ，a n dt 1 1 ep r o m o t i n ge c t so fy f e 2 0 3a r eq u ，l ed i 髓r e n tw 孙d i 骶r e ns c rc 削y s i s w h i i eu s i n g7 一a 1 2 0 j 雒m eo r i g i n a lc a t a l y s t ，t h ep r o m o t i 鸭e 虢c to f1 一f e 2 0 3i sm o s tv i s i b l ea n dt h e m a x h a ld e n o xe 伍c i e n c yr i s e sf 曲m3 9 6 t o5 5 2 ，a n dt h ct e m p e r 蚰l r er e d u c e sb y3 0 k e yw o r d s ：p m l oe m j t t e d 疗d mc lc o m b u s t i o f i ，m a 鲈e t i cf i e 地t f e 籼，s c kc a t a 】y 鸡r e m o v e c 币c j e n c y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：丝匿日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：皿导师签名：研究生签名：。二二! = 导师签名： 日期：翌型丝 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我国是能源生产和消耗大国，我国消耗的能源占全球的十分之一，随着我国国民经济的发高速 发展，对能源的需求也进一步加大而由于能源消耗而产生的一系列环境问题已经成为一个日益严 重的社会问题。随着人们环保意识的逐渐增强；国际环保组织和国家主管部门对环保法规和要求的 日趋严格和完善；世界性环境保护活动的开展；我国“可持续发展”经济战略的提出，都是重视环 境问题的体现。进入2 l 世纪，环保问题成了人们关注的热点，正吸引着大量科研单位和相关企业积 极参与到环保事业中。 我国是以煤为主要能源的国家。大量燃煤排放的烟尘和n o x 、s o x 气态污染物，严重污染了大 气环境，直接危害着人类的健康。可以说，燃煤污染已成为制约我国国民经济和社会发展的一个重 要影响因素，迫切需要加快发展适应我国国情的燃煤污染控制技术，解决煤利用面临的环境问题，使 煤在2 1 世纪继续成为我国国民经济和社会发展所需的安全、清洁、廉价的能源。 燃煤污染物分为固态污染物和气态污染物两类。固态污染物即燃煤排放的气颗粒污染物( 空气 动力学直径在0 ，l 一】0 0 p m 之间) ，以t s p 表示，包括粉尘( d u s t ) 、烟( 锄o k e ) 、飞灰( n y 幽h ) 等， 其分布如图l ：】所示，它对人类的健康和生存环境产生直接的危害作用。而在这些悬浮颗粒物中， 空气动力学当量直径小于或等于1 0 u m 的颗粒物叫可吸入颗粒物，以p m l o 表示，它一般在大气中 呈双峰分布( 如图1 2 所示) ，它对人体健康及环境的危害更为严重。这些细颗粒具有较大的比表面 积，通常能富集各种重金属物质( 如a s 、s e 、p d 、c r ) 和队h s ( 多环芳烃类) ，p c d d f s ( 二恶英 困卜l 颗粒物空气动力学直径分布 ( u m ) 类) 等有机物，这些多为致癌和基因毒性诱变物质。美国环境保护协会认为：“燃烧装置中释放出来 的大气污染物最重要的是：有害的有机成分( 比如苯并闭芘) 硫化物，氮氧化物，未燃尽可污染以 及重金属，其中尤其以亚微米量级颗粒存在的悬浮颞粒物以及富集在上面的重金属具有最大的威 胁。 研究表明，空气中可吸入颗粒物的水平与人体健康存在着一定的关系城市空气可吸入性颗粒 物及细颗粒物与医院就诊率、呼吸器官疾病发病率乃至死亡率等诸多不利健康效应之间关系密切“ i 变堕查兰堡主兰垡笙奎 ”，重庆市市区学生平均身高指标较清洁点低8 左右，肺功能指标低1 0 以上，主要原因为可吸入 颗粒物；美国和欧洲研究发现p m l o 在1 0 0 “g ，m 3 时死亡率增加2 4 。另外，可吸入颗粒物对大气能 见度( 如图l 3 ) 、大气光化学烟雾、酸沉降等环境问题也有着极大的影响。在我国城市大气环境污 染中t 罪魁祸首是可吸入颗粒物污染，尤其是空气动力学直径小于2 5 p m 的颗粒物( p m 2 ，) 污染问题 十分严重。 2 5 0 天数 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 围卜2 可吸入颗粒物的尺寸大小及组成 6 0 年代7 0 年代8 0 年代1 9 9 4 年 图卜3 北京市区全年能见度低于4 公里的天数 为了进一步提高大气质量，使人们在健康上更有得益人类已经着手对它进行研究。美国于1 9 9 7 年7 月修订了p m i o 的空气质量标准，同时又制定了p m 25 的空气质量标准，新的标准规定p m i o 的 日均值和年均值不能超过o 1 5 m g m 3 和0 0 5 m g ，脚3 。目前美国正在对颗粒物的污染机理、排放源特征、 化学模拟等方面进行着进步的研究。其它欧美及亚洲国家、澳大利亚等也都已经出台相应的有关 p m j o 、甚至p m 25 的空气质量标准，并在颗粒物的源解析、组成结构、毒物学、病理学、大气输送 过程及空气质量模型等方面做出了很多的工作。我国从7 0 年代开始致力于大气颗粒物污染防治工 作，并制了t s p 的环境空气质量标准：1 9 9 6 年颁布的g b 3 0 9 5 1 9 9 6 中提出的p m l o 二级标准为日均 值o 1 5 m g m ，年均值o 1 0m g m ；2 0 0 0 年6 月1 日，我国正式将可吸入颗粒物污染指标作为大气 环境质量日报的主要评价指标。 随着人们对可吸入颗粒物认识的进一步加深对燃烧源颗粒物的产生和脱除的机理的研究也正 如火如荼的进行。美国环保署和美国能源部已经组织相关的单位和部门对此进行研究。目前，已 经开发出旋风除尘器、湿式除尘器、电除尘器、布袋除尘器、和颗粒层除尘器等一大批除尘设备， 2 墨二雯堕堡 这些设备基本上是基于重力沉积和惯性沉积的原理，对细小的p m 2 ，尤其是小于l 邶1 的颗粒物的 脱除效率不是很高。 表1 1欧洲新的环境空气质量标准p m l o m 表1 ，2 部分国家的空气质量标准及其长远规划【3 l 气态污染物主要是燃煤排放的n o x 、s 0 2 两类污染气体。对s 0 2 的治理，已经研制开发出湿法 脱硫、循环流化床烟气脱硫以及精洗选煤等多种行之有效的燃煤脱硫技术，s 0 2 脱除技术已日趋成 熟。而n o x 排放量仍持续快速增长( 见表1 3 ) ，按照目前的排放水平，随着火电机组装机容量逐年 增加，特别是大容量高参数的3 0 0 m w 以上机组成为电力工业的主力机组，预计到2 们5 2 0 2 0 年， n o x 排放总量将超过s 0 2 成为电力行业第一大酸性污染气体i ”。 表1 3 我国燃煤电站n 0 x 的排放量同 氮氧化物主要有n o ，n 。2 、n 2 伤、n 2 0 4 、n 2 0 5 等，但在燃烧过程中生成的氮氧化物几乎全是 n o 、n 0 2 。这是造成大气污染的主要物质。在典型的燃煤烟气中n o 占整个n 0 x 的9 5 ，其余为 n 0 2 。n o x 主要由车辆发动机和工业燃烧过程产生。 n o x 是产生酸雨、光化学烟雾及相关环境破坏的重要因素州，酸雨对土壤生产力、农作物、森 林、内陆湖泊、建筑物等造成危害；n o x 能诱发许多人体疾病，对人类健康特别是对儿童生长发育 造成极大危害；n o x 与大气中碳氢化合物在太阳光照射下，相互作用，产生臭氧和光化学烟雾，当 化学烟雾浓度( 以臭氧浓度计) 为( 0 2 0 6 ) 1 0 4 时人接触3 小时后，视力会下降：浓度为( 1 2 ) 1 0 4 ， 人接触2 小时，就会感到头痛、胸痛，肺活量减小，从而慢性中毒。若浓度达5 0 1 0 r 6 时，人接触l 小时内，就可能死亡。典型事例便是列为世界十大环境污染事故的1 9 5 2 年美国洛杉矶光化学烟雾事 件。该事件致使大批居民发生眼睛红肿、喉痛咳嗽、皮肤潮红等症状，严重者心肺功能衰竭。有4 0 0 余名6 5 岁以上老人因此死亡。此外化学烟雾对生态系统，农作物等也产生极其严重的危害。 3 东南大学硕士学位论文 表1 4 不同浓度的h 0 ：对人体健康的影响 浓度( p p m ) 影响 1 0 闻到臭味 5 o 闻到根强烈的臭味 1 0 1 5 眼、鼻、呼吸道受到强烈刺激 5 0 1 分钟内人体呼吸异常鼻受到刺激 8 0 3 5 分钟内引起胸痛 1 0 0 - 1 5 0 入在3 0 一6 0 分钟就会园肺水肿死亡 2 0 以上 人瞬间死亡 随着世界各国工业的发展。人类向大气中排放的n 0 也在逐年增多，全世界每年排入大气中的 n o x 总量达5 0 0 0 万t 以上。1 9 9 0 年，我国向大气排放的氮氧化物达8 5 0 万t 。在人类排放的n 0 。中 燃料高温燃烧产生的占9 0 以上，据统计，我国1 9 9 8 年与能源消耗相关部门的n o x 排放量为1 1 1 8 x i o o 吨，其中电力部门排放4 2 3 x 1 0 6 吨占3 7 9 ；工业部门排放4 5 9 1 0 6 吨，占4 1 o ；交 通运输排放1 4 5x1 0 6 吨，占1 3 0 【7 l 。我国是煤炭生产大国，年产煤量居世界第一。煤炭在我国电 力工业中占有举足轻重的地位。1 9 9 4 年，全国发电量o 9 1 d ”k w h 其中火力发电占8 0 ，耗煤约 4 0 0 m t 。而每燃烧“煤就产生约8 9 蚝氮氧化物。故电厂燃烧锅炉是我国大气污染的主要污染源之 一，也是氮氧化物污染的主要污染源之一。 氮氧化物的危害已越来越受到人们的关注，治理氮氧化物污染已是大势所趋，为缓解n o x 的污 染，世界各国都根据自己能源结构、技术状况对电厂n o x 排放制定了严格规定：日本n o x 国家排 放标准为新建大型燃气、燃油和燃煤电站限值为6 0 ，1 3 0 和2 0 0 p p m 而地方政府为了满足国家空气 质量标准，将排放限值分别下调至1 5 ，3 0 和6 0p p m ，燃气轮机排放限值要求低于5p p m ：欧洲新建 大型燃气、燃油和燃煤电站的n o x 排放限值分别为3 0 5 0 ，5 5 7 5 和5 0 1 0 0p p m ，燃气轮机为2 5p p m ( 1 5 0 2 ，干基) ；美国臭氧可接纳地区要求使用b a c t 技术臭氧不可接纳地区要求使用l a e r 技术，并且要求在2 0 0 3 年臭氧季节( 5 月9 月) 达到1 0 0 p p m 的排放要求【s j ：1 9 9 7 年1 2 月3 日至5 日，中国能源研究会在北京召开北京能源与环境研讨会，中国能源研究会理事长黄毅诚在总结报告 中提出：今后，北京已建成的燃煤电厂均要建脱硫脱氮装置。我国在g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 火电厂大 气污染物排放标准中对燃煤锅炉的氮氧化物的排放提出了具体的限制，2 0 0 4 年1 月1 日起执行新 的火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) ( 表1 5 ) 。严格控制n o x 的排放。 鉴于此，n o x 的脱除是大势所趋，但相对而言，对n 0 x 的脱除，虽然有一些吸收催化净化等方 法，包括旨在改善燃烧性能，降低燃烧温度，从而降低n o x 摊放的高温催化燃烧技术和催化后处理技 术i l ，但由于对其的研究起步较晚，至今还未真正解决。因此，寻求新型的n o x 脱除技术，提高其脱 除效率是势在必行的。也是我们所面临的迫切而严峻的课题i l ”。继脱硫技术之后，n o x 的脱除已成 为空气污染防治的热点问题之一 电厂脱硝技术包括燃烧过程脱硝和烟气脱硝。燃烧过程脱硝是通过控制燃烧条件减少燃烧过程 中n o x 的生成和排放量，采用的技术手段包括低n o x 燃烧器( l n b ) 、空气分级燃烧、燃料分级 燃烧、烟气循环、水或蒸汽喷射等而烟气脱硝是通过技术手段减少生成的n o x 的排放，采用的技 术手段主要包括选择性催化还原( s c r ) 和选择性非催化还原( s n c r ) 等”2 ，“。由于燃烧过程脱硝 技术脱硝效率不高，无法满足发达国家严格的排放标准，而且会引起锅炉的燃烧效率下降、受热面 腐蚀等问题所以在国外广泛采用的是烟气脱硝技术燃烧过程脱硝技术只是作为烟气脱硝技术的 有益补充。而s c r 技术由于其具有脱硝效率高、选择性好、运行稳定可靠等优点。已作为主要的烟 4 第一章绪论 气脱硝技术，s c r 脱硝装置已成为许多国家电厂的必需装备。 表1 5 火电厂大气污染排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 【9 】 一一火力发电锅炉及燃气轮机组氨氧化物最商允许排放浓度( m g ) 如前所述s c r 法烟气脱硝具有效率高，选择性好，运行稳定可靠等优点，但s c r 法烟气脱硝 技术成本较高，是限制其发展的一大障碍。在s c r 系统中s c r 催化剂是关键，其成本在s c r 工 艺中占有相当比例。因此，本文探索了一种新的s c r 试验方法，试图从催化剂的角度降低s c r 成 本。 综上所述可吸入颗粒物和氮氧化物的脱除是目前科研领域的研究热点，也是大气环保中的重 点和难点。近年来，随着各种脱除可吸入颗粒物和氮氧化物工艺技术水平的不断改善与提高，再加 上不断严格的环境排放标准各神方法也正广泛地应用到生产实际中。但对细小的p m 2 5 。尤其是 小于1um 的颗粒物的脱除效率不是很高；对n o x 的脱除，催化还原和催化分解法是应用得最多的， 而这些方法的关键是开发活性好，选择性高，稳定性好，耐毒能力强的催化剂，这方面已有许多的 深入研究，但与实际要求仍有较大距离。寻找新的催化材料，探索新的催化方法是目前极具前景和 挑战的工作。 本文所研究的内容是国家重点基础研究计划规划项目( 9 7 3 ) “燃烧源可吸入颗粒物的形成与控 制技术基础研究”的子课题“磁场中可吸入颗粒物的动力学特性研究”所研究的内容之一 1 2 本文研究的内容 本文对燃煤产生的可吸入颗粒物和n o x 两种主要污染物的脱除进行了研究，将两者的脱除协同 起来选取中介物质t f e 2 0 3 分别对两种污染物的脱除提出一种新的试验方法。 具体研究内容如下： 一、燃煤可吸入颗粒物脱除： 1 选取符合试验所需的磁性可吸入颗粒物、燃煤飞灰等试验材料： 2 在高梯度磁场下对纯磁性可吸入颗粒物的脱除效率进行研究，试验中通过改变外加磁场强 度、气溶胶流量、格棚排数目等条件，确定各工况下颗粒物脱除的分级效率和全效率； 3 在高梯度磁场下对燃煤可吸入颗粒物的脱除效率进行研究。试验中通过改变外加磁场强度、 气溶胶流量等条件，确定各工况下燃煤可吸入颗粒物脱除的效率； 4 将燃煤可吸入颗粒物中掺混y f e 2 岛，在高梯度磁场下，改变工况，研究t f 0 2 0 3 对燃煤可 吸入颗粒物脱除的促进作用。 二、n o x 的脱除 东南大学硕士学位论文 l 选取试验所需的s c r 催化剂； 2 分别对v 2 0 5 门n 0 2 和单金属氧化物催化剂的活性进行试验测试，试验中通过改变反应温度、 n h 加j o 、空速比等条件，研究在不同工况下n 0 x 的脱除效率； 3 通入y f e 2 0 3 ，研究其对s c r 反应的促进作用。 1 3 本章小结 本章介绍了我国大气中可吸入颗粒物及氮氧化物的污染现状分析了两者对环境及人类的影响 和危害及控制两者对我国国民经济和人民生活的重要意义，并介绍了脱除可吸入颗粒物和氮氧化物 的技术现状。简要介绍了本文的主要工作内容。 6 第一章绪论 参考文献 1 黄鹂呜，王格慧，王荟等南京市空气中颓粒物p j i m 胤s 污染水平，中国环境科学，2 0 0 2 ，2 2 ( 4 ) ：3 3 4 3 3 7 【2 k o c hm a i r e b o m ef m ep a n i c u l a t e si nm ee n v i r o n m e n t ：ar e v j e wo f h e a 胁e 丘如ts t i l d i e s ，m o n i t o r i n g d a 诅如de m i s s i o n i n v 锄t o r i e s 【r 】l a ) e n g u 唱a u s 仃i a ：i 认s a 2 0 0 0 3 l c s i e yl s l o s s ，l r e n ems m i l h p m l 0a l l dp m 2 5 ：卸i n t e m a t i o 眦lp e r s p e c t i v e 明f u e ip r o c e s s i n g t e c h n 0 1 0 9 y ，2 0 0 0 ，6 5 6 6 ：1 2 7 1 4 1 4 吕建焱，李定凯可吸入颗粒物研究现状及发展综述【j 】环境保护科学，2 0 0 5 ，3 l ( 2 ) ；扣8 5 中国电力投资集团公司，中国燃煤电站脱硫与脱硝技术现状与发展，中国科协2 0 0 4 年学术年会 电力分会场暨中国电机工程学会2 0 0 4 年会论文集，海南，2 0 0 4 ，p 2 6 0 2 6 4 6 c a r lr ，b o z z u t o ，r o b e nj ，m o a r 吼e n e r g ye n 西n e e r i n g ，1 9 9 4 ，9 l ：4 7 郝吉明，马广大主编大气污染控制工程，高等教育出版社2 0 0 2 年2 月第二版 8 p i of o r z a np r e 卵ms t a t l i sa n dp e r s p e “v e si nd e n o xs c rc a 协l y s i s ，a p p l 埘c 剁y s j sa ：g e n e f a i 2 2 2 ( 2 0 0 1 ) 2 2 l 2 3 6 9 】火电厂大气污染排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 【l o 】v i c t o rs c h e r e r ，m a n i nf o w l e s c o m b u s t i o n 吼d f l 锄e ， 1 9 9 5 ，1 0 l ：8 1 9 0 11 张琳张秀玲，代斌等催化脱除大气污染物n 0 x 研究进展，低温与特气，2 0 0 0 ，1 8 ( 4 ) ；7 l o 1 2 0 u i d ob u s c a ，l u c al i e 砸g i a r i g u i d o 黜衄j s ，f r a n c e s c ob e n i 。c h e m i c a l 锄dm e c h 矾i s 娃c 唧e c t s o ft h es e l e c t i v ec a t a l ”i cr e d u c o no fn 0 xb y 觚m o n i ao v c ro x i d ec a 主a l y g t s ：ar e v e w ， a p p l i e d c a t a l y s i sb ；e n v 的舳e n t a l l 8 ( 1 9 9 8 ) ：1 - 3 6 1 3 m i r o s l a vr a d o j “i c ，r e d u c t i o no f n n f o g e n 嘶d e s mn u eg a s p l e n v 的咖e n 诅ip o i o n ，1 9 9 8 ， 1 0 2 ( s 1 ) ： 6 8 5 6 8 9 【1 4 】a l i v i s a t o sap s c i e n c e ，19 9 6 ，2 17 ：9 3 3 9 3 7 【1 5 】宋海燕，杨平，华南平等催化学报，2 0 0 3 ，2 4 ( 5 ) ：3 7 4 3 7 s ( 1 6 1 滕加伟，宋庆英，于岚低温脱除n o x 催化剂的开发，工业催化，2 0 0 3 ，1 l ( 1 2 ) ：2 9 3 2 【1 7 】c h g o o d i n g 气体流中微细颗粒的高梯度磁性过虑技术国外环境科学技术，1 9 8 4 ( 2 ) 7 东南大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 可吸入颗粒物的一般特性 颗粒物是指大气气溶胶体系中的固相或液相粒子，大气气溶胶是悬浮着固体和液体粒子的大气 系统的一种名称，即气溶胶是固体或液液体微粒分散在空气中所形成的悬浮体系。这些微粒的动力 学当量直径一般为0 0 0 2 1 0 0 “m 。人们日常直观所能感觉到的大气污染，晟为明显的现象之一莫过 于能见度的降低，这主要就是由大气气溶胶粒子的光散射造成的。也有人将大气气溶胶体系中分散 的各种粒子称为大气颗粒物( p a n i c u l a t em a 挝e r ) 。 大气气溶胶的形成、迁移、转化和清除过程及物理化学性质均与其粒径有着直接的关系。大气 气溶胶的物理性质由粒子的大小、形状、何比重等来决定，但主要的物理性质取决于粒径。根据粒 径大小，大气气溶胶可分为总悬浮颗车立物和可吸入颗粒物。我国的环境空气质量标准( g b 3 d 9 5 一1 9 9 6 ) 中定义：悬浮颗粒物为能悬浮在空气中，空气动力学当量直径1 0 0 脚的颗粒物，用t s p 表示；可吸入颗粒物为悬浮在空气中，空气动力学当量直径1 0 岬的颗粒物。用p m l o 表示，其中 空气动力学当量直径2 5 岬l 的颗粒物，用p m 25 表示。可吸入颗粒物是大气气溶胶中对人体健康危 害最大的一类，而p m 25 由于其具有更大环境活性且不易被鼻腔阻隔，对人体的危害更大p m 25 又称为可入肺颗粒，能够进入人体的肺泡甚至血液系统中去，直接导致心血管等疾病。哈佛大学的 一项研究证实p m 25 与死亡率之间的相关性明显高于p m l o o 研究还表明，p m 25 在大气中停留的时间 为7 3 0 天，可以远距离输送造成大范围的污染l l 。“j 。鉴于此，世界各国陆续颁布了一系列法律、 法规，并制定空气质量排放标准，用于控制可吸入颗粒物的污染。 燃烧过程直接产生的一次颗粒物可分为细颗粒物和租颗粒物。粗颗粒物( 粒径大于6 m ) 主要 由破碎过程直接产生：细颗粒物通常由汽化一凝结机理形成。粗颗粒主要是矿物质，可以通过机械 过程予以脱除。但是细颗粒物，如p m i o 和p m 25 等，很容易穿过除尘设备。对大多数的电站，经 过高效静电除尘器和布袋除尘器的除尘后排放的主要是p m l o ，大多数颗粒粒径更小，只有p m 3 ， p m i 左右。因此，研究细微颗粒p m l o ，p m 25 的脱除更有意义l ，“卅。 2 1 1 可吸入颗粒物来源 按照产生机理，可吸入颗粒物的形成方式有三种：直接以固态形式排出的一次颗粒；在高温状 态下以气态形式排出、在烟羽的稀释和冷却过程中凝结成固态的一次可凝结颗粒；由气态前体污染 物，例如有机物、硫化物、n o x 和n h 3 等，通过大气化学反应而生成的二次颗粒。 从活动来源角度，可吸入颗粒物的来源可以分为天然源和人为源。天然源包括地面扬尘、海洋 溅山的浪洙和盐粒、火山爆发所释放出来的火山灰、森林火灾的燃烧物、宇宙陨星尘以及植物的花 粉、孢子等。人为源主要是燃料燃烧过程中形成的烟尘、飞灰等各种工业生产所散发出来的原料 或产品微利以及矿物燃料燃烧所排放出来的s 0 2 在一定条件下转化成的硫酸盐粒子等。 p m 25 的形成方式有三种：直接以固态形式排出的一次粒子；在高温状态下以气态形式排出、在 烟羽的稀释和冷却过程中凝结成固态的一次可凝结粒子；由气态前体污染物通过大气化学反应而生 成的二次粒子。p m 25 中的一次粒子主要产生于化石燃料( 主要是石油和煤炭) 和生物质的燃烧，但 8 第二章文献综述 在些地区某些工业过程也能产生大量的一次p m 25 。一次粒子的源包括从铺装路面扬起的无组织排 放以及矿物质的加工和精练过程等其它的一些源对环境p m 25 的贡献则相对较小。可凝结粒子主 要由可在环境温度凝结而形成颗粒物的半挥发性有机物组成。二次p m 25 由多相( 气一粒) 化学反 应而形成，瞽通的气态污染物通过该反应可转化为极细小的粒子。在大多数地区，硫( s ) 和氮( n ) 为所观察到的二次p m 25 的主要组分。而二次有机气溶胶在一些地区也可能是重要的组成部分。嗍 2 1 2 可吸入颗粒物的理化性质 可吸入颗粒物的物理性质由粒子的大小，形状和比重等来决定。但主要的物理性质取决于粒径。 空气动力学当量直径l o u m 的颗粒物，在标准状态下，其沉降速度可达到2 4 c f i l ，s ；半径为3 p m 的 颗粒，沉降速度就要小一个数量级，为o 2 1 6 c r n ，s ；半径为o 1um 的颗粒。沉降速度仅为2 4 t n ，s 。 可吸入颗粒物之间不断地发生相互作用，包括物理作用和化学作用，并与周围的气体也会相互作用。 由于这些作用，使某一群颗粒物的粒径谱分布在不断的变化：如果所有的颗粒物全部是可挥发的， 则最小的粒子由于具有最大的表比面，因而挥发速度最大；当粒子闻产生凝并增长时，最小的颗粒 物具有最大的相对增长率。因此，在一群颗粒物中小颗粒部分变化最快；同时大颗粒部分也发生 变化，大颗粒的变化主要是由于沉降消失和惯性消失而致。 研究表明，颗粒尺寸是表征可吸入颗粒物行为屉重要的的参数，颗粒物的全部性质都与粒径有 关而菜些性质则非常强烈的依赖于颗粒尺寸，因此粒径分布成为最基本的研究课题，现已明确可 吸入颗粒物的粒径分布近似对数分布，微风质量图呈现的是多峰型多模结构，般有3 个峰3 个模 态：粒径大干2u m 为粗粒子，粒径小于o 1u m 为爱根核模，粒径在0 1 2 p m 之间为积聚态模 爱根核模和积聚态模合起来为细粒子。积分质量图呈现的是几段直线。表明有几个不同的来源。 可吸入颗粒物的化学性质主要研究化学成分，其化学成分随粒径的变化大多符合对数正态分布。 主要的化学成分可分为：可溶性成分( 大多数为无机离子) 。有机成分，微量元索，碳元素等四大类。 粗粒子主要是壤及污染源排放出来的尘粒，大多是一次颗粒物。这种粗粒子主要由s i 、f e 、a 1 、 n a 、c a 、m g 等3 0 余种元素组成。细粒子主要是硫酸盐、硝酸盐、铵盐、痕量金属和炭黑等。有机 颗粒物己检测到的主要有烷烃、烯烃、芳烃和多环芳烃等烃类，另外还有少量的亚硝胺，杂氮环化 物、酚类和有机酸等 ，j 。有机颗粒物的粒径一般都较小，多数分布在o 1 5pm 的范围内，其中有 5 5 7 0 的粒子集中于空气动力学当量直径电um 范围。从化学组成来看，有许多对人体有致癌， 危害的物质，如多环芳烃和亚硝胺类化合物等，它们的7 0 一9 0 是分布在空气动力学当量直径q ，5 um 的范围内，脂肪烃和核酸等也有8 0 一9 0 分布在空气动力学当量直径 c 。 第四章基予y f e a 的燃煤可吸入颗粒物脱除试验研究 * 臀 巅 钠 磁场强度t 图4 8 磁场强度对脱除效率的影响 4 2 2 气溶胶流量对燃煤p m l o 脱除效率的影响 试验采用4 排铁丝格栅，在外加磁场的磁通密度风= 0 2 2 5 t ，室温条件下，考查不同气溶胶流 量对燃煤可吸入颗粒物在高梯度场中脱除效率的影响。 3 6 3 2 2 8 芝2 4 替 梗2 0 翻 1 6 1 2 8 o oo 2o 4 o 6 o 8 气溶胶流量( m 3 h ) 图4 9 气洛胶流量对脱除效率的影响 图4 9 反映的是气溶胶流量和三种烟煤燃烧后可吸入颗粒物脱除效率的关系。从图中可以看出， 气溶胶流量较小时，颗粒在磁场中作用时间较长，此时颗粒物的脱除效率较大：气溶胶流量较大时， 颗粒在磁场中作用时间较短，与此同时。气流的夹带作用也增强，此时颗粒物的脱除效率随之减小。 如图所示，气溶胶流量从o 4 0 5 m 3 ，h 增加到o 9 0 m 弧对，颗粒物的脱除效率降低了1 5 ，较低的气 溶胶流量有利于可吸入颗粒物的脱除。 东南大学硕士学位论文 4 3 丫一f e 2 0 3 对燃煤p m i o 脱除促进试验研究 铁是组成燃煤可吸入颗粒物的重要元素，因丽其可以在磁场中被磁化l ，”，被磁化的粒子在磁偶 极子力和外磁场等作用下发生碰撞聚并，从而使粒子长大，便于常规除尘装置的直接脱除，上述试 验正是基于此原理。然而，由于燃煤可吸入颗粒物的磁性较弱，直接采用外加磁场聚并脱除的效率 较低( 从上述试验可看出) 。 由于强磁性磁种与飞灰粒子的磁相互作用力远大于飞灰粒子间的磁相互作用力，可以添加磁性颗 粒物，利用磁性与非磁性颗粒在磁场中运动的明显差异，增大颗粒物的碰撞与结合的几率，以便得到尺寸 更大的颗粒团，便于进一步的脱除，提高效率。因此，本试验试图通过在燃煤可吸入颗粒物中加入磁 性磁种1 f 0 2 0 3 ，从而提高其脱除效率，这是试验研究的重点。 试验选用东胜烟煤( a ) 、大同烟煤( b ) 燃烧产生的飞灰作为燃煤可吸入颗粒物样品，选用t f e 2 0 3 作为磁种，其饱和磁化强度明显高于两种飞灰样品。在高梯度磁场下进行促进试验的研究。 4 ，3 1y f e ：o 。对分级效率的促进试验研究 粒子间磁偶极子相互作用力与其体积成正比，因而，飞灰粒子间磁偶极子力以及磁种粒子问磁 偶极子力都是随粒径的增大而增加。由于磁种的磁化强度远高于飞灰粒子。因而磁种与飞灰粒子间 磁偶极子力对飞灰粒径的变化很小聚并系数和粒子数目浓度是影响粒子聚并的主要因素。粒子同 磁偶极子力越大，聚并系数越大，脱除效率也越高。所以，飞灰粒子间聚并系数和磁种粒子间聚并 系数随飞灰和磁种粒径的增大而增大。 5 0 * 4 0 ； 簌 凿 餐3 0 2 0 o l23456789 颗粒直径，p 推 圈4 1ot f e 2 0 3 对分级效率促进作用 试验采用4 排铁丝格栅，外加磁场强度口尹0 4 4 t 、颗粒物初始质量浓度c = o 9 6 9 m 4 、磁种与飞 灰质量比月= o 0 1 3 、气溶胶流量矿= 2 3 5 m 。 如图4 一l o ，样品a 和b 在加了t f e 2 0 ，磁种后脱除效率有明显的提高，脱除效率的增幅最大达 到1 5 左右。在磁种和颗粒物的共同作用影响之下，大粒径和小粒径颗粒物的脱除效率高于中间粒 径的脱除效率。由于样品a 的磁化强度高于样品b 的磁化强度，在相同条件下样品a 的聚并系数大 于样品b 的聚并系数使得东胜煤灰的脱除效率高于大同煤灰的脱除效率。 4 2 第四章基于y - f e ，0 ，的燃煤可吸入颗粒物脱除试验研究 4 3 2 不同条件下y f e ：o 。对脱除效率促进作用研究 影响y f e 2 0 3 对燃煤可吸入颗粒物脱除促进试验的条件和因素有外加磁场强度、气溶胶流量、格 栅排数、磁种与飞灰质量比等。试验中证明，气溶胶流量、格栅排数条件的变化对脱除效率的影响 规律与前面试验基本一致，不再累述。试验主要考虑外加磁场强度、磁种与飞灰质量比的变化对脱 除效率的影响。 5 0 4 0 z3 0 瞬 嘲2 0 1 0 0 o 4o 6o 81 o 磁化强度t 图4 1 1 外加磁场强度对脱除效率的影响 如图4 1 l 所示。在加入y f e 2 0 3 后，燃煤可吸入颗粒物的脱除效率随着外加磁场强度的增强， 粒子的磁化强度增大，粒子间作用力增大，颗粒物脱除的全效率得到提高，且增加的趋势逐渐减缓一 在粒子达到饱和磁化后，脱除效率不再随磁感应强度的增强而增大，总脱除效率达到最大值。在加 入y f c 2 0 3 后，样品a 的饱和磁化强度同样高于样品b 的饱和磁化强度，因此，样品a 的脱除效率明 显高于样品b 的脱除效率。 磁种与飞灰质量比是影响促进作用最为重要的因素，丫f e 2 0 3 的添加量直接影响着磁种聚并脱除