（热能工程专业论文）混煤燃烧过程中颗粒物排放特性的试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文肖键 摘要 摘要 中国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上唯一以煤炭为主 要能源的大国，且这种能源结构在今后相当长的时期内不会改变。许多研究表明， 煤粉燃烧是大气环境中主要的颗粒物污染源之一。这些颗粒物表面富集着有机污 染物和各种有毒痕量元素，对人体健康和环境构成极大威胁，引起了各国的广泛 关注。随着对环境质量要求的不断提高，对颗粒物的排放标准也日趋严格。迫切 要求采取有效措施降低颗粒物的排放。近年来，研究者对煤燃烧过程中颗粒物的 形成及控制等方面展开了大量的理论和试验研究，颇富成效，但关于混煤燃烧的 飞灰颗粒排放特性的报道非常少。目前我国大多数电站燃烧混煤，若混煤掺配不 合理，会造成污染物排放量增加，因此研究混煤燃烧的飞灰颗粒排放特性对于燃 烧混煤的电站控制超细颗粒物的排放有一定的指导意义。 本文研究的主要内容如下； l 、首先在一维沉降炉上对平朔、保德、大优和神木四种烟煤及其混煤进行 燃烧试验，利用m a i v e mm s 2 0 0 0 粒度分析仪对收集的飞灰颗粒的粒径分布进行 测定。探讨混煤燃烧对飞灰颗粒排放特性的影响。 2 ，对平朔、大优、神木煤及平朔分别与大优、神木煤的混煤进行1 1 0 0 c 、 1 2 0 0 ，1 3 0 0 c 下的燃烧试验，研究混煤燃烧过程中温度对颗粒物生成特性的影 响。 3 、利用x - 射线衍射物相分析仪，对飞灰颗粒的矿物组成进行了定性分析。 采用扫描电子显微镜对飞灰颗粒进行扫描，研究了飞灰颗粒形貌特征，并利用电 子能谱对不同样品的颗粒进行了能谱分析。 关键词：混煤燃烧飞灰p m l op m 2 s 粒度分布温度 浙江大学硕士学位论文肖键 摘要 a b s t r a c t c h i n ai st h el a r g e s tc o u n t r yt h a tp r o d u c e sa n dc o n s u m e sc o a l a n di ti sa l s oa l a r g e c o u n t r yt h a tc o n s u m e sc o a lf a rm o r et h a no t h e rf o r m so fe n e r g y , w h i c hw i l ln o t c h a n g ei nt h el o n gf u t u r e an u m b e ro fr e s e a r c hs t u d i e sh a v es h o w nt h a t , o n eo ft h e m o r ec h a l l e n g i n gs o l r c e so fp a r t i c l ee m i s s i o n si sf i n en ya s hp a r t i c l e sg e n e r a t e d d u r i n gp u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o n t h e s es a m es t u d i e sr e v e a lt h a tt h ep a r t i c u l a t e m a t t e re m i t t e df r o mc o a lc o m b u s t i o np r o c e s s e sm a yb ee n r i c h e dw i t ho r g a n i c c o m p o u n d sa n dm a n yt o x i ch e a v ym e t a l s ，t h ec o n c e n t r a t i o n so fw h i c hi n c r e a s ew i t h d e c r e a s i n gp a r t i c l es i z e i tr e s u l t si nf i n ep a r t i c l e sh a v em o r eh e a v ye n v i r o n m e n t a la n d h e a l t h yi m p a c t sa n da t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n n o w 、航t i lt h er e q u i r e m e n to f h i g l la i rq u a l i t y , t h en a t i o n a la m b i e n ta i rq u a l i t ys t a n d a r d sf o ra i r b o r n ep a r t i c u l a t e m a t t e rh a v eb e e nr e v i s e dt oi n c l u d eas t a n d a r df o rp m 2 5 a sar e s u l to f t h e s ea n do t h e r f a c t o r s ，i ti si m p e r a t i v et ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c et h ep a r t i c l e se m i s s i o n i n r e c e n ty e a r s ，f i e l da n dl a b o r a t o r ys t u d i e so nt h ef o r m a t i o na n dc o n t r o lo fp a r t i c u l a t e m a t t e r se m i t t e df r o mc o a lc o m b u s t i o nh a v eb e e nc o n d u c t e da n dy i e l d e df a v o r a b l e r e s u l t s b u tt h er e p o r t so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l ya s he m i s s i o nf r o mb l e n d e dc o a l c o m b u s t i o na r ev e r yf e w a tp r e s e n t , m a n yp o w e rp l a n t so fo u rc o u n t r yb u mb l e n d e d c o a l w h i c hi n c r e a s i n gm o r ep o l l u t a n t se m i s s i o ni fc o a l sm i xu n r e a s o n a b l e t h u si ti s o fr e a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l ya s he m i s s i o nf r o mb l e n d e dc o a i c o m b u s t i o n , i no r d e rt oi n s t r u c tt h ep o w e rp l a n t sw h i c hb u mb l e n d e dc o a lt oc o n t r o l f i n ep a r t i c l e se m i s s i o n m a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 f o u rb i t u m i n o u sc o a l sa n dt h e i rb l e n d sw e r eb u r n ti na d r o pt u b e 铀l 粒e c o l l e c t e df l ya s hp a r t i c l e ss i z ed i s t r i b u t i o n sw e r em e a s u r e db yp a r t i c l es i z e rm s 2 0 0 0 ， t h e np r o b ei n t ot h ee f f e c t so f b l e n d e dc o a lc o m b u s t i o no nf l ya s hp a r t i c l e se m i s s i o n 2 c o m b u s t i o n o f p i n g s h u o 、d a y o u 、s h c ：r m n u c o a la n d t h e i r b l e n d s w e r ec o n d u c t e d i nad r o pt u b ef u r n a c e ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s1 1 0 0 、1 2 0 0 a n d1 3 0 0 r e s p e c t i v e l y , i no r d e rt ou n d e r s t a n dt e m p e r a t u r eo nt h ef o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p a r t i c u l a t em a t t e rd u r i n gb l e n d e dc o a lc o m b u s t i o n 3 s t u d i e dt h em i n e r a lm a t t e ri nf l ya s hp a r t i c l e sw i mx - r a yd i f f r a c t i o nq u a l i t a t i v e a n a l y s i s s c a n n e dt h ef l y a s hp a r t i c l e s s a m p l e t ou n d e r s t a n dt h ea p p e a r a n c e c h a r a c t e r i s t i c so f f l ya s hp a r t i c l e sa n da n a l y z e dt h ed i f f e r e n c eo f e l e m e n tc o m p o s i t i o n k e yw o r d s ：b l e n d e dc o a l ) c o m b u s t i o n ：f l y 髂h ；p m t o ：p m 2 5 ：s i z ed i s t r i b n t i o n t t e m p e r a t u r e 学号：兰! 仝里墨三! 生 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导帅指导f 进行的研究工作及取得的 毋f 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和敛谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使 日过的材料。与我一l 一 作的矧忐对本研究所做的任何贞献 均已在论文中作了明确的说明并表示澍意。 学位论文作者签名： 育象军 签字日期： 2 口。6 年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸婆盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸姿盘兰可以将学位论文的全部或部分内容编入囱关数据库 进行榆索，可以采_ j 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适片j 本授权# ) 学位论文作者签名： 贺建 签宁同期：工。年，月2 9 口 黝签名：喜铆z 纱” 签字日期：年f 月三夕日 浙江大学硕士学位论文肖键第一章绪论 第一章绪论 随着经济的发展，对能源需求的不断增加和对环境质量要求的不断提高，大 气污染问题将更加突出，对污染物的研究深度也提出了更高的要求。在大气颗粒 物污染方面，已开始注意到可吸入颗粒物( p m l 0 ，0 1 0 p m ) 和超细颗粒物( p m 2 _ 5 ， o 2 5 j a m ) 浓度对环境和人体健康的危害和影响i l 】。美国环境保护协会( e p a ) 提出：“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( 如苯 并芘) 、硫化物、氮氧化物、未燃尽可燃物以及重金属，其中尤以亚微米量级颗 粒形式存在的悬浮颗粒物以及富集在上面的重金属具有最大的威胁”1 2 1 。大气中 大量细颗粒物直接或间接地来自于燃料燃烧过程，而空气中总悬浮颗粒物( t s p ) 由燃煤产生的约占3 3 【3 1 。其主要原因是烟气中的灰粒子较大颗粒可以被电除尘 器1 4 1 、过滤除尘器【5 】等高效除尘装置收集，而对工业生产过程中产生的大量超细 颗粒物，除尘装置的收集效率会显著降低甄矾我国是煤炭的生产和消费大国， 煤炭资源中有相当一部分用于火力发电，并且这种能源结构在长期内不会改变， 因此大量的细颗粒物排放到大气中去。 本文针对混煤燃烧产生的飞灰，特别是超细飞灰的排放特征进行研究，并对 飞灰颗粒物的微观物相组成及形貌特征进行研究，造福人类。 1 1 颗粒物的污染状况 1 1 1t s p 、p m i o 与p m 2 5 大气中悬浮的颗粒物的粒径通常用空气动力学当量直径来表示，空气动力学 当量直径是指：在低雷诺数的气流中与单位密度球具有相同末沉降速度的颗粒直 径喁l 。总悬浮颗粒物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c u l a t e s ，t s p ) 是指大气中空气动力 学当量直径1 0 0 岬以下的颗粒，是目前大气环境质量评价中的一个通用的重要污 染指标。 p m i 0 是指空气动力学当量直径_ 9 9 ) ，是焦炭燃尽后的固体残渣。残灰颗 粒的形成途径有：表面灰粒的聚合、焦炭颗粒的破碎、外来矿物的破碎。 2 1 2 1 表面灰粒的聚合 焦炭燃烧过程中，颗粒中包含的矿物微团逐渐裸露出来。由于焦炭燃烧是放 热反应，颗粒可以达到比周围气体环境更高的温度。在这样的高温环境中，绝大 多数表面矿物呈现熔融状态，在表面张力的作用下，它们形成球状灰滴附着在焦 炭颗粒表面。灰滴随着燃烧进行，彼此距离逐渐减小，当发生接触时，就会聚合 在一起形成较大的灰粒，见图2 3 。 密一如 图2 3 表面灰粒的聚合 表面灰粒的聚合速率并非恒定，焦炭反应初期和末期聚合速率较快，而反应 中期则较为平缓。反应初期，碳的氧化引起焦炭颗粒曲率改变，使表面灰粒互相 接近，发生接触而聚合。在此阶段，灰粒聚合从无到有，聚合速度较快。同时， 聚合过程还使表面灰粒之间距离增大，再次聚合发生的概率减少，因此反应中期 聚合速率减缓，此时灰粒的生长主要是内部矿物进入表面灰而被吞并的结果，灰 粒粒径增长减缓。直到反应末期，由于焦粒粒径迅速减小，表面灰粒的距离越来 越近，聚合作用显得十分强烈，表面灰的粒径增加也较快。因此，表面灰的聚合 程度是决定残灰最终粒径分布( p s d ，p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ) 的重要因素之一， 聚合程度越高，生成飞灰粒径越大 矿物颗粒的聚合程度受燃烧模式的影响，还与煤种、颗粒温度、矿物含量、 种类、大小以及化学组成具有很大的关系。 2 1 2 2 焦炭颗粒的破碎 焦炭颗粒的破碎有两种类型： 第一类破碎：由于煤粒在高温燃烧室内挥发分快速脱出而在煤粒内迅速集 聚，导致颗粒内部形成压力梯度而引起的破碎。 第二类破碎：是指煤粒脱除挥发分后，由于高温热应力的作用，削弱了煤粒 内部各元素之间结合的化学键力，导致各种不规则形状的晶粒之间的联结“骨架” 被烧掉形成的破碎。试验表明，破碎尺寸和机理与煤质有很强的相关性，如烟煤 浙江大学硕士学位论文自键第二章可吸入颗粒物的形成机理与控制技术 比褐煤裂解更深，产生的碎片更多。 焦炭破碎与其本身的孔隙结构密切相关。原煤本身是一个具有多种孔隙或裂 纹的固体微团，燃烧初期，这些孔隙是挥发性气体析出的重要通道，而挥发性气 体的析出又导致颗粒内部结构的巨大变化，具体表现为新孔的产生、旧孔的消亡、 孔径的扩大或减小、孔隙的连通或闭合等等。在动力燃烧区域，氧气能够通过与 外界相通的孔隙进入颗粒内部，在颗粒内表面与碳发生反应。这种在内外表面同 时进行氧化反应的燃烧方式使得焦炭结构呈现非均一性的特点，碳骨架变得更加 脆弱，其中薄弱的地方会首先氧化而断裂，当断裂处增加到一定程度就会导致破 碎现象的发生。因此孔隙结构的存在是引起焦炭破碎的主要原因。并非所有孔隙 对颗粒破碎都有重大影响，对破碎起决定作用的是颗粒中的大孔( o 0 5 9 i n ) 。 由于大孔的存在降低了碳基质之间的联系，使得焦炭在燃烧中容易解体成许多细 小碎片，最终形成大量粒径较小的飞灰。因此，大孔隙对焦炭的破碎过程具有十 分重要的影响没有大孔，焦炭不会破碎，单颗焦炭就只会生成一颗灰粒。大孔 越多破碎越剧烈，生成飞灰颗粒粒径越小，飞灰中小粒径的灰粒含量也越高。 焦炭破碎是许多因素综合影响的结果，除了大孔结构，燃烧模式、煤种等也 是影响焦炭破碎的重要因素。 2 12 3 外来矿物的破碎 许多研究表明，煤燃烧过程中不仅焦炭颗粒会发生破碎，矿物颗粒也能发生 破碎。由于外来矿物与碳基质没有或者很少有联系，破碎之后的碎片可以彼此分 离，形成单独的，细小的飞灰，因此，它们的破碎对于最终残灰粒径分布的影响 不容忽视。外来矿物的破碎行为在很大程度上取决于组成矿物本身在燃烧过程中 的热力学行为，主要是分解气体产物的快速释放以及高温热冲击作用的结果；另 外，单个矿物颗粒的微观结构对破碎也有一定影响。外来矿物的破碎不改变灰粒 的化学性质，只改变飞灰的粒径分布( p s d ) ，使得残灰平均粒径减小。 此外，原煤中的部分矿物质颗粒其直径小于l o m ，它们中的一部分在燃烧 时直接转化成颗粒物而没有经过任何化学或物理变化，主要是难熔元素形成的颗 粒物，例如s i 、舢、c a 、f e 等。 2 2 影响细颗粒物形成的主要因素 2 2 1 煤质方面因素的影响 2 2 1 1 煤种的影响 p a d i a 在不同煤种的实验研究中发现，单颗褐煤产生3 颗灰粒，而单颗烟煤 产生的灰粒数目为5 。这是由于高挥发分烟煤快速加热时容易塑化变形，形成中 浙江大学硕士学位论文肖键 第二章可吸入颗粒物的形成机理与控制技术 空球体结构，这种结构有利于焦粒的破碎，因此，对灰粒聚合过程具有强烈的抑 制作用，所以p a d i a 实验中烟煤比低阶煤产生较多灰粒【”。l a r r y l b a x t e r 研究 表明，破碎尺寸和机理与煤质有很强的相关性，烟煤比褐煤裂解更深，产生的碎 片更多 6 】张军营等川发现l m 2 ，5 和p m i o 排放量主要与煤的可磨性、煤的显微结 构、煤中矿物质的种类、矿物质的赋存形态有关，与煤级关系不大。 2 2 1 2 灰分含量的影响 国外s h i b a o - k a 等利用特殊取样装置观察到煤粉燃烧过程中无机组分的形态 变化，认为高灰分及高惰性组含量的煤，容易形成大量细粒飞灰i s l 。张军营等川 通过试验发现随煤样灰分含量的增加，p m 2 j 和p m l o 的排放量也增大。 2 2 1 3 碱金属含量的影响 美国麻省理工学院的最近研究结果表明，该类颗粒形成的数量主要与煤中矿 物质赋存特征有关，而与煤级关系不大。一般认为，亚微米级颗粒主要由挥发的 元素均相凝聚而成，主要为碱金属或碱土金属的盐类( k 2 s 0 4 、c a s 0 4 ) 。我国也 有不少学者涉足该领域的研究，认为细粒飞灰形成的数量随着f e 、k 、n a 等元 素的蒸发量的增加而增n t a 此外，随煤种含硫量的增加，p m l o 和p m 25 的排放量增加f ”。 2 2 2 燃烧方式的影响 燃烧方式和燃烧条件对污染物排放的影响，有时候比燃料种类的影响更大 例如，燃用固体燃料的链条炉和往复推动炉排锅炉，排烟中飞灰约占燃料总灰分 的1 0 2 5 ；振动炉排则较高：抛煤机锅炉的飞灰量约为总灰量的2 5 4 0 ； 半沸腾炉的飞灰则占4 0 6 0 ；煤粉炉则更多，约为9 0 * 0 。也就是说，煤粉燃 烧方式为链条层燃方式的四倍，不仅如此，飞灰的粒径相差也很大，见表2 1 1 9 1 通过这个表可以看到，煤粉炉的p m l o 所占的比例很大，p m l o 的排放量远远超出 环境标准，因此煤粉炉的除尘设备要求较高。 表2 1 不同燃烧方式烟尘的颗粒组成 2 2 3 燃烧工况的影响 2 2 3 1 温度对细颗粒物生成的影晌 1 4 浙江大学硕士学位论文肖键 第二章可吸入颗粒物的形成机理与控制技术 为了解温度对超细颗粒物生成的影响，王春梅等人【1 0 1 进行- f d , 龙潭褐煤的 滴管炉燃烧实验，在不同的温度下，当燃烧温度从8 5 0 ( 2 升高到1 1 0 0 0 时，金属 元素的汽化速率加强，并随之冷凝速率加强，粒子尺寸增大，超细颗粒物的数量 减少；当继续升高温度到1 2 5 0 时，由于煤粉颗粒燃烧生成了玻璃状结构体( 铁 硅酸盐) 而使汽化速率下降，超细颗粒物数量增多。y e z h u a n g 、p a r t i t a b i s w a s 1 l l 及b o o lh i 1 2 1 等也有相似的解释。张军营等【刀在一维沉降炉中对不同煤种分别在 6 5 0 c 、8 5 0 、9 5 0 c 下燃烧p m 的排放进行实验研究，发现p m l o 和p m 2 5 的排放 量随温度升高有增加的趋势。 2 2 3 2 煤粉细度的影响 刘建忠等1 1 3 1 采用冲击式尘粒分级仪在某电 - 4 1 0 t h 煤粉锅炉尾部静电除尘 器上进行试验，得出煤粉越细，乏气全部投入将使粉尘组成越细的结论。刘小伟 等【1 4 】对三个粒度范围( 1 0 0 2 0 0 肛m ，6 3 1 0 0 “m ， 4 0 m 的颗粒。 显微镜法：将颗粒样品均匀分散于载物玻璃片上，制成标本，在显微镜下 用经过标定的目镜测微尺，对样品中的颗粒在既定范围内逐个测量，遇长径量长 径，遇短径量短径。在测量时要求整个视野范围内的颗粒数不超过5 0 7 0 个。 每次至少测2 0 0 个颗粒，从而得出不同粒径区间内的颗粒数，求得颗粒数量粒径 分布。 液体沉降法：同一种物料的颗粒在液体中沉降时，大颗粒沉降快，小颗粒 沉降慢。在一定的温度条件下，测定不同沉降时间和某一液体深度处颗粒悬浮液 的浓度、密度或透光度的变化，测得颗粒质量粒径分布应用这种原理测定颗粒 粒径分布的方法有安德逊( a n d e r s e n ) 移液管法、比重计法、沉降天平法和光透过 法前三种方法测定的粒径范围约为1 6 0 p m ，后一种为l 1 5 0 m 液体沉降 法要求颗粒充分均匀地分散于液体中，为此，应按不同物料选用适当介质液和分 浙江大学硕士学位论文肖链第三章试验设备和样品分析方法的介绍 散剂。 惯性分级测定法：随气流运动的颗粒，在气流方向发生变化时，粒径大者 所受到的惯性力较粒径小者为大，在惯性力作用下，颗粒将偏离流线而被分离。 利用这一原理，经多级不同偏转气流速度的分离器收集不同粒径的颗粒，测得颗 粒质量粒径分布。测定仪器主要有级联冲击器、巴柯( b a c h ) 离心分离器、串联旋 风分级器、低压多级级联冲击器和空气动力径自动测定仪等，测定颗粒的粒径范 围为0 3 6 0 p m 。此外，库尔特( c o u l t e r ) 计数器、静电气溶胶测定仪、微分电迁 移率式粒径分布测定仪、光散射粒子计数器等也可用于测定颗粒粒径。 激光粒度测定法：激光粒度测试技术，使传统的颗粒分析在计算控制下自 动完成，实现了精度高、速度快、分析范围宽、数字化输出。该方法是目前国际 公认的测量较为准确的方法，可以得到完整的粒度分布曲线，对粒度有完全的掌 握，被广泛用于飞灰、粉尘等颗粒粒径分布的测定1 4 川 3 2 2 激光粒度测定法原理 试验中采用马尔文2 0 0 0 型激光粒度分析仪对收集的飞灰颗粒粒径分布进行 测定。其原理是：光一遇到粒子，则发生衍射，其衍射，散射光强度与粒子的大 小有关，观测其光强度，即可应用f r a u n h o f e r 衍射理论和m i e 散射理论求得粒径分 布和大小。其系统构成如图3 2 所示。 散射光图像 侧翼探测器 图3 2 激光粒度仪系统构成 对飞灰颗粒进行超声波搅拌并加样品分散剂进行分散，照射在粒子上的光发 生散射。虽然散射光可向各个方向散射，但粒径越小的颗粒，与入射光的前方散 浙江大学硕士学位论文肖键第三章试验设备和样品分析方法的介绍 射相比，侧翼和后向散射的比例就越大。特别是对于约0 2 p r o 以下的粒子散射光 向全方向散射，前方散射强度几乎不变，侧翼散射和后向散射的强度分布就有很 大的差别。因此。波长越短，越能测出小粒子。由观测到的角度的散射光的强度， 根据m i e 理论可以计算出粒度分布。马尔文2 0 0 0 型激光粒度分析仪的测量范围： 0 0 2 2 0 0 0 p m 3 3 飞灰颗粒样品物相分析及颗粒形貌研究方法介绍 为了清楚的了解可吸入颗粒物的形成过程、化学结构和组成、脱除手段等， 要借助于各种技术和设备对收集的颗粒样品进行分析，常用的分析技术盯 1 1 1 如表 3 1 所示 表3 1 常用的超细颗粒物分析技术 仪器名称仪器用途 场发射电镜( f e s e m )观察p m 25 的表面特性 电子探针进行单个颗粒的成分分析 电感耦合等离子体发射光谱法( i c p - a e s ) 测定不同粒径飞灰中 s e ，c d ，p b ，c r 和b e 的质量分数 原予荧光法( a f s ) 测定a s 的质量分数 x 射线吸收微结构光谱仪( x a f s ) 主要测量金属和硫的微结构 微机控制扫描电子显微镜( c c s e m ) 颗粒粒径分布，颗粒形态。化学组成等 透射电子显微镜( t e m ) 核态粒子的结构和粒径分布 电感耦合等离子体原子发射光谱 仪一质谱仪( i c p - m s ) 测量不同化石燃料排放的颗粒中 金属元素及有机物的含量 x 射线荧光法o ( 呻 主要元素及微量元素的浓度 仪器中子活化法( i n 从) 气相色谱质谱联用仪( o c m s ) 有机化合物的结构 1 3 c 核磁共振波谱仪( 1 3 c n m r ) 碳的分子结构和碳架结构 3 3 1x 射线衍射技术 x 射线衍射技术是鉴定、分析和测量固态物质物相的基本方法，其优点是 不破坏样品，能快速、直接、可靠地鉴定出矿物来。由于每种矿物都有固有的 化学成分，也就有自己的晶体结构，因此，每种矿物都对应一套x 射线谱图， 根据x 射线衍射给出的d 值，查询j c p d s 标准卡片，就可以准确地鉴定出矿 物，根据不同矿物的衍射强度大小，可以半定量地计算出它们的含量1 期。 浙江大学硕士学位论文肖键第三章试验设备和样品分析方法的介绍 试样扫描所用x 射线衍射仪是日本理学会全自动d m a xp c 2 5 0 0 全自动x 射线衍射仪，采用阶梯扫描方式，扫描角度2 0 ：1 0 0 9 0 。，c u 靶，扫描电流3 0 0 m a ， 扫描电压4 0 k v ，扫描速度：控制每个试样大约扫描l 小时左右。扫描试验前， 把飞灰颗粒样品放到玛瑙研体，研磨成具有一定细度的标准试样。试样扫描好后， 采用计算机检索和人工对比相结合的方式对物相进行定性分析，鉴定出试样中所 有的物相成分。 3 3 2 扫描电镜及能谱分析 采用扫描电子显微镜对飞灰颗粒进行表面形貌分析，该仪器利用一束细聚集 的电子束，在样品表面逐点进行扫描，产生各种电子信号，其中包括二次电子、 背散射电子、俄歇电子、特征x 射线和各种不同能量的电子。这些信号来自样 品中特定的发射体积，能表征样品的许多特征( 如成分、形貌、晶体结构等) ， 然后用探测器分类收集这些电子信号，通过信号处理系统转换成放大图像。利用 电子能谱对扫描照片中的主要具有不同形貌特征的部分进行能谱分析以区别不 同形貌特征部分的元素( 或矿物) 组成。 研究表明，x r d 可以快速直接定性地鉴定出颗粒物中的矿物颗粒而 s e m e d x 则可以从颗粒物的微观形态和微区化学成分进一步对矿物组分进行识 别，x r d 与s e m e d x 相结合就可以对颗粒物中的矿物组分进行较为准确的识 别 参考文献： 【l 】y o s h i h i k on i n o m i y a ，l i a nz h a n g ，a t s u s h is a t o i n f l u e n c eo fc o a lp a r t i c l es i z eo i l p a r t i c u l a t em a t t e re m i s s i o na n di t sc h e m i c a ls p e c i e sp r o d u c e dd u r i n gc o a lc o m b u s t i o n j f u e l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，8 5 ( 2 0 0 4 ) ：1 0 6 5 1 0 8 8 【2 1 刘小伟，徐明厚，于敦喜，等燃煤过程中矿物质变化与颗粒物生成的研究田中国电机 工程学报，2 0 0 5 。2 5 ( 2 2 ) ：1 0 4 1 0 8 【3 】arm c l - a n n a n ，gwb r y a n t brs t a n m o r e a s hf o r m a t i o nm e c h a n i s m sd u r i n gp f c o m b u s t i o ni nr e d u c i n gc o n d i t i o n s 川e n e r g y & f u e l s ，2 0 0 0 t1 4 ，1 5 0 i 5 9 【4 】张军营，魏风。赵永椿，等p m 2 s 和p m l 0 排放的一维炉煤燃烧实验研究【j 】工程热物理 学报，2 0 0 5 ，2 6 ( s u p p l ) ：2 5 7 2 6 0 【5 1 孙伯仲，王擎，刘向莉，等集消烟除尘于一体的新型二次风装置【j 】锅炉技术，2 0 0 5 ， 3 6 ( 2 ) ：l 3 ，6 0 【6 】王春梅，张军营，周英彪，等煤燃烧超细颗粒物生成和控制的实验研究【j 1 工程熟物理 学报2 0 0 4 ，2 5 ( 6 ) ：1 0 5 3 1 0 5 6 【7 】郭欣，郑楚光，孙涛电厂煤飞灰颗粒的物理化学特征【j 】燃烧科学与技术，2 0 0 5 ，i l ( 2 ) ： 3 0 浙江大学硕士学位论文自键 第三章试验设备和样品分析方法的介绍 1 9 2 1 9 5 【8 】隋建才，徐明厚邱纪华，等燃煤锅炉p m l o 形成与排放特性的实验研究【j 1 工程热物 理学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 2 ) ：3 3 5 3 3 8 【9 】吕建皴，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 1 ( 2 ) ： 5 8 u o 赵承美，孙俊民，邓寅生，等燃煤飞灰中细颗粒物( p m 25 ) 的物理化学特性【j 】环境 科学研究，2 0 0 4 ，1 7 ( 2 ) ：7 1 7 3 ，8 0 【1 1 1 周强，梁汉东，李金英大气颗粒物的仪器分析方法【j 】分析测试学报，2 0 0 4 ，2 3 ( 3 ) ： 1 3 2 1 3 5 d 2 吕森林，邵龙义，时宗波大气可吸入颗粒( p m l o ) 中矿物组分的x 射线衍射研究【j 】 中国环境监测2 0 0 4 ，2 0 ( 1 ) ：9 1 2 ，8 浙江大学硕士学位论文肖键第四章混煤燃烧过程中飞灰颗粒捧放特性试验研究 第四章混煤燃烧过程中飞灰颗粒排放特性试验研究 4 1 试验煤种的选择 试验所采用的煤种基于灰分含量、灰熔点不同而选取。飞灰产率与原煤灰分 有着直接关系，飞灰的可能来源一煤粉缩核变细、燃烧时煤粉的破裂、破碎时直 接分离出的不可燃惰性物、某些矿物质蒸发冷凝的结晶和非结晶微粒【l l ，均与灰 分有关。s h i b a o - k a 等曾利用特殊取样装置观察到煤粉燃烧过程中无机组分的形态 变化，认为高灰分及高惰性组含量的煤，容易形成大量细粒飞灰【2 l 。岑可法等p 1 提到煤在接近燃尽时，焦炭颗粒往往破裂成更小的碎片，这一破碎过程无疑与焦 炭中矿物质的含量和性质有关。由此可以推测，灰的特性是影响飞灰颗粒排放的 主要因素。 我国电厂多燃用混煤，目的是为了解决煤在锅炉上的燃烧问题，主要是着火、 燃尽、结渣方面的问题。在解决锅炉结渣问题上，常采用高、低灰熔点煤掺配 煤灰熔融性取决于煤灰成分，煤灰是由各种矿物质成分组成的混合物，这种混合 物并没有一个固定的熔点，而仅有一个熔化温度范围。开始熔化的温度远比其任 一组分的纯净矿物质的熔点低。这些组分在一定温度下还会形成一种共熔体，这 种共熔体在熔化状态时，有熔解煤灰中其他高熔点物质的性能。煤灰中不同成分 对煤灰熔融温度的作用不同，那么不同煤种掺配在解决结渣问题的同时，是否会 对飞灰颗粒尤其是对可吸入颗粒物、超细颗粒物的排放特性有影响呢? 试验选取了平朔、保德、大优和神木煤，混煤由平朔、保德煤分别与大优、 神木煤按7 ：3 、5 ：5 、3 ：7 的比例进行掺配，其工业分析数据见表4 1 。试验煤 样的灰熔点测试结果见表4 2 ，单煤煤灰成分分析见表4 3 。大优、神木煤均为侏 罗纪煤，储量丰富，具有低灰、低硫、低磷、中高发热量的优点，是优良的动力 用煤。然而它们的灰熔点普遍较低，容易引起锅炉结渣。平朔、保德煤属于石炭 纪煤，灰分要高于大优、神木煤，但是灰熔点很高，煤的结渣特性极低。已有研 究证明，平朔、保德煤用作配大优、神木煤比较合适【4 0 】由表4 2 知。混煤样中 保德：神木= 3 ：7 的灰熔点最低，为1 3 4 1 ，用d t 判断煤中结渣性的界限为： d t 1 2 8 9 1 2 不结渣【1 1 。各混煤样的d t 均是大于1 2 8 9 c 的 表4 i 试验煤样的工业分析 煤种 工业分析， m “a 柚v 耐 f c 一 平朔 保德 大优 4 i l2 2 6 52 8 0 74 5 1 7 4 1 52 0 1 82 7 4 54 8 1 8 5 5 91 0 8 72 7 5 85 5 9 6 浙江大学硕士学位论文肖键 神木 平朔；大优 平朔：大优 平朔；大优 平朔：神木 平朔：神木 平朔：神木 保德：大优 保德：大优 保德：大优 保德：神木 保德：神木 保德：神木 平朔 保德 大优 神木 平朔：大优7 ： 平朔：大优5 ： 平朔：大优3 ： 平朔：神木7 ： 平朔：神木5 ： 平朔：神木3 ： 保德：大优7 ： 保德：大优5 ： 保德：大优3 ： 保德：神木7 ： 保德：神木5 ： 保德：神木3 ： 9 1 9 4 5 8 4 8 4 5 0 4 5 2 3 6 2 4 7 4 9 4 7 6 4 9 3 5 2 0 5 8 9 6 6 6 7 6 l 1 5 0 0 1 5 0 0 1 1 9 9 1 0 9 6 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 1 4 6 7 1 4 5 7 1 3 8 5 1 5 0 0 1 4 9 9 1 4 6 5 1 5 1 3 7 3 1 3 4 1 第四章混煤燃烧过程中飞灰颗粒捧放特性试验研究 6 9 0 1 9 3 2 1 6 8 7 1 4 1 l 1 6 8 5 1 4 8 6 1 1 3 2 1 7 7 5 1 6 0 7 1 4 0 4 1 6 0 0 1 3 6 9 1 0 9 8 1 5 1 5 0 0 1 3 3 6 1 1 4 7 1 5 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 1 4 0 2 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 1 5 0 0 1 3 9 4 1 3 8 0 3 2 2 3 2 7 9 7 2 7 8 1 2 8 0 0 2 8 3 5 2 8 9 6 3 0 3 2 2 9 2 6 2 8 9 2 2 8 3 7 2 9 1 l 3 0 1 3 3 1 0 6 1 5 0 0 1 5 0 0 1 3 4 8 1 1 5 i 1 5 1 5 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 。1 4 0 6 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 1 5 0 0 1 4 2 0 1 3 9 8 5 1 6 8 4 8 1 3 5 0 4 8 5 2 8 5 4 9 5 7 4 9 9 4 5 0 8 7 4 8 2 3 5 0 0 8 5 2 3 9 4 9 0 0 4 9 5 2 5 0 _ 3 5 1 5 1 5 1 1 9 9 1 1 5 3 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 1 4 2 6 1 5 0 0 1 5 1 5 1 5 0 0 1 4 7 8 1 4 1 0 3 5 7 3 5 7 3 5 7 3 5 7 九 又 爻九 兜孔 九 受 孔九 殳孔 3 5 7 3 5 7 3 5 7 3 5 7 浙江大学硕士学位论文肖键第四章混煤燃烧过程中飞灰颗粒捧放特性试验研究 表4 3 单煤的煤灰成分分析 4 2 试验条件的确定 煤粉燃烧试验使用的沉降炉，在第三章中有详细叙述。为了使得到的数据具 有可比性、分析性，提高试验数据的精确性，减少试验误差，需保持各试样试验 工况的稳定。本次试验除需保证试验参数恒定不变外，还要保证煤粉的充分燃尽， 这就需要确定最佳给粉速度、过量空气系数、一二次风温温度、着火段及燃尽段 温度水平等。试验前预做燃烧试验，沉降炉着火段和燃尽段的温度分别为7 0 0 1 2 和1 2 0 0 ，以保证煤粉的着火及时和燃烧充分。过量空气系数为1 2 ，一次风率 为2 0 ，二次风被加热到3 5 0 分别采用了五个给粉档进行给粉燃烧，对收集 的飞灰颗粒颜色进行观察比较，找出最佳给粉速率，在保证煤粉充分燃烧的同时 要保证给粉连续、均匀和稳定。在预做试验的基础上，对煤粉供给速度进行标定， 结果见表4 4 。采用如下公式对煤粉燃烧所需的空气量进行计算。每个工况所需 的时间根据试验煤样的灰分含量大致确定。对每个试验工况的飞灰颗粒进行两次 收集，以备不同的分析用。 矿= 1 2 x o 矿 o 0 8 8 9 ( c , + o 3 7 5 s , ) + 0 - 2 6 5 x h d 一0 0 3 3 3 0 a 6 沪给粉速度( k g h ) 表4 4 给粉速率 浙江大学硕士学位论文肖键第四章混煤燃烧过程中飞灰颗粒捧放特性试验研究 4 3 试验结果和分析 将收集的飞灰颗粒装入称量瓶中，对样品进行观察，飞灰是由不同形态、不 同粒度的颗粒组成，多数颗粒呈分散状，也有部分颗粒粘在一起。平朔与保德煤 的飞灰颗粒细度较均匀，没有较大的颗粒。而大优、神木煤及各混煤样的飞灰中 均有大颗粒存在，且随着大优或神木煤掺入比例的增大，粗颗粒明显增多、增大。 使用m a l v e mm s 2 0 0 0 型粒度分析仪测定飞灰粒度。结果如图4 1 所示，四个 单煤的飞灰颗粒粒径分布差异较大，平朔煤的飞灰颗粒粒径最小，保德煤的次之， 大优煤的较大，神木煤的最大，体积平均直径分别为2 6 0 2 3 1 m a 、3 0 2 1 9 i _ t m 、 4 3 9 6 9 p m 、7 9 0 4 6 p r a 。在小于l o i m a 的细粒子区，平朔煤的p m l o 、p m 25 的比例最 大。为进一步探讨混煤燃烧对飞灰颗粒尤其是可吸入颗粒物排放、超细颗粒物排 放特性的影响，本文进行了平朔、保德煤分别掺烧大优和神木煤的试验 图4 1 单煤飞灰颗粒粒径分布 4 3 1 混煤燃烧飞灰颗粒粒径分布特征 由图4 2 可见，混煤的飞灰颗粒粒径都比单煤平朔、保德煤的飞灰颗粒粒径 大随着大优或神木煤掺入比例的增大，各混煤的飞灰颗粒粒径依次增大但与 神木煤掺混的混煤的飞灰颗粒粒径分布向较大值方向有更大的偏移。尤其是细颗 粒所占的比例降的更低。平朔，大优、平朔神木、保德，神木混煤的飞灰颗粒粒径 分布均分别位于两组成单煤之间，而保德与大优煤掺混的部分混煤样的飞灰颗粒 粒径比组成的两种单煤的飞灰颗粒粒径都要大说明混煤燃烧时，影响颗粒粒径 分布的因素较为复杂。 浙江大学硕士学位论文肖键 第四章混煤燃烧过程中飞灰颗粒捧放特性试验研究 鋈纩2 器i 灸 x4 1从、 囊s 黟毽 1艚砭 泼f 百丽飞 粒度i t - 图4 2 混煤飞灰颗粒粒径分布 为便于比较各混煤的飞灰颗粒尺寸差异，将各试验煤样的体积平均直径汇 总，如表4 5 所示，各混煤的体积平均直径与飞灰颗粒粒径分布基本上呈相同的 变化趋势。神木煤的掺入对平朔、保德煤的飞灰颗粒尺寸改变较大优煤大 表4 5 各混煤飞灰颗粒的体积平均直径 体积平均粒径t a n 试验煤样一 7 ：35 ：53 ：7 4 3 2 混煤飞灰颗粒中p m l 0 、p m 2 5 所占比例的比较 由于可吸入颗粒及超细颗粒具有更大的环境活性和危害，将p m i o