（环境工程专业论文）新型干式微孔过滤除尘器控制黑烟污染的实验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 我国是目前世界以煤为主要能源的国家之一，工业燃煤陶瓷窑炉在煤的燃烧 过程中会产生大量的黑烟。黑烟的主要成分是炭黑，造成了严重的大气污染。炭 黑粒径较小，并具有疏水性的表面。由于炭黑的特殊性质，传统的烟尘治理技术 难以有效去除炭黑。 。 本论文首先从炭黑粒子产生的机理出发，对炭黑的物理化学性质作了深入的 研究，为后面黑烟的去除作好准备。在对炭黑特性的详细研究、阅读大量文献的 思考后提出了一种去除炭黑的新方法：对传统袋式除尘器进行改造、更新，采用 陶瓷质微孔管代替传统的纤维滤料，研制开发出一种新型干式微孔过滤除尘器， 用干法过滤去除黑烟。 微孔陶瓷具有很好的化学稳定性和热稳定性，且机械强度高，刚性大，不容 易外形变化和孔径变型，气孔分布均匀，使用寿命长，再生、清渣简易，维修方 便，运行费用低。可以代替棉布、丝织物、塑料、贵金属网等滤材。价格低，并 消除了这些滤材存在的缺陷，从而提高生产效率，降低生产成本，取得显著的经 济效益。微孔陶瓷的这些优异性能，使它在化工、石油、冶金、机械、炼油、纺 织、医药、食品、酿酒、火电、电镀、核工业等行业中广泛用于扩散、吸收、混 合、流态化、过滤等操作。还可用作催化剂载体。在环保领域中，更显出微孔陶 瓷在治理“三废”方面的独特功能和使用价值。 本实验通过对微孔陶瓷干法过滤除尘器的研究，了解并介绍了微孔陶瓷滤料 的基本性质。通过在不同的入口粉尘浓度和过滤速度的状态下对该设备进行测试， 对风量、反吹时间等的具体操作方式进行了调整，让整个设备工作方式更加合理。 并对反吹，粒径分布，分级效率等问题做了更加深入的研究和探讨。同时对设备 本身的压力损失等工作情况做了初步的校核和测量，以供参考。 关键词：微孔陶瓷；陶瓷滤料；干法除尘；过滤除尘；除尘效率；分级效率 新型千式微孔过滤除尘器控制黑烟污染的实验研究 a b s t r a c t i nc h i n am ef u e lo m o s ti n d u s t r i a ic e r 枷i ck n n sd e p e n d so nc o a l d u ，i n gt h c b u f n i n go ft h ei n d u s t r i a lc o a l - b u m i n gc e r a m i ck i l n s ，m u c hb l a c ks m o k ec a t c d i t b r i n g sg r a v ea i r - p o l l l l l i o n i ta l s qd 0h a r mt os u r r o u n d i l l ge n v i r o n m e n ta n d 。p e o p l e s h e a l t h i t sm a i nc o m p o n e n tis _ c a r b o nb l a c k b e c a u s eo ft h ep r i c u l a rc h a r a c t e r i s t i c s0 f c a r b o nb l a c k t h es u f f a c eo fi ti sh y d r o p h o b i ca n di t sp a r t i c a li sv e r yt i n ya n dw i s p y d u s tr e m o v et e c h n i q u ec a ni l o tr e m o v ei te f f i c i e n t ly t h i sp a p e rm a d ei n d e p t hs t u d i e sf o rt h em e c h a n i s mo ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e f t i e sa n dm a d eap r e p a r e df o rf e m o v i n gt h ec a r b o nb l a c k an e wm e t h o dh a d b e e np r o p o s e da f t e rr e a d i n gl o t so fd o c u m e n t sc a r b o nb l a c l 【：u s e0 fm i c r o p o r o u s c e f a m i ct u b ei n s t e a d0 ft h et r a d i t i o n a lf i b e rf i l t er ，d e v e l o p e dan e wk i n do fd r y m i c r o p o r o u sf i l t r a t i o nd u s tc a t c h e r t or e m o v et h ec a r b o nb l a c k t h em i c r o p o r o u sc e r a m i ct u b eh a sg o o dc h e m i c a la n dt h e r m a ls t a b i l i t y ，h i g h m e c h a n i c a ls t r e n g t ha n dr i g i d i t y ，i t ss h a p ea n da p e r t u r ev a r i a n ti sn o te a s yt oc h a i 唱e a n dt h ep o r ed i s t r i b u t i o ni su n i f o r mi th a s1 0 n gs e r 、，i c e l i f e ，r e g e n e r a t i o n ，e a s y m a i n t e n a n c ea n dl o w - c o s to p e r a t i o n i tc a ns u b s t i t u t ef o rc o t t o n ，s i l k ，f a b r i c s ，p l a s t i c s ， m e t a l sn e tf i l t e ra n dl o wp r i c e s m i c r o p o r o u sc e r a m i ct h e s ee x c e l l e n tp e r f o f m a n c e m a k ei ti nt h ec h e m i c a l ，p e 打o l e u m ，m e t a l l u r g y ， m a c h i n e r y ，p e t r o l e u mr e f i n i n g ， t e x t i l e s ，m e d i c i n e ，f o o d ，w i n e ，t h e r m a lp o w e r ，e l e c t r o p l a t i n g ，t h en u c l e a ri n d u s t r ya r e w i d eu s e di ni n d u s t r i e ss u c ha sp r o l i f e r a t i o n ，a b s o r p t i o n ，a n dm i x e dn o wp a t t e r n ， f i l t e r i n go p e r a t i o n a l s oc a nb eu s e da sc a t a l y s ts u p p o r t i nt h ef i e l do fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，i t i se v e nm o r ep o r o u sc e r a m i cs h o wi nt h eg o v e m a n c eo ft h e”t h r e e w a s t e s ”a n dt h eu n i q u ef e a t u r e so fv a l u e t h r o u g hs t u d y i n g t h e d r y - t y p em i c r o p o r o u s f i l t r a t i o nd u s tc a t c h e ra n d u n d e r s t a n dt h ef u n d a m e n t a ln a t u r e t h r o u g ht h e e n t r a n c eo f d u s ti nd i f f e r e n t c o n c e n t r a “o na n dt h ef i l t r a t i o nr a t eo ft h es t a t eo fe q u i p m e n tt ot e s tt h ea i rn o w ， p u r g e - t i m es p e c i f i cm o d eo fo p e r a t i o nh a v eb e e na d j u s t e ds ot h a tt h ee n t i r ee q u i p m e n t w o r k i n gm e t h o d sm o r ef e a s o n a b l e a n d d o n eam o r ei n d e p t hs t u d ya b o u tb a c k b l o w i n g ，p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，i s s u e ss u c ha se f f i c i e n c yg r a d i n ga n dd i s c u s s i o n a tt h es a m et i m et h ep f e s s u r eo nt h ee q u i p m e n ti t s e l f ，s u c ha sl o s so fw o r kd o n ea p r e l i m i n a f yc h e c ka n dm e a s u r e m e n t ，f o rr e f e r e n c e k e yw o r d s ：p o r o u sc e r a m i c s ； c e r a m i c6 l t e r ； d r yd u s tn l t r a t i o n ；r e m o v a l e m c i e n c y ；c l a s s i 矗c a t i o ne m c i e n c y 新型干式微孔过滤除尘器控制黑烟污染的实验研究 插图索引 图1 1 空气进入量和需要量曲线6 图1 2 煤燃烧过程中炭黑的生成过程示意图一7 图3 1 炭黑照片2 0 图3 2 炭黑的润湿实验图一2 3 图3 3 注入法测定炭黑安息角示意图2 4 图4 1 新型干式微孔过滤除尘器图3 0 图4 2 新型干式微孔过滤除尘器结构图3 1 图4 3 微孔陶瓷外型图3 2 图4 4 空载时风速与压降关系曲线3 4 图4 5 滤料荷尘时除尘效率数据图3 6 图4 6 入口粉尘浓度与除尘效率关系图3 8 图4 7 入口粉尘粒径分布数据图4 l 图4 8 ( 1 ) 组粒度分布测试图4 2 图4 9 ( 2 ) 组粒度分布测试图4 3 图4 1 0 ( 3 ) 组粒度分布测试图4 3 图4 1 1 ( 4 ) 组粒度分布测试图4 4 图4 1 2 ( 5 ) 组粒度分布测试图4 4 v n 附表索引 表1 1 燃煤的简单分类8 表1 2 常用燃煤设备的大致排烟黑度( 林格曼级) 8 表1 3 ；煤挥发分中主要可燃气体的着火温度一9 表3 1 实验所用主要仪器与设备一览表2 0 表3 21 炭黑粒径测试数据表2 1 表3 3 粉尘对水的润湿性2 3 表3 4 炭黑的润湿试验数据2 3 表4 1 袋式除尘器的气布比的选择范围和阻力损失表2 8 表4 2 实验设备及仪器一览表3 2 表4 _ 3 空载时风速与压降数据记录表3 3 表4 4 模拟新滤料荷尘数据表3 5 表4 5 模拟荷尘除尘效率数据表3 5 表4 6 入口粉尘浓度与除尘效率关系表3 7 表4 7 入口粉尘粒径分布数据表4 1 表4 8 入口粉尘采集表4 2 表4 9 设备底部粉尘中位分割粒径表4 5 表4 1 0 滤速为1 3 5 m s ，粉尘浓度为3 0 0 0 m m 3 的各级粒径分级除尘效率4 6 表4 1 1 滤速为o 6 5 m ，s ，粉尘浓度为3 0 0 0 m g m 3 的各级粒径分级除尘效率4 6 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：；多9 月日期：汐谚年争月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：互明 导师签名： 日期：孔舸年0 月弦日 日期：刎年峥月乒d 日 硕士学位论文 第t 章绪论 1 1 课题背景以及实验目的 1 1 1 爱国的大气污染现状 多年来，煤炭占我国一次能源结构的比重一直在7 5 左右，这种格局还将持 续多年，到2 0 5 0 年，煤炭在我国一次能源结构中还将占到5 0 以上。与我国能 源格局相适应的是，我国是世界上燃煤工业锅炉生产和使用的第一大国。其中， 污染状况严重的中小型工业锅炉5 0 1 2 万台，1 2 0 万蒸吨，年耗原煤0 4 3 g t ，占 全国总耗煤的1 ，3 ；特别是广泛应用于陶瓷工业的燃煤窑炉，这些燃煤设备数量 众多，容量小，结构陈旧，平均热效率只有5 0 5 5 【1 2 】。同时这些设备不能使 煤充分燃烧，释放出黑烟( 主要成分炭黑) 、粉尘、二氧化碳和氮氧化物等污染物。 如果这些污染物未作任何处理就排入大气定会对环境造成很严重的污染。陶瓷工 业是高能耗、高资源消耗、产生高污染的行业，尤其是对大气环境的污染非常严 重。这主要是由于在陶瓷制品的加工过程中经过成型、上釉处理的半成品，必须 通过高温烧成工序才能获得瓷器所具有的一切特征【3 1 。特别是在我国由于缺乏有 效的污染治理措施，窑炉排放烟气中的炭黑微粒，由于粒径小，重量轻，与气体 分子形成气溶胶，全部随烟气排出，致使烟气林格曼黑度大大超标，经常处于3 至4 级甚至5 级以上。致使不少陶瓷生产厂家被迫停产或关闭，对当地的经济发 展和社会稳定带来了一定的负面影响【m 。 煤炭是我国乃至世界上最主要的能源之一，预计在今后2 0 。5 0 年内，我国的 一次性能源生产消费以煤炭为主的格局不会改变【工“。因此，对于中小型锅炉，在 很长一段时间内采用煤作燃料将是必然的。有关资料表明，我国大气污染属煤烟 型污染，煤炭的不完全燃烧产生大量黑烟，致使烟尘捧放浓度超过国家环保标准， 造成严重的大气污染。治理燃煤污染，保护生态环境，是一项重要而又艰巨的任 务。 陶瓷工业是一个能耗较大的工业部门，年耗能折标准煤3 0 0 多万吨，其中烧 成工序耗能折标准煤1 8 0 多万吨【7 】。陶瓷工业的兴起与发展在促进经济繁荣和社 会发展的同时，也带来了严重的环境污染问题，生产过程中所产生的大量粉尘、 烟雾、二氧化碳和氮氧化物等污染物如果未作任何处理，直接排入大气，就将对 自然生态环境造成严重破坏【8 ，】。工业陶瓷窑炉的燃料包括煤、重油、轻柴油、天 然气和焦炉煤气等，但其中燃煤占到整个燃料用量比例的2 3 。工业燃油、燃汽 陶瓷窑炉产生的烟尘污染远远低于燃煤窑炉的污染。但是就我国的国情来说，国 内的陶瓷窑炉大多是中小型企业，还有很多是私人或者集体的企业，普遍存在资 翌型王銮垡翌垫鎏氅当兰堡型墨塑鎏鎏箜耋兰2 鎏 金、管理等其他的问题，这就不能光以烟尘排放量的多少作为标准来选择燃料。 再加上其生产规模小，产品档次低，都要求使用燃气或燃油窑炉燃烧清洁燃料也 是不现实的。国内重油由于粘度高，雾化困难，燃烧特性差等缺点，已经逐渐被 陶瓷窑炉所淘汰。轻柴油是动力燃料，用作陶瓷窑炉燃料，生产成本相对较高。 气体燃料作为一种洁净燃料，是陶瓷窑炉的最佳燃料，也是陶瓷工业燃料的发展 方向，但采用天然气和焦炉煤气要受地方限制【加12 1 。虽然燃煤会产生烟尘污染， 窑炉能耗大，劳动强度大，但由于燃煤窑炉建设费用和燃料成本低，加上我国煤 炭丰富，分布广泛，可就地取材，所以广大的中小型陶瓷企业，尤其是乡镇企业， 在今后一个较长的时间内，仍将主要使用燃煤窑炉，并以地方性烟煤为燃料，这 也将符合我国当前的能源政策。这以上种种因素都导致了我国的工业陶瓷窑炉将 长期以燃煤为主的现状，这也就为我国对治理燃煤陶瓷窑炉的污染提出了更高的 要求。 我国陶瓷工业比较分散，遍布全国各地，中小型企业居多，生产规模小，产 品档次低，都要求使用燃气或燃油窑炉燃烧洁净燃料，这是不大现实的。虽然燃 煤会产生烟尘污染，窑炉能耗大，劳动强度高，但由于燃煤窑炉建造费用和燃料 成本低，加上我国煤炭丰富，分布广泛，可就地获取，所以对广大的中小陶瓷企 业，尤其是乡镇企业，今后一个较长时间内，仍将使用燃煤窑炉，并以地方性烟 煤为燃料。据资料统计，目前仅在日用陶瓷、建筑陶瓷生产领域中就有3 0 0 0 余座 燃煤窑炉，达到窑炉总数的7 0 【”】。 燃煤陶瓷窑炉主要有倒焰窑、隧道窑、插板窑三种类型。燃烧室的结构基本 相同，都是采用简单传统的梁状倾斜炉栅，煤燃烧方式属于上加煤层状燃烧，其 最大缺点在于燃烧过程不稳定，燃烧条件不够充分，不完全燃烧热损失大。燃煤 窑炉已经成为当地大气污染的主要污染源，燃烧烟煤时，产生浓浓黑烟，排放出 的烟尘严重污染大气，危害人类身体健康和生存环境。 我国工业陶瓷燃煤窑炉造成的环境污染在现阶段是不可避免的，加上污染问 题又十分严峻，所以国家环保总局对黑烟问题十分重视，工业燃煤陶瓷窑炉的污 染治理整改势在必行。 1 2 工业燃煤陶瓷窑炉的主要污染物及其危害 在工业燃煤陶瓷窑炉对环境产生的污染中，最主要的污染物有四种，即黑烟、 粉尘、硫氧化物s o x 、氮氧化物n o x 。 1 2 1 黑烟简介及其危害 黑烟的主要成份是炭黑，是由烟煤中逸出的挥发分( 由多种碳氢化合物成) 在 高温缺氧的情况下，受热分解形成的。粒度极其微小，一般粒径在0 0 1 u m o 1 u m 之间；平均粒径0 0 2 u m 左右，呈气溶胶状态在烟气中悬浮。单颗粒为球形或类 2 硕士学位论文 球形，凝聚后呈海绵状。容重轻，可漂浮于水上，颜色呈灰黑色并呈油性，疏水， 干后为黑色，捕集较为困难。碳硫分析仪检测发现黑烟含碳量含c 8 6 2 ，s2 1 0 ， 包括氢、氧、硫等元素的聚苯型烃类有机化合物，其形状近似于球形，而且粒径 分布较为均匀。 炭黑是高分子碳氢化合物( c 。h 。) ，多为聚苯型烃类物质，其中含有相当比例 的强致癌物质。烟气中碳氢化合物是发生光化学烟雾的前提，在一定条件下会引 起光化学烟雾污染。炭黑可以长时间漂浮于大气中，且炭黑粒子的粒径在 o 0 1 u m 0 1 u m 之间，属于p m 为2 5 的范畴。直径( 空气动力学当量直径) 在2 5 u m 以下的细颗粒物( p m 2 5 ) 可以进入人的肺部，甚至可以穿过肺泡进入血液。大量有 害重金属、酸性有机物以及细菌、病毒等吸附在细颗粒物上进入人体f 1 4 d7 1 。黑烟 的排放还可形成烟雾，在逆温条件下，烟雾更严重，严重降低大气能见度，影响 交通正常运行。吸附了酸性物质的炭黑还具有腐蚀性，污染和腐蚀建筑物和桥梁。 研究表明，一般空气中微小颗粒和超微小颗粒中5 0 都是碳的化合物，它们 一般以两种形式存在：有机碳( 有几百种化合物) 和元素碳。广义的讲，元素碳与 黑色颗粒联系在一起，也就是人们通常叫的炭黑，而有机碳是指那些有机化合物 或官能团。这两种碳的尺寸、浓度和光学属性都对空气中的辐射平衡有很大的影 响，元素碳的气溶济的反照率决定太阳辐射的时间长短，而有机碳团粒则对可见 光辐射敏感，它能够吸收红外辐射，造成全球交暖。空气中的碳颗粒主要来源于 燃烧过程，因而对燃烧过程中颗粒形成的了解程度对我们降低排放、减少颗粒物 对人体的危害和维护辐射平衡有至关重要的意义【1 8 2 1 1 。 1 2 2 粉尘及其危害 煤中一般含有5 3 5 的灰分，灰分不能燃烧，大部分以块状或粉粒状残留 于燃烧室中形成灰渣。少量细微粒子能够悬浮于烟气中，是燃烧废气中飞灰的主 要成分。此外，煤中所含的固定碳往往不能燃烧完全，也会或多或少混入飞灰中， 其在飞灰中的含量与煤种及燃烧方法有关，波动较大。尘的粒度小于1 0 u m 的占 8 0 以上，一般在1u m 以上，大颗粒较多，不定形，颜色随固定碳的含量的增多， 从黄、灰色到灰黑色。此种粉尘可以利用高效的除尘器，分离效果一般较好，难 度不大。粉尘也是光化学污染的罪魁祸首，而且很多细菌病毒也能附着在微小粉 尘颗粒上通过人的呼吸道进入肺部，对人体造成伤害【2 2 1 。 1 2 3 硫氧化物s o x 及其危害 硫氧化物主要包括s 0 2 、s 0 3 ，是由燃料中的硫燃烧产生的。尽管燃料中的硫 不多，但s 0 2 对人类和周围的环境的危害却是巨大的。它在空气中会被氧化为 s 0 3 ，与水汽结合就形成了硫酸的酸雾，并长期存在于大气中。当硫酸的烟雾在 大气中达到十万分之八十，人就会感到难以忍受，并会威胁植物的生长，毒死小 3 新型千式徽孔过滤除尘器控制黑烟污染的实验研究 生物，同时还会腐蚀金属的建筑材料。尤其是s 0 2 与灰分共存时，危害更大。原 因是灰尘所含的金属微粒能促进s 0 2 氧化成硫酸液沫，并且吸附在灰尘上。当人 吸入后就会造成严重的呼吸道疾病田l ； 1 2 4 氮氧化物n o x 及其危害 氮氧化物的主要危害在于生成光化学烟雾及硝酸雨，破坏臭氧层，危害人类 健康和生物生长，n o 经过在空气中的氧化之后在大气中含量不大，但当n o 在 空气中的含量达到1 0 0 0p p m 时就会使人和动物中毒，而n 0 2 浓度达封4 m p p m 时 就会对人的肺、心脏、肝、肾脏造血组织形成危害【2 卅。 1 3 黑烟的形成的相关阿题 1 3 1 黑燔是能源浪费产生的结果 无论煤、油还是气，在不完全燃烧时都有黑烟冒出。燃煤黑烟因最为严重又 不易消除而最受关注。检测发现黑烟含炭量最高达9 6 2 ，即黑烟是不完全燃烧 产生的。工业发达国家的锅炉平均热效率为8 0 9 0 ，而我国平均仅5 0 5 5 ， 由于这些设备不能让煤完全燃烧，释放出大量的炭黑等有害物质，既污染环境， 又使经济效益低下。所以，我国的黑烟污染从根本上说是能源浪费所造成的。黑 烟不是一个独立的问题，只是不完全燃烧的一种表现。国外的黑烟已在提高燃烧 设备热效率的过程中，让煤完全燃烧而得以解决。所以国外资料里基本上找不到 黑烟治理的论述【2 ”。 1 3 2 产生机理 目前我国的燃煤设备有9 0 左右采用层燃炉。典型的层式燃煤设备是固定炉 排炉。炉内燃料层的分层很明显，自炉排起，从下到上为灰渣层和焦炭燃烧层， 刚加煤后还增加了一个“原煤干馏层”。 在正常燃烧状态下，穿过炉排缝进入的空气，在焦炭燃烧层参加燃烧后，进 入炉膛空间的已是贫氧空气【2 矾。当人工间断地加入相当数量的原煤时，由于原煤 的吸热使炉温骤然降低，加之在烟囱抽力也随之减少的同时，燃料层加厚而进风 阻力增加，使助燃空气的进入量大大减少。这就形成了周期性的低温、缺氧的恶 劣燃烧工况。 原煤被加热到3 5 0 6 0 0 时，大量释放出以碳氢化合物为主的挥发分进入炉 膛空间。但在炉膛空间低温缺氧的条件下，挥发分不能正常燃烧，便发生裂化、 脱氢、叠合、环化而生成含碳量多的环苯物质一炭黑，还可能因还原反应而分解 出游离的碳粒。这些物质总称烟黑。烟黑被烟气带出即是黑烟。随着原煤的着火 燃烧，炉温也逐渐回升。炉温升高使排烟温度提高，烟囱抽力也随之增加，但同 时，燃料层又因焦炭的不断消耗而使其逐渐减薄，燃料层的阻力也随之减少，又 4 碗士学位论文 必然出现过剩空气大量进入、排烟损失也大幅度增加的不良工况1 2 n 。 再次加煤又重复出现上述过程，这就是所谓的“层燃恶性循环周期”。加煤间 隙时间越长，一次加煤量越多，黑烟也就越严重。 其次，在我国特别是南方地区，陶瓷燃煤窑炉在工业生产成品时是需要还原 气氛的，过多的氧气的加入会对产品的生产及其性能产生很大的影响，所以在窑 炉的生产过程中还需要人为的保持还原气氛，这就更加大了煤的不完全燃烧。因 此黑烟的产生不可避免。 1 3 3 燃烧过程中炭黑粒子的生成机理 1 3 3 1 黑烟的形成机理 无论煤、油还是气，在不完全燃烧时都有黑烟冒出。燃煤黑烟因最为严重又 不易消除而最受关注。检测发现黑烟含炭量最商达9 6 2 ，即黑烟是不完全燃烧 产生的。工业发达国家的锅炉平均热效率为8 0 9 0 ，而我国的锅炉平均热效 率仅为5 0 5 5 ，由于这些设备不能让煤完全燃烧，释放出大量的炭黑等有害 物质，既污染环境，又使经济效益低下【2 射。 炉栅梁状倾斜炉栅梁状倾斜炉栅燃煤陶瓷窑炉大都采用挥发分较高的烟煤 为燃料，人工加煤，烟煤在简单的梁状倾斜炉栅上进行层状燃烧。燃烧层结构如 图1 1 所示，上部是加入的新煤层，中部是灼热燃烧的焦炭层，下部是灰渣层， 空气从炉栅之间的缝隙吸入助燃，燃烧由下往上进行。刚加煤时新煤覆盖在燃烧 着的焦炭上，下面受高温火焰和灼热焦炭的加热，上面受炉膛高温炉壁的热辐射， 强烈的双面加热使得烟煤很快进行干馏，短时间内立即析出大量的挥发分，大量 挥发份的析出需要大量的氧气，而新煤的加入又使燃料层变厚，通风阻力大大增 加，造成从炉栅处吸入的助燃空气不足，助燃空气流经焦炭层时氧和煤炭反应几 乎耗尽，再流经新煤层与挥发分混合一起进入炉膛空间却起不到助燃作用。加入 的新煤压盖了焦炭层火焰并大量吸热，使炉膛温度和烟气温度下降。加煤时炉门 大开，冷空气直接由炉门冲入炉内，既破坏了炉内负压，也更加降低了炉内湿度 【2 9 ，3 叭。因此，在加煤前期从新煤层逸出的挥发分在炉膛内处于低温缺氧状况，得 不到良好的燃烧条件无法充分快速燃烧，从而裂解产生炭黑颗粒，使烟囱排放浓 浓黑烟。待新煤层加热至一定温度正常燃烧后，炉温逐渐回升，燃料层逐渐减薄， 进风量也越来越大，而燃烧需氧量却逐渐减小，出现供风量大于所需风量的状况， 使烟气量增大，排烟热量损失增加。再次加煤又重复上述过程，周而复始，形成 燃煤窑炉不断排放黑烟的恶性循环。要消除这一过程黑烟的产生，只有改进煤的 燃烧方式和燃烧装置，使煤的燃烧过程稳定，保证挥发分具有比较好的燃烧条件。 图1 1 为一个加煤燃烧周期炉内空气进入量和空气需要量的特性曲线。 对间歇式燃煤窑炉，再烧成曲线低温阶段仅炉内温度较高而窑内温度较低， 挥发分在炉内来不及燃烧就流入低温窑内，则更会产生黑烟。 5 新型干式微孔过滤除尘器控制黑烟污染的实验研究 加煤燃烧周期加攥 固1 空气进入量和需要量曲线 1 。3 3 - 2 炭黑生成理论的发展 近来，不管是试验研究还是理论研究，都开始强调共振稳定基团在燃烧过程 中芳香族生成的重要性。共振稳定基团活性相对较差会造成未配对电子的移位， 其在燃烧过程中浓度较大，是形成高分子碳氢化合物的主要来源。 m i l l e r 和m e l i u s ( 1 9 9 2 年) 提出一个较为详细的化学反应机理模型用来解释共 振稳定基团组合形成苯的过程。他们发现包括在苯的形成“标准模型”中的n c 4 h 3 和n c 4 h 5 比较容易转化为共振稳定i 异构体，它们的浓度相对比较低，不足以解 释较大浓度的苯的形成。m i l l e f 和m e l i u s 提出了一个新型的苯的形成机理，包括 丙炔基一丙炔基的重组，继而是h 原子转移和环化步骤的多倍异构化过程，产生 苯基和h 原子【3 。w a l c h ( 1 9 9 5 年1 则认为苯基产生应该是乙炔加入到共振稳定基 i c 4 h 3 的结果。而c a s t a l d i ( 1 9 9 6 年) 等人运用此模型来预测多环芳香族化合物的形 成。这些模型结果显示在苯和p a h 长大机理过程中共振稳定基团的组合起了关键 作用。但是，他们的预测只考虑到能够用气相色谱测量的p a h s ，而忽略了其他 有机材料和颗粒的存在。 共振稳定基团之间的反应也显示出其在燃烧过程中大芳香分子形成的关键作 用。c o l k e t 等人提出了新的队h 形成过程：苯甲基和炔丙基的组合导致萘的产生 和甲苯对苯甲基的吸附，然后再通过一系列反应形成蒽。m e l i u s 等人展示了两个 茂基基团形成萘的过程，尽管它们之间存在着很大的能量间隙。 m u s i c k 等人的模型机理用来说明h 0 ，c 1 h x 和c 2 h x 的形成，而m i l l e r 和 m e l i u s 提出的反应则是c 4 、c 3 化学反应模型。对于c 2 h 4 火焰来说，在火焰中存 在着h 和o h 自由基，可以通过和c 2 h 4 反应生成乙烯基( c 2 h 3 ) 。乙烯基( 一c 2 h 3 ) 可以通过脱h 生成c 2 h ：。乙烯基( c 2 h 3 ) 和c 2 h 2 生成n c 4 h s 物质。m a u s s 等人 的动力学数据对于c h 4 + h = c h 3 + h 2 和h c 0 + m = c o + h + m 反应适用，而m i l l e r 和 m e l i u s 则适用于反应c h 3 + h ( + m ) = c h 4 ( + m ) ，c h 3 + c h 3 ( + m ) = c 2 h 6 ( + m ) 。 反应i - c 4 h 5 + h = c 3 h 3 + c h 3 i - c 4 h 5 + h = c h 3 c c c h 2 + h ，c h 3 c c c h 2 + h c 3 h 3 + c h 3 可以用来解释c 3 h 3 和1 甲基基团的生成。 d a n n a 和o l i ( 1 9 9 8 年) 等人也提出了一个近似模型，此模型除了包括 6 硕士学位论文 c a s t a l d i 等人提出的共振稳定基团反应外，还包括了化学机理类似于环状c 6 颗粒 形成的多环芳香化合物的长大过程【3 2 1 。此模型得到的两环和三环芳香族化合物的 含量和形成速度与实验中收集到的有机碳( 气相测量的p a h s 和高分子结构，数值 差别不大。因此，火焰中有机碳的形成可以认为是小芳香族分子连续的结核过程， 这与d a l e s s i o 等人提出的理论模型相符合。 d a n n a 和o l i 的化学动力学模型叙述如下：芳香环形成的“标准模型”包括 c 4 化合物对乙炔的吸附，然后通过环化作用形成第一个芳香环。很多模型反应中 都广泛使用此反应路径。但是，近来的研究开始强调共振稳定自由基团在火焰中 的关键作用。对于这些自由基团，其未配对电子在分子中移位造成共振电子结构。 同时，这些自由基团活性较差，燃烧过程中可以达到很高的浓度。从而它们可以 成为高分子碳氢化合物的生成基块，尤其是当两个共振稳定基团组合或加入本身 就共振稳定的化合物生成高分子碳氢化合物的时候，此特征尤为明显。 从小芳香分子到多环芳香族的形成过程包含以下两个步骤：氢原子萃取从而 激活芳香分子和大量乙炔的加入过程( 即氢原子萃取乙炔加入模型) 。此过程中持 续发展可以生成萘、菲和高等环等多环结构。 苯的产生包括三个步骤： ( 1 ) c 4 化合物和c2 h 2 发生反应，然后通过环化作用生成苯基和c 6 h 6 + h ： ( 2 ) 炔丙基基团的组合； ( 3 ) 炔丙基团和1 甲基基团的组合形成苯基粒团，然后分解生成苯。 1 3 3 3 煤燃烧过程炭黑的生成机理模型 对于煤燃烧过程中炭黑的生成，b f i g h a my o u n gu n i v e r s i t y 的e x a n d e r 等经 过对煤的燃烧过程分析实验，得出煤颗粒经过快速加热、热解生成焦炭和挥发分 ( 包括气体和焦油) ，而焦油进一步裂解生成炭黑。具体过程如图1 2 所示。其间忽 略了气体对炭黑生成的影响。 煤_ + 焦炭+ 气体+ 焦油 碳黑雏碳黑 籼沁气二 图1 2 煤燃烧过程中炭黑的生成过程示意图 在气体火焰的炭黑生成模型中，运用化学动力学来诠释在层流预混火焰中大 分子芳香族烃的形成。芳香族烃形成的主要步骤是乙炔和小分子芳香族烃的组合， 7 翌型王垄堡垒基鎏氅尘量丝型墨塑翌耋塑耋兰至圣 主要是因为h 原子萃取和共振稳定基团的组合，包括聚戊二烯的组合、丙炔对苯 的粘附和丙炔对芳香环的连续粘附由此建立了h a c a 模型( h 萃取乙炔加入模 型1 【3 3 1 。在此基础上，加以对共振稳定基团的分析研究，进一步建立气h 原子萃 取乙炔加入和共振稳定基团组合模型。对于煤燃烧过程中炭黑的生成模型，认为 煤颗粒经过快速加热、热解过程生成焦炭和挥发分，而挥发分进一步裂解生成炭 黑。 1 4 影响控制燃煤窑炉产生黑烟的因素 1 4 1 煤种的差异 煤种的差异表现为煤的挥发分的差异，煤种不同其挥发分也不相同。科学地 讲，黑烟是煤炭中的挥发分不完全燃烧的产物。无烟煤的挥发分含很少( 小于 1 0 1 ，燃烧时就没有黑烟，这是人所共识的【3 4 1 。人们最初就是凭燃煤冒黑烟的情 况把煤种分为无烟煤、半无烟煤和有烟煤。世界各国都采用按挥发分的含量来对 煤进行分类。我国也是先以挥发分含量将煤分成5 大类，再以粘接性等工艺特性 来分小类，如表1 1 所示。 表1 1 燃煤的简单分类 大量调查研究发现，不同的燃煤设备在正常司炉条件下，其冒黑烟的情况随 不同的煤种而有很大的差别。如果司炉工操作不当，即使是低挥发分煤在良好的 设备中，也可能冒出3 5 级的黑烟。常用燃煤设各的大致排烟黑度如表1 2 所示。 表1 2 常用燃煤设备的大致排烟黑度( 林格曼级) 1 4 2 空气供应量 燃煤设备基本上都是靠空气给氧，缺氧燃烧要冒黑烟。从层燃恶性循环周期 中可以看出，层燃炉明火正烧时，加煤后初期严重缺氧，中期适量而后期又空气 过剩。也就是说，一般情况下炉内并不缺氧。就冒黑烟而言，只因为刚加煤后临 8 硕士学位论文 时性挥发分太多，才造成挥发分燃烧缺氧( 请注意并不是固体的煤炭燃烧缺氧) 。 无烟煤就因为挥发分少而不会发生挥发分燃烧缺氧的情况，也就不会昏黑烟。所 以，足够的氧气是燃料燃烧的根本要素之一。 r 1 4 3 空气与煤挥发分的混合状况 挥发分基本上都是在燃料层上面的炉膛空间燃烧。挥发分和空气都是从燃料 层往上流到炉膛空问，基本上是各自流动，混合程度有限，即使是供氧过剩的情 况下，空气流和挥发分气流的外表层才可能互相接触，大部分空气和挥发分未发 生反应就从烟气中排出。此时，挥发分气流的中间部分就因为不能接触氧气，不 能燃烧而变成了烟黑。实践证明，可燃气体与空气预先混合后再燃烧时便可不冒 黑烟。所以让空气与挥发分充分混合是燃烧必需的要素之一，是防止黑烟的重要 技术措施。 1 4 4 炉温 炉温不高煤的挥发分主要由碳氢化合物组成，其着火点在5 3 0 以上，当有 n 2 及c 0 2 存在时，着火温度还要提高。煤挥发分中主要可燃气体的着火温度如表 1 3 所示。 表1 3 煤挥发分中主要可燃气体的着火温度 对于煤炭燃烧而言，随温度的增加，其氧化反应( 燃烧) 速度里指数关系急剧 增加，一般情况下，炉温每提高1 0 0 ，燃烧速度便可增加1 2 倍。虽然6 0 0 左右即可将挥发分点燃，但是要在8 0 0 以上才能比较稳定地燃烧。而要完全燃 烧，只有在1 0 0 0 以上才可能实现( 这里指的是炉膛空间的温度) 。所以，足够高 的炉温是燃烧必需的要素之一。消烟技术措施中，提高燃烧温度是强化燃烧的最 可行手段之一。 1 4 5 燃烧时煤的挥发分停留时间 燃烧反应不仅与反应物的浓度和温度正相关，其燃烧完全程度还与燃烧时间 成正相关。即使有充足的氧气和足够高盼炉温，如果挥发分在炉膛停留时间太短， 来不及完全燃烧就离开炉膛，其后由于已经开始做功放热，使其温度急剧下降而 再无完全燃烧的条件。所以，燃烧时间不够也是产生黑烟的一个原因。 9 新型干式微孔过滤除尘器控制黑烟污染的实验研究 1 5 现阶段消除黑烟盼技术 1 5 矗主要技术简介 通过查阅资料，了解到了目! 前对治理黑烟采取的方法主要分为被动消烟( 窑 后处理) 和主动消烟( 窑前处理) 两种。 所谓被动消烟，即在燃烧室后面安装消烟装置。烟气：中的黑烟物质其粒径仅 o 0 l 0 1 u m ，且多为o 0 2 0 0 3 u m ，要用电子显微镜才能对它进行测定。所以常 用的除尘器对黑烟完全无能为力。虽然近年来有性能更好的文氏管洗涤器和电除 尘器问市【3 5 ，3 6 1 ，据称可以除去大于0 0 1 u m 颗粒，但文氏管除尘器不适用于疏水 性颗粒，电除尘器又不适用于粘性颗粒，且不能用于可燃粉尘和气体的场合p 7 3 8 】。 而黑烟恰恰是有粘性的疏水性可燃物质，何况，电除尘器的比电阻运行范围为 1 0 4 一1 0 1 0 q c m ，而炭黑仅为1 0 3 q c m ，显然也是不适宜的。布袋式除尘器的去除 细小粒子的效率很高，但是由于燃煤窑炉排除的气体的温度高达几百度以上，这 是传统纤维滤料不能承受的高温，所以对工业陶瓷燃煤窑炉产生的黑烟也无能为 力【3 9 1 。而主动消烟是指通过改变燃烧条件，改进炉膛结构，提高司炉技术等手段。 从以下四个方面入手：加强挥发分和助燃空气的混合、提高燃烧室的温度、延长 挥发分在燃烧室中的停留时间、保证足够量的助燃空气。综合运用各种技术手段， 才有可能使燃料完全燃烧，积极主动地消除黑烟。 1 5 2 治理难点 ( 1 ) 窑炉工艺情况复杂，窑炉燃烧气氛要求高，要在不改变窑炉燃烧气氛的情 况下，实施烟气治理技术。 ( 2 ) 烟气温度高且变化大，控制有一定难度。 ( 3 ) 烟尘性质复杂，特别是炭黑捕集后，后期处理困难。 ( 4 ) 国家规定的烟气排放标准严格，治理风险大。 1 5 3 发达国家对工业陶瓷窑炉的污染控制 相对我国的能源结构以煤为主的现状来说，发达国家的能源结构是以石油和 电能为主。石油和电能是较清洁的能源，特别是电能，对环境是几乎没有污染的 洁净能源。所以发达国家的工业窑炉也是以石油和电能为主要的能源，产生的环 境问题是很小的。其次，由于黑烟是由于煤、石油等燃料的不完全燃烧所产生的， 而在资金充裕、管理制度完备、技术条件成熟的情况下，他们所采取的是窑前处 理技术，即使用清洁燃料或者在窑炉里通过改变各种条件使燃料到达完全燃烧， 以减少黑烟的生成和排放【4 0 】。 硕士学位论文 1 6 黑烟消除的新思路度研究方法 本课题采用理论与实验相结合的方法，通过理论研究和实验研究，达到预期 目标。实验中，实验条件的选择通过阅读大量文献资料并结合自己的设想和思路 并进行实验后得出结论。 1 6 1 课题的目的和意义 我国是煤烟型污染的国家，黑烟是我国的主要大气污染物，由于炭黑的种种 特性，导致了去除的困难，消除黑烟就能极大的缓解我国的大气污染问题。本课 题提出一种消除黑烟的新方法、新思路，这对推广适合我国国情的湿式除尘脱硫 消烟一体化技术，对促进消烟技术的发展，控制煤烟型污染和黑烟的污染具有重 大的、革命性的意义。 从国家能源政策角度来看，我国的石油资源相对紧缺，而煤炭相对丰富，国 家鼓励用能设备采取“煤代油”的措施，并且在今后相当长的时间内，以煤炭为 主的能源结构格局不会改变。所以，研究控制燃煤陶瓷窑炉黑烟的新的理论和方 法，对促进我国陶瓷产业的健康发展具有理论意义和现实意义。 1 6 2 根据炭黑性质特点提出去除黑烟的新方法 炭黑是一种粒径极小、具有疏水表面的物质，采用旋风除尘器来控制炭黑是 依靠离心力的作用除尘，由于炭黑比重小故对其去除效率很低。采用传统的湿式 除尘器时，因炭黑表面上的油状物与水的亲合力差，烟气中疏水性的炭黑会遮蔽 水膜而大大降低除尘效率，难以有效捕集炭黑。过滤式除尘器主要是