燃煤特性燃烧工况对可吸入颗粒物形成影响研究

燃煤颗粒物的形成 燃煤颗粒物的形成与排放研究现4.3%58.1%28.5%9.1% 悬浮颗粒物（SPM：为所有大气颗粒物的通用术语（Aerosol总悬浮颗粒物（TSP100μm以下的颗粒[4]；PM1010μm的大气颗粒物[2]；ParticulatesPM10可入肺颗粒物（RespirableParticulates：能够进入人体肺泡的颗粒，通常指1PM2.5Black 燃煤可吸PM2.5Black 燃煤可吸入颗粒物对人体及环境的危 每增加100μg/m3,支气管哮喘、肺气肿、尘肺等呼吸系统疾病。冒咳嗽的发生率分别升高4.81%和4.48%。同时,成年男性患支气管炎的比率增加5.13%[5]Norris等[6]发现西雅图城市儿童哮喘急诊人数与颗粒物的污染水平显著相关,当颗粒物的浓度上11μg/m3时,急诊人数增加的相对危险度(RR)=1.15(1.08~1.23)过多的可吸入颗粒物沉积会损害肺部呼吸氧气的能力,PM10能和生存能力下降,1.07]。年,国家环保总局与美国国家环保局合作开展了一项“大气污染对人体呼吸健康影响研究”的课题,中,,年以上和已患心脏疾病的人群中表现得较为明显,认为可吸入颗粒物是引起心脏病的通常认为,大气颗粒物的污染与人类生殖功能的改变显著相关。许多研究发现大(影响不仅表现为造成胎儿出生时形态畸形,,2,,37μg/m3孕妇出现IURG,,37μg/m3孕妇出现IURG行研究发现(1.20~3.70),表明高浓度的细颗粒物污染可能会影响胚胎的发育含铅的颗粒物扩散到大气中,随呼吸道进入人体而影响身体健康。研究表明,铅对人体神经系统有明显的损害作用,可影响儿童智力的正常发育。母体接触铅污染后,1μm的含铅颗粒物在肺内沉积后,极易进入血液系统,大部分与红细胞结合,小部分形成铅的磷酸盐和甘油磷酸盐,然后进入肝、肾、肺和脑,几周后进入骨内，导致高级神经系统紊乱和器官调解失能,表现为头疼、煤在不完全燃烧过程中会生成多环芳烃(PAHs)PAHs可直接进入大气并吸附在颗粒物表面,2.5μmPAHs具有致癌、致突变、致残作用,因此对人体健康危害极大,其中苯并(a)芘(BaP)空气PAHs可以O3、NOx、HNO3等,应,转化成致癌或诱变作用更强的化合物,从而对人体健康构成威胁[12]不是直接的致死因素,PM10病、呼吸系统疾病和其他疾病的敏感体质患者死亡。据报道仅每年6万人和英国每年1万人的死亡[13]PM10流行病学研究表明PM1050μg/m3,4%~5%。PM1050μg/m311%[14]。据Ostro等[15]PM10时,PM1010μg/m3时研究1%~2%,3%~61%~2%等,主要集中在PM2.5上 因此可以认为大气中,等[16]的研究发现浓度的增加会导致发病率和死亡率的增加。平10μg/m3,%,部缺血性心脏病死亡率增加2.1%。Saldira[17]在 3PM10与老年人死亡率之间存在显著相关性PM10100μg/m3PM10与老年人死亡率之间存在显著相关性PM10100μg/m3,13%PM10对人类健康有着明显的直接危害作用综上所述 308个城市总悬浮颗粒物年平均值高于世界卫生组织（WHO）（0.09mg/m311433.4%。其中海口、33.4%。113个城市空气质量劣于三级，占统计城市数的33.2%2006年中国环境状况公报[1]，在其所监测的559个城市中（地级及以上城市322个，县级城市237个24个（占43、二级标准的城市个（58.1%159个（28.5%51个（占9.1%可达99%。大量的研究表明，PM10与能见度密切相关。大气能见度主要是由大气4未蒙上粉尘的叶子就增加了温度，妨碍新陈代谢和水分平衡[22] 煤粉燃烧过程中产生的颗粒物一般呈双模态分布[23-25]，包括一个细模态和一个0.2～2.2％；粗模态颗粒粒径通常大于1µm，故而也称为超微米颗粒，它们主要是焦无机物的汽化－凝结[23-5熔化矿物的聚合[31-焦熔化矿物的聚合[31-焦炭颗粒的破碎[36,40-矿物颗粒的破碎[31,32,34,45-热解过程中矿物颗粒的对流输运[50,细小外在矿物的直接转化[54]用。研究已经证明机理（1）对亚微米颗粒的形成起决定作用，机理（2）、（3） 亚微米颗粒物形成的研究现大量文献[23-25,55-58]先，在高温和局部还原性气氛下，煤中原子态无机质及矿物中易挥发成分（3％）以原子或次氧化物的形式气化，气化产物在向焦炭颗粒外部环境扩散的过程会通过均相成核形成大量细小微粒（<0.01µm发生碰撞的颗粒烧结在一起形成空气动力学直径大于0.36µm的团聚物。由此可见，行的一系列研究[23,24,30,59-62]证明只有气化－凝结机理才能很好地解释Na、K等易气化元素在亚微米颗粒上的富集，以及Si、Al、Fe、Ca和Mg等较难气化元素6 根据其含量的多少，煤中元素可以大致分为三类[63]：主量元素（C、H、O、NS，其含量通常大于1000ppm，构成煤的有机部分；次量元素（Si、Al、Ca、Mg、K、Na、Fe、Mn、Ti 根据其含量的多少，煤中元素可以大致分为三类[63]：主量元素（C、H、O、NS，其含量通常大于1000ppm，构成煤的有机部分；次量元素（Si、Al、Ca、Mg、K、Na、Fe、Mn、Ti、F、Cl、BrI，其含量在100-1000ppm之间；痕量元素，含量小于100ppm的元素。其中次量元素和痕量元素构成煤的无机部分，是1.1Na、K、Si、Al、Fe、CaMg难看出Na、 的熔点和沸点温度均低于其它元素，在典型的煤粉燃烧温度下（1800K）很容易发生气化，其它元素的气化量虽然相对较低，但是会对亚微米于1.1熔点沸点K碱金属Na、K0碱金属Na、K0℃CMCH2COOXCMCH3 可为H，Na，Mg或Ca，CM和CMt分别代表煤基质和焦炭，此反应X第二条重要的气化途径是羧化物首先分解释放CO2，金属原子与碳基质通过化CMCOOXCMXCMXCM此外，自由基的影响也不容忽视[65]金属氯化物通常以融解盐的形式存在于煤中，在热解和燃烧过程中也很容易气化，但是关于其气化形式却存在不同的观点。ee等[66]在实验室条件下燃烧三种Illinois煤，研究了碱金属的气化行为，结果表明NaCl等[67]认Na并非以NaCl分子的形式气化，Manzoori等[68]一步表明NaCl可能是以NaCl原子的形式气化的，尽管没有实验数据证明这一点。Quyn等[69]NaClNaCl的气化行为，结论也认为NaClNaCl原子的形式，而不是以NaCl分子的以硅酸盐形式存在的碱金属一般认为很难气化，如Crossley[70]8Marskell和Miller[31]在HCl时，碱金属沉积更为严重，他们ClMarskell和Miller[31]在HCl时，碱金属沉积更为严重，他们Cl不仅是反映碱金属含量的一个重要指标，而且对于硅酸盐中碱金属的气化具有重要影响。他们提出硅酸盐中的Na可能是通过如下途径气化的：NaXHClHX 是硅酸盐自由基。Burrell和Samms[71]稍后的研究也证明了HCl在碱金属气化过程中的重要作用，同时也发现K的气化量比Na低得多。除了Cl之外，硅酸盐本身对碱金属的气化量也具有重要影响，如Wickert[72]Raask[38]8个不同煤种研究了碱金属与硅酸盐的相互影响程度，燃烧温度为1700K，时间为10s。在实验过程中，Raask中硅酸盐结合态和非硅酸盐结合态的Na和K，结果发现，对于Na，在燃烧前主要90K50K存在于非硅酸盐中。因此认为，硅酸盐对Na和K的转化产生不同影响，即硅酸盐对Na的气化具有抑制作用，但是却是K的主要来源。Lindner和Wall[73]利用合成焦在层燃炉中进行了一系NaNaX石英的反应更加强烈，但是在有Cl存在的情况下却受到抑制。等[74,部分Na先发生气化，在较高温度下，硅酸盐可能成为碱金属蒸汽的源点（source）或汇（sink，这主要取决于蒸汽态碱金属与硅酸盐态碱金属之间的平衡关系[76]，而Na 1903年，Osann[77]就提出假设，SiO2SiO的形1903年，Osann[77]就提出假设，SiO2SiO的形低加热速率情况下，碳在低温下就开始燃烧，SiO2SiO2下，碳在高温下才开始燃烧，并有0.2µm明在高温以及碳存在的条件下，SiO2会发生气化，但是无碳存在时气化不会发生，从而支持了上述假设，即SiO2为C或者CO所还原，以SiO的形式气化。Schick[79]详细综述了氧化硅在高温条件下的气化特性，认为在不同气氛下 SiOCH2SiO形式气化。Nagelberg[80]等通过热力学和动力学计算研究了煤中H、N、S、Cl和Na对氧化硅气化的影响，结果发现S具有最大影响，在高温及有凝结碳或碳化硅存在的SiO2SiSS的浓度，而其它成分对QuannSarofim[24]20个煤样（SiO2、CaOMgO在高温条件下被最重要的影响因素。但是Senior和Flagan[81]的研究却给出了氧化硅气化的另一1600K，氧气含量从40％到100％的条件下燃烧，石英的气化量从0.3高到33％。根据实验研究以及模型计算，Senior和FlaganSiO2SiO的是，这两项研究的结论存在差异是不难理解的，由于Senior和Flagan[81]的是，这两项研究的结论存在差异是不难理解的，由于Senior和Flagan[81]综上所述，氧化硅在高温条件下可能以SiO2蒸汽、SiOSiS的形式气化，但是煤燃烧过程中，由于还原气氛的存在，氧化硅最可能为CO还原成更易气化的SiO，颗粒温度越高，还原气氛越强，其气化越剧烈。不难看出，Si的气化行为十分复杂，至今尚无定论，但是在锅炉正常运行条件下，Si的气化量较少，Raask[38]估算500MW锅炉中，Si的气化量仅有约0.01wt％。AlSiSi相比，Al的气化行为很少受仅有0.04～0.17％的Al发生气化，只占气化Si的0.1～0.25。Al的气化形式可为Al2OAlO，但是在还原性气氛下，Al2O3更可能为CO还原形成Al2O蒸汽，因Al2OAl主要的气化形式[82]AlCaMg的气化的关注不如碱金属和Si，可能因为在通常烟煤燃烧产生的细小颗粒物中，Ca、Mg的含量很少。但是在低阶煤如亚烟煤或者褐煤燃烧过程中，CaMgQuann和Sarofim[24]的研究数据表明在某些亚烟煤和褐煤燃烧产生的细颗粒物中，CaO和MgO2575％。他们发现低阶煤中原子态CaMgCaMg之间存在一定相关性，因此认为烟煤与褐煤燃烧过程中Ca和Mg气化行为的不同是由其赋存状态的差异造成的，因为在烟煤中，Ca和Mg主要以碳酸盐的形式存在，所以气化量很低，而在褐煤中，Ca和Mg主要以原子态存在，它们在煤的热解和燃烧过程中极易气化，所以在细小颗粒物中占有较高含量。和SiO2的气化机理相同，QuannSarofim[24]的模型提出CaMg的气化是通过CaOMgOCO之Brewer[82]详细综述了碱土金属的气化行为，认为从高氧化性到接近中性气氛金属氧化物都以金属原子的形式气化，这也能用于解释Quann和Sarofim[24]的研究结论，因为在煤粉燃烧过程中，局部还原性气氛是始终存在的，所以金属氧化物都以金属原子的形式气化，这也能用于解释Quann和Sarofim[24]的研究结论，因为在煤粉燃烧过程中，局部还原性气氛是始终存在的，所以CaO和Nenniger[83]利用褐煤在一个类似于Quann和Sarofim[24]所用反应器中研究了热解气氛下无机物的气化行为，温度为1500－2100K。她将Quann和Sarofim[24]的模型用于Mg的气化研究，结果十分接近，但是对于Ca却存在较大差异。NennigerCaCaCaS5种反应途径，CaNennigerCaOC原，而不是被CO在所讨论的几种元素中，Fe的气化可能最为复杂，因为其主要来源是黄铁矿。20％矿物[76]，所以与燃烧的焦炭相似，外在黄铁矿颗粒的温度可能超过烟气温度。但是周围环境为氧化性气氛，因此不是气化Fe程更难以预测。例如在焦炭燃烧情况下，与Fe相比，Ca与S具有更高的亲和性，CaS，而且还可能吸附Ca，这在Mitchell和Cluskoter[84]的研究中可以得到支持，他们发现在煤燃烧中Ca-Fe-O是一种常见的矿物形式。黄铁矿中的Fe可能以Fe或者FeS的形式气化[76]，而原子分散状态的铁元素可首先形成碳化铁（FeC，随后分解释放气体，Raask[38]认为这个过程促成了灰胞的形成。Quann[24]Fe以原子态气化，但是基于几个假设，其一是在燃烧初期所有S已经完全释放，其二是燃烧过程中没有其它矿物的影响。模型预测结果在FeSFeSCOFe煤中痕量元素主要以FeSCOFe煤中痕量元素主要以有机盐、羧基官能团（－COOH）和无机质（如黄铁矿其它硫化物、铝硅酸盐、碳酸盐）等形式存在[85-88]。含（Hg、铅（Pb、硼（B、铬（Cr、镍（Ni、钒（V）等，由于其毒害作用（As、硒（Se）也是关注的焦点。根据挥发性的不同，痕量元素可被分为三类[89]。本身挥发性，而且还受很多因素的影响，包括[90]（1）痕量元素在燃料AsAsO、As4O6、As2O5，CdCd和CdO，CrCrOOH，CrO2OH和CrO2（OH）2，HgHg，PbPb 以PbO，SbSbO，Se以单质Zn。Co、Cu、NiCu，B3+=Al、Fe、Cr[27,87,91-99]。 均相成核 均相成核 几个原子构成的原子簇，其尺寸在纳米级以下[100]。Seinfeld和Pandis[101]首先向合成焦中分别单独添加硝酸镁或者硝酸铁，合成焦中铁的浓度为1％，镁的浓度为2.9％，并将含有硝酸镁或者硝酸铁的合成焦混合进行燃烧实验，烟气温度为1750K，氧气分压为0.8，颗粒温度经计算为2400K，在燃烧过程中有相当部使蒸汽相的铁与镁的浓度分别均为50％。进行了两组实验，给粉速率分别为0.032g/min0.075g/min，分别对应焦炭颗粒之间距离为22～31个颗粒直径大小，MgOFe为更进一步证明上述结论，Helble又制备了同时含有硝酸镁和硝酸铁的合成焦，其氧气含量80％，给粉速率为0.032g/min。对产生颗粒物的元素分析发现所有颗粒都同时含有Mg和Fe但是并非所有煤燃烧产生的亚微米颗粒都主要由Mg和Fe的氧化物构成，如Na在颗粒生长的最后阶段开但是并非所有煤燃烧产生的亚微米颗粒都主要由Mg和Fe的氧化物构成，如Na在颗粒生长的最后阶段开 和 似。同样对产生的颗粒物进行元素组成分析，结果发现Na存在于所有颗粒物的表上述结果表明煤灰中主要成分，Mg、Fe以及Si等难熔氧化物蒸汽的均相凝结和凝并生长均发生在焦炭颗粒边界区域中，而高挥发性组分如Na气中，当温度降低时在所有颗粒物表面凝结。这些实验结果也为Neville等[23] Friedlander[25]指出，由于均相成核的时间比颗 凝并（coagulation）和聚结（agglomeration）略有不同，最终颗粒物的形态也存在差异。从图1.1可以看出，凝并是发生碰撞的并成为一颗灰粒，而是彼此烧结、缠绕在一起，形成具有不规则外形的聚结灰[56]发现对于难熔氧化物蒸汽（Mg、Fe以及Si等1.11.1似的规律。Helble和Sarofim[30]详细研究了火焰中一次颗粒尺寸的影响因素：（较低温度下，亚微米颗粒具有较短的凝并时间，因此形成的颗粒粒径较小（2）Fe2O3凝并发生的温度比其它组分都要低（<1700K，能够形成较大的一次颗粒，因此如果颗粒中Fe2O3含量很高，则凝并发生的温度较低，形成一次颗粒的粒径也较大。而SiO2发生凝并的极限温度约为2400K，所以形成一次颗粒的粒径较小，在实际燃烧系统中，SiO2通常覆盖在难熔氧化物形成的颗粒内核上[23]，如果颗粒中SiO2的含量较高，那么最终凝并形成一次颗粒的粒径0.36µm的聚结物[56]由于发生在微观尺度内，表面凝结（surfacecondensation）和表面反应（surface0.36µm的聚结物[56]由于发生在微观尺度内，表面凝结（surfacecondensation）和表面反应（surface表面凝结/反应是蒸汽态物质向已存在颗粒的表面地沉积，该过程不会改变颗粒物亚微米颗粒相互作用的结果[56]粒径较小的颗粒具有较大的比表面积，因此易于富集挥发性元素，如碱金属、和,Knudsen1，因此颗粒表面凝结的挥发性元素的质量浓Knudsen1，因此颗粒表面结不同之处[100] 超微米颗粒物形成的研究现 超微米颗粒物形成的研究现（>99%中所含矿物会聚合在一起，生成一颗10～20µm左右的飞灰[56]。但是，在实际燃烧过程中，焦炭颗粒却会发生破碎，生成许多大小不一的飞灰颗粒，如Sarofim等[108]的实验室研究发现由于焦炭破碎，每个焦炭颗粒会产生3～5个大于10µm的10µm的灰颗粒[109]碎这两个过程相互竞争的结果44]。除此之外，外在矿物的直接转化及其 200～300K，甚至达2000K[110]焦炭表面形成球状灰滴[111,112]。研究[56,111-113]（coalescence1.2粒粒径增加较快，而反应中期则较为平缓[36,114]（1）1.2粒粒径增加较快，而反应中期则较为平缓[36,114]（1）表面灰的聚合程度是决定残灰最终粒径分布（PSD）的重要因素，聚合程度越高，生成飞灰粒径越大。对聚合行为通常采用以下三种模型来进行描述[32,36]：非聚合模型（no-coalescence，部分聚合模型（partial-coalescence，全聚合模型（full-coalescence）[39]Kang[36]对残灰颗粒的形成进行了较为系统Kang[36]对残灰颗粒的形成进行了较为系统的模拟研究，他从不同的角度提是焦炭破碎与矿物聚合行为相互竞争的结果44]种类、大小以及化学组成具有很大的关系[76]。例如Padia[113]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。这是由于高挥碎[44,116]，因此对灰粒聚合过程具有强烈的抑制作用，所以Padia实验中烟 径分布，破碎过程使灰粒数量增大，而粒径减小 种热解形成的煤焦具有不同的结构特性[36,56,径分布，破碎过程使灰粒数量增大，而粒径减小 种热解形成的煤焦具有不同的结构特性[36,56,116]，一般来说，高挥发性烟煤由于发生破碎，颗粒壁面越薄，破碎更加剧烈44]灰颗粒的形成过程。为简化模型，Kang提出如下假设：（1）（2）（3）（4）表面灰相互接触时聚合发生，即没有时间延迟，形成颗粒的质量是发聚（5）（6）0.9Kerstein（3）（4）表面灰相互接触时聚合发生，即没有时间延迟，形成颗粒的质量是发聚（5）（6）0.9KersteinEdwards[117]的模型的基础上发展而来，是一种越大。但是，实验研究[36,41,56]发现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（>0.05µm。Helble[56]通过实验对大孔导致破发现不同煤种的煤粒产生飞灰的平均数目不同，Montana褐煤为3，而Pittsburgh烟煤则为5，这时由于Pittsburgh发现不同煤种的煤粒产生飞灰的平均数目不同，Montana褐煤为3，而Pittsburgh烟煤则为5，这时由于Pittsburgh烟煤易于形成煤胞结构，焦炭的中空结构使得破 粒表面时，周围高温环境会使其熔化而发生重新聚合[36]。例如Yan[32]在DTF为[32,45,47,119]Poisson分布。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（PSD，使得残灰平均粒径减小。不同矿物的破碎程度不尽相同，煤在DTF中燃烧的实验研究表明方解石、黄铁矿在燃烧中会发生破碎，黄铁矿的破碎程度要稍高于方解石的破碎程度[32]英以及其他硅酸盐（如高岭石、蒙脱石等）不破碎[38]石没有明显的破碎[38,39]，在实验室中模拟电站锅炉运行情况，菱铁矿和铁白云石没有明显的破碎[38,39]，在实验室中模拟电站锅炉运行情况，菱铁矿和铁白云 研究[36]发现，煤粉脱挥发分阶段大量挥发性气体的快速释放，会使颗粒作高100m10转/秒，因此，颗粒旋转产生的离心力可能使表面的灰滴脱落（shedding而形成粒为了检验这种可能性，Helble[56]分别计算了使灰粒附着在焦炭表面的表面张焦炭转速为1000转/秒的情况下，100µm焦炭表面的灰粒粒径必须达到80µm才能在离心力和重力作用下从焦炭表面分离开来，而在2300K时，灰粒粒径则必须大于200µm。因此得到的结论是在实际煤粉燃烧过程中，焦炭表面灰粒的脱落现象不会发生。Monroe[116]通过研究也得出了类似的结论。由此可见，关于表面 沉降炉实验系统的搭 沉降炉实验系统的搭 预搭建的实验系统包括给粉系统、反应器系统、样品采集系统及辅助系统（气系统及冷却水等，实验系统如图2.1 料装置在正常给料（大于1g/min）（小于1g/min）时存在精确度和稳定度差。特别是在实验室研究时，经常需要满足0.1－0.4g/min左右的给料量，由于给料量小，同时又必须满足精度和稳定度，普通给料装置难以实现。本沉降炉使用日本SankyoPiotech公司设计生产的MFEV-10台的转速来调节。因此，给粉量可调低到其最大流量的1/2002.12.12.26261228834563422237223723作用后，形成高度一致的样品层，多余样品即沿管路进入余料回收罐7。经过第一刮板3后形成的样品层，其边缘处容易参差不齐，微量给料状态下足以导致很大误45，从而控制第二刮板552.2F=（H-H1）×n×π×ρ×(D×W-F：给粉量 56mm2000mm16001500mm，电加热总功率为 PID压表以及数字温度显示等组成。控温精度达到0.1摄氏度。采温点接触于刚玉管外2.3示。第一段将温度在30min匀速升至500℃，第二段在此温度停留10min，第三段将温度在30min匀速升至900℃，第四段在此温度停留10min，第五段将温度在20min PID压表以及数字温度显示等组成。控温精度达到0.1摄氏度。采温点接触于刚玉管外2.3示。第一段将温度在30min匀速升至500℃，第二段在此温度停留10min，第三段将温度在30min匀速升至900℃，第四段在此温度停留10min，第五段将温度在20min110010min20min匀速10min1400999min（代表无限时间。每次历时约3小时可将炉温升至1400℃。报警输出选用可控硅无触00时间2.3 结构如图2.4与一次风混合后由一次风携带进入炉膛，一次风量的比例一般 结构如图2.4与一次风混合后由一次风携带进入炉膛，一次风量的比例一般 预热器的主要作用是将冷空气或着模拟气体升温 煤粉入一次风入冷却水入冷却水入二次风入密封垫刚玉气粉混合物出炉 Pressure 取样管的结构如图2.5煤粉入一次风入冷却水入冷却水入二次风入密封垫刚玉气粉混合物出炉 Pressure 取样管的结构如图2.52.52.5 旋风分离器为芬兰Dekati公司的产品，其结构如图2.6所示。旋风分离器通过导管、连接件与取样管尾部相连，用来脱除烟气中大于10μm的颗粒物。该旋风分EPA-201A标准，标准流10lpm，切割直D5010μm，可以在600℃以下正常工作。实际实验条件下的流量及切割直径根据实验条件和Dekati公司旋风分离器产品附带的计算程序得出，与气体流量、环境温度、烟气中水分的含量、采样点的压力等多个因素相关。烟气的流量在10lpm左右，切割粒径D5010~11μm2.6 2.6 LPI进行颗粒物的分级取样。LPI为Dekati13个层叠的撞击器。撞击器的实物结构和原理如2.72.8LPI时由于惯性作用，不同的粒径的颗粒将被不同的收集基片捕捉。标准条件下，LPI的配置参数如表2.1所示。LPI100mbar大收集质量为1mg，因而要达到较好的收集效果，需要调整适当的颗粒浓度和恰当的收集时间，有关LPI的详细使用方法可以查看Dekati公司附带的产品说明书或2.7LPI2.7LPI2.8LPI2.1DLPI压力1234567893112.1DLPI压力123456789311 D07－7B/ZM型质量流量控制器和D08-2D/ZM型流量显示仪。质量流量控制器由流量传感器、分流器通道、流量放大电路、调节阀门和PID控制电路等部件组成。其工作原理是：流量传感器采用毛细其准确度是正负1.5%F.S(满量程值)，线性是正负(0.5-1.5)%F.S0.2%F.S，工作压差范围(0.1-0.5)MPa，耐压可其准确度是正负1.5%F.S(满量程值)，线性是正负(0.5-1.5)%F.S0.2%F.S，工作压差范围(0.1-0.5)MPa，耐压可3MPa，工作环境温稳定至设定值，这种操作方法应当避免。另外，注意使用前不通气先通电预热流量计使用氮气(N2)标定，当使用其它单组分气体时，须通过4.2即得到被测气体在标准状态下的质量流量。当使用多组分气体时（假定由nC0.3106N/其中： 为气体在标准状态下的密 为气体分子构成系数（NN1(1/T)N2(2/T)Nn(n/TC0.3106[N1(1/T)N2(2/T)Nn(n/T1Cp1(1/T)2Cp2(2/T)nCpn(n/C0.3106[N1(1/T)N2(2/T)Nn(n/T1Cp1(1/T)2Cp2(2/T)nCpn(n/T11Cp1CpnN1Nn------为相应气体的流------为混合气体的流------为相应气体在标准状态下的密度（数值见气体转换系数------为相应气体的定压比热（数值见气体转换系数-------为相应气体的分子构成系数，数值见气体分子构成系数2.2N2.3 （2）（3）炉膛的气密性：在炉膛出口连接泵，保证系统负压，在入口端通入纯 （2）（3）炉膛的气密性：在炉膛出口连接泵，保证系统负压，在入口端通入纯（99％气的含量小于3％，则可以认为系统的气密性良好。在观察压力计并调整计量阀以得到一个100mbar的读数（+5mbar的允许范围。10mbars。如果以上数据合 设定值（900℃，1000℃，100℃，1200℃，1300℃30min后，启动流量控制系统，通入纯N2（流量是10L/min，然后通过热点偶从炉膛底部伸 设定值（900℃，1000℃，100℃，1200℃，1300℃30min后，启动流量控制系统，通入纯N2（流量是10L/min，然后通过热点偶从炉膛底部伸1000mm2.9所示，在低温段，温差很小，随着温度的升高，温差逐渐增大，但是相对误差小于62.9 具体测试方法如下：将炉温升至1200℃，给粉量定为0.2g/min，空气气氛下燃烧。使用虑筒（孔径0.03μm）收集燃烧以后的飞灰样品。采用灰分示踪法计算不Bc=1-A0/(100-A0)·(100-Ai)/是煤粉燃尽率，A0为原煤灰分，Ai为灰样的灰分（干燥基2.428个煤样的挥发分以及其燃尽率。从表中可以看出，对于大部分煤而言，其在1200℃的燃尽率可以达到96%具体测试方法如下：将炉温升至1200℃，给粉量定为0.2g/min，空气气氛下燃烧。使用虑筒（孔径0.03μm）收集燃烧以后的飞灰样品。采用灰分示踪法计算不Bc=1-A0/(100-A0)·(100-Ai)/是煤粉燃尽率，A0为原煤灰分，Ai为灰样的灰分（干燥基2.428个煤样的挥发分以及其燃尽率。从表中可以看出，对于大部分煤而言，其在1200℃的燃尽率可以达到96%以上，其中有半数在99%以上，但是对于不同的煤种而言，还存在差异。整体而言，沉降挥发分燃尽率挥发分燃尽率 燃烧工况对可吸入颗 燃烧工况对可吸入颗粒物形成的影 引对于可吸入颗粒物（PM10）而言，除尘效率却相对较低，尤其对于亚微米颗粒物（PM1）除尘效率更低，且亚微米颗粒物容易富集大量有毒有害的重金属元素粒物排放的目的。众所周知，对于燃煤后产生的常规污染物NOx，有三种的不同生NOxNOxNOxNOx70%85%；热力NOx占15%至25%；其余为快速NOx，其比例很小。由于NOx生成的最大特点就是与煤的燃烧方式和燃烧工况有关，NOx生成量强烈地依赖于燃烧的温度水平和NOx的方法：例如分级燃烧、再燃烧、浓淡偏差燃烧和低氧燃烧等，其基本思路是：使已生成的NOx被还原；设法造成缺氧富燃的燃烧法都是通过改善燃烧方式、改变锅炉运行条件来降低NOx 表3.13.2煤的工业分析和元素分析的影响不是太明显，差别不是很大。表3.3SiAlSi，Ca，AlFe(Wt(Wt(Wt(Wt煤的工业分析和元素分析的影响不是太明显，差别不是很大。表3.3SiAlSi，Ca，AlFe(Wt(Wt(Wt(Wt3.2C(WtH(WtN(WtS(WtO（计算值(Wt3.2C(WtH(WtN(WtS(WtO（计算值(Wt(Wt(Wt(Wt(Wt(Wt 0.2g/min，气氛为 0.2g/min，气氛为N:O=4:1N:O=1:1，由高压瓶通过精确流量计供给，并分两路送入炉膛，燃烧温度控制为1150℃、1250℃和2s。燃烧后产收集，同时被分成13量不超过1mg。根据研究目的的不同选择不同的收集膜片，为获得颗粒物质量粒径分布，采用涂有L型阿匹松脂（Apiezon TissuquartzTeflon 颗粒物的质量粒径分布通过SartoriusM2P型百万分之一天平（精度为mg）DLPI各级膜片在天平上进行称量，二者之差即为该级收FEISirion200（FieldEmissionScanningElectronMicroscope，FESEM）EDAXEAGLEIIIX射线荧光能谱仪（X-RayFluorescence，XRF）进行分析，分析的元素包括主要的成灰元素如Si，Al，Mg，Ca，Fe，Na，K，SP 炉膛温度对可吸入颗粒物形成的影 炉膛温度对超微米颗粒物排放量的影响如图3.1<63μmN:O=4:1。由实验结果可知，随着温度的升高，超微米颗粒物的排度从1423K增加到1523K时，超微米颗粒物的增加有限，而当温度再次增加到六盘水煤增加比较均匀。引起这种现象的原因主要有两点：（1）燃烧温度增加3210平顶山六盘水萍乡小龙潭3.1PM1-10conc.EDAXEAGLEIIIX射线荧光能谱仪（X-RayFluorescence，XRF）进行分析，分析的元素包括主要的成灰元素如Si，Al，Mg，Ca，Fe，Na，K，SP 炉膛温度对可吸入颗粒物形成的影 炉膛温度对超微米颗粒物排放量的影响如图3.1<63μmN:O=4:1。由实验结果可知，随着温度的升高，超微米颗粒物的排度从1423K增加到1523K时，超微米颗粒物的增加有限，而当温度再次增加到六盘水煤增加比较均匀。引起这种现象的原因主要有两点：（1）燃烧温度增加3210平顶山六盘水萍乡小龙潭3.1PM1-10conc. 炉膛温度对亚微米颗粒物排放量的影响如图3.2山三种煤燃烧后亚微米颗粒物随温度的增加比较均匀；萍乡和小龙潭在 1523K 炉膛温度对亚微米颗粒物排放量的影响如图3.2山三种煤燃烧后亚微米颗粒物随温度的增加比较均匀；萍乡和小龙潭在 1523K两个温度下，亚微米颗粒物的排放量几乎相等，而当温度上升到1673K时 时，煤粒表面的SiO2，Al2O3，CaO，MgO，FeO等，会通过化学反应生成易挥发的次氧化物（SiO,Al2O）或金属单质（Fe,Ca,Mg）蒸汽，反CO2MgO＋CO→Mg(g)＋CO2Al2O3＋H、S等还原成易于挥发的次氧化物，如：物质的气化量从1另外，矿物质在煤中的结合形式对其气化也有很大影响[120]平顶山六盘水合萍 可吸入颗粒物物理和化学特 XRFDLPI素组成，这些元素包括Al、Si、Ca、Fe、Na、K、SSi、Al、Fe、Ca、Na、K、PM1conc.另外，矿物质在煤中的结合形式对其气化也有很大影响[120]平顶山六盘水合萍 可吸入颗粒物物理和化学特 XRFDLPI素组成，这些元素包括Al、Si、Ca、Fe、Na、K、SSi、Al、Fe、Ca、Na、K、PM1conc.乡烟煤和小龙潭褐煤作代表介绍。实验条件仍以燃烧温度为1673K<63μmN:O=4:1的实验结乡烟煤和小龙潭褐煤作代表介绍。实验条件仍以燃烧温度为1673K<63μmN:O=4:1的实验结果为例3.3PM10NaS主要存在于因此推断亚微米颗粒物的主要化学成分应该是硫酸盐类；元素SiAl主要存在于超微米颗粒中，并且Si的浓度值是所有成灰元素中最高的，在亚微米颗粒物中含量有限，因此推断超微米颗粒物的主要化学成分应该是硅铝酸盐类；Fe和Ca呈双程度上导致它们在PM10中分布不同，以上金属元素按气化比从大到小排列为[121,122]：Na2O>K2O>Fe2O3>CaO>SiO2>Al2O3。可见最容易汽化的Na2OK2OPM1.0含量丰富PM1.0形成的主要途径就是汽化凝结；Fe2O3CaO化比介于中间；而SiO2和Al2O3最不易汽化，因此它们在PM1.0程中易于气化，后一种形式很难气化。例如元素NaK11658S4634221001155443322110011ElementConc.ElementConc.K11658S4634221001155443322110011ElementConc.ElementConc.32101 特性，首先将煤灰中的成分分为四类[125,126]：(1)难熔性金属元素，包括SiO2、Al2O3、Fe2O3CaO；(2)K2O32101 特性，首先将煤灰中的成分分为四类[125,126]：(1)难熔性金属元素，包括SiO2、Al2O3、Fe2O3CaO；(2)K2ONa2O；(3)SO3，假定以碱金属和碱土金属形式存在；(4)其它，包括MgO、P2O5和痕量重金属元素等。依据3.43.5分别给出了五种煤种的超微米颗粒和亚微米颗粒的元素组成。1673K，煤粉粒径<63μmN:O=4:1的实验结果为80%SS0六盘水萍S0合 S0六盘水萍S0合 果如图3.6所示，实验条件同上节相同。本节只以四种典型元素为例，Na代表易气化的碱金属元素，Si，Al和Fe代表难熔元素。从实验结果可以看出，随着炉膛是因为Na最易气化，因此温度对其影响很敏感。难熔元素Fe，Si和Al越来越不易气化，但是因为Si元素是灰成分中含量最多的元素，因此当温度从1423K升高素Al最不易气化，因此只有很高温度才能对其影响较大，其气化程度增加最小，41%08温度15001550温度果如图3.6所示，实验条件同上节相同。本节只以四种典型元素为例，Na代表易气化的碱金属元素，Si，Al和Fe代表难熔元素。从实验结果可以看出，随着炉膛是因为Na最易气化，因此温度对其影响很敏感。难熔元素Fe，Si和Al越来越不易气化，但是因为Si元素是灰成分中含量最多的元素，因此当温度从1423K升高素Al最不易气化，因此只有很高温度才能对其影响较大，其气化程度增加最小，41%08温度15001550温度1550温度 温度气化量气化量气化量气化量 学形态的变化，却无法通过试验观察到，例如，在高温燃烧过程中，元素Na容丰富的热力学性质数据库结合的一个热力学数计算系统。它是 学形态的变化，却无法通过试验观察到，例如，在高温燃烧过程中，元素Na容丰富的热力学性质数据库结合的一个热力学数计算系统。它是1979年开发才出是核心部分；（2）5000多种化合物的物理化学特性（焓，熵，比热，Gibbsdatabase（3）热力平衡分析并没有考虑实际焦燃烧过程中的可能造成的局部还原气 （3）热力平衡分析并没有考虑实际焦燃烧过程中的可能造成的局部还原气 viAii（3-v式中i 的计量系数。反应物的i为负值，产物的iAin各物种的摩尔数idn1（3-λn应的GfT,P,n1,n2nk（3-在一定温度、压力条件下，G kG（3-GGGGdTGGfT,P,n1,n2nk（3-在一定温度、压力条件下，G kG（3-GGGGdTGkdP njPTi1Tikkj（3-Gkkkdn vj iTi1 （3-j是自发过程的标kkT Gv 是可逆过程或平衡到达的标 ii是不可能发生的假象过程的标（3-kk 2idn2iv1iv2ii12分dnidn1i（3-kkkdGidniv1iid1d1kkkdGidniv1iid1d1,dG=0kkvv1i2in若组元i的起始摩尔数 ，则平衡时的摩尔 应为iinn0vv （3-i1,式中，jGibbs质量作用方程组求解平衡成分的基本原理如下：若平衡体系中有 ni(i1,N)rMM个Gibbs自由能最小化方法。Gibbs自由能(G)TniG总ni还应满足以 值都应该不小于0，即(G)TniG总ni还应满足以 值都应该不小于0，即（3-i（3-i=1，2Gi的iRTln0（3- iPixiP,xini/ii 1；对于非理想体系，则应以活度代替浓度或分压 0ii可以由一般热力学原理求出，有了上面的热力学数据，就可以计算体系的GGibbs自由能最小化方法就是在满足边界条件（3-10（311）处理这种附有约束条件的某种函数的最小化问题，常用的方法是 aieni（3-i将上式乘以待定常数e(aieniBe)aieni（3-i将上式乘以待定常数e(aieniBe)（3-i对e来说，e=1,2,...MMLuinie(aieniBe（3-iei（3-uieaie0(i1,,N（3-eni(i1,N)和e=1,2,,在这（N+M）个方程中，未知数，也是ni和Gibbs热力学计算所研究的系统是：煤中的主量元素（C、H、O、N、S，煤中成灰P总压力保持1atm，温度步长为100K。假设系统中的气体是理想气体，凝结相都是成为：79％N221％O21.5（1）3.7所示，（1）3.7所示，Na1200很容易和水蒸气发生化学反应，形成更加稳定的NaOH，到1700℃时，固态的NaAlSi3O8完全消失，所有Na的化合物全部变成气态，并主要以钠单质和NaOHNaClNaOHCl气体反应生成。但是，热力学平衡分析没有考虑在烟气中的物理过程，试验中发现NaNa2O成核形成大量粒径非常细小的一次亚微米颗粒物，这些颗粒与烟气中SO2P4O6、HCl气体发生反应，生成物构成了PM1.0化学成分的一部分。由于试验中超过1700℃，还有少量钠化合物存在于PM1.0-10中，根据热力平衡计算结果，应该主要是固态的NaAlSi3O8。1400℃和大气压下，热力平衡反应过程如下所示。对于一个固定质量的系统，在恒温恒压下进行的反应，可以用其吉布斯自由能的变化（G）来判断一个G<0G>0；2Na(g)+0.5O2(g)→Na2O(s)+SO2(g)+0.5O2(g)→Na2O(s)+2HCl(g)→2NaCl(g)+H2O(g)3Na2O(s)+0.5P4O6(g)+O2(g)→2Na3PO4(s)△G=-117.5△G=-265.3△G=-319.8△G=-11420 3.7（2）元素钾和钠同属于易挥发的碱金属元素，计算结果如图3.8在14002K(g)+0.5O2(g)→△G=-44.66K2O(s)0 3.7（2）元素钾和钠同属于易挥发的碱金属元素，计算结果如图3.8在14002K(g)+0.5O2(g)→△G=-44.66K2O(s)+SO2(g)+0.5O2(g)→K2O(s)+2HCl(g)→2KCl(g)+H2O△G=-353.9△G=-426.9K2O(s)+0.25P4O6(g)+0.5O2(g)+0.5H2O(g)→-393.7△GK2O(s)+SiO(g)+0.5O2(g)→△G=-658.8NaAlSiO20 温度℃3.8（3）原煤中的铁主要以黄铁矿（FeS2的形式存在，在氧化性气氛下，黄铁矿首先热解为磁黄铁矿（FeS，然后被氧化成FeO0 温度℃3.8（3）原煤中的铁主要以黄铁矿（FeS2的形式存在，在氧化性气氛下，黄铁矿首先热解为磁黄铁矿（FeS，然后被氧化成FeO和Fe2O3，随着温度的继续升高，因FeOFe2O3Fe3O4FeO气化；剩余的结晶生成磁铁矿（Fe3O4。但是随着焦的燃烧完全，进入烟气冷却过程中，部分Fe3O4又转变成Fe2O3，因此实际的PM1.0-10中是同时含有Fe3O4和Fe2O3。而气化的部分FeO蒸气在向外扩散的过程中遇氧发生反应，生成固态的Fe2O3，并均相成核形成一次亚微米颗粒，后与其它细小亚微米颗粒凝并长大，构成了PM1.0 在1400FeO(g)+0.25O2(g)→△G=-2840 3.9（4）原煤中的硅主要以石英矿（SiO2）18003.10SiOSiO0 3.9（4）原煤中的硅主要以石英矿（SiO2）18003.10SiOSiO的熔点比石英矿低100℃左右。因此可以知道，由于在实际的燃煤过程中造成的局部还原气氛，SiO2与焦发生还原反应生成气态SiO，而多孔煤质和烟煤更容易形成还原气氛，因此也更容易使硅元素气化。气化的部分SiO蒸气在向外扩散的过程中遇氧发生反应，生成固态的SiO2，并均相成核形成一次亚微米颗粒，后与其它细小亚微米颗粒凝并长大，构成了PM1.0和硅铝酸盐的形式存在，这主要是因为原煤中本身存在粒径小于10µmPM1.0-10，即以SiO2Al6Si2O13在1400SiO(g)+0.5O2(g)→△G=-374.40 3.10（5）OAlOHAlOH的形式存在。对于AlOHCobos证实有两条途径可以生成[1280 3.10（5）OAlOHAlOH的形式存在。对于AlOHCobos证实有两条途径可以生成[128]，气态铝元素与水蒸气发生反应；或者HAlO原子团发生反应；从动力学的角度，后者更容易实现。对于气态物质OAlOH，学者Cobos发现，对于可能的三种结合反应方式：（O-AlOH）,（OAl-OH）,（OAlO-H）,仅且只OAlOH发生反应而生成。在实际燃煤过程中，气化的少量OAlOH和AlOHAl2O3，并均相成核形成一次亚微米颗粒，后与其它细小亚微米颗粒凝并长大，构成了PM1.0化学成分的莫来石Al6Si2O13NalSi3O8KlSi2O6CalSi2Ol元素在PM1.0-10中的主要存在形式。在1400△G=-AlOH(g)+0.5O2(g)→0.5Al2O3(s)+SiO2AlSiO62OAlOH(g)-906.9→++△=0 3.11图 氧气含量对可吸入颗粒物形成的影 OAlOH(g)-906.9→++△=0 3.11图 氧气含量对可吸入颗粒物形成的影 3.12所示。实验结果证实，当氧浓度由20%增加到50%时，各煤种超微米颗粒物均增加了3倍以上。并且对于灰分较高的合山煤和萍乡煤而言，增加更加剧烈。学者Buhre[125]也在沉降炉中做过相同的实验，实验结果如表3.4所示，其实验温度为1673K，煤粉粒径是63-90μm，表中结果是PM10和PM1占总灰的质量百分比。结果与本实验结果结论AlSiO627N:O=N:O=6543210平顶山六盘水合萍图 3.4氧含量与颗粒物排放量(B.J.P.CRCCRCCRCCRCCRCCRCCRCCRCCRCCRC引起这种现象的原因主要有两点：(1)氧含量的增加引起焦燃烧温度和焦颗粒表面温度大幅度增加。学者imoth[129]曾测得在温度为1700K的炉膛，在20%50%氧气燃烧情况下，焦表面的燃烧温度分别为约2300K2800K。更高温度3.13所示。低温区（I）PM1-10conc.7N:O=N:O=6543210平顶山六盘水合萍图 3.4氧含量与颗粒物排放量(B.J.P.CRCCRCCRCCRCCRCCRCCRCCRCCRCCRC引起这种现象的原因主要有两点：(1)氧含量的增加引起焦燃烧温度和焦颗粒表面温度大幅度增加。学者imoth[129]曾测得在温度为1700K的炉膛，在20%50%氧气燃烧情况下，焦表面的燃烧温度分别为约2300K2800K。更高温度3.13所示。低温区（I）PM1-10conc.内部和表面同时进行，颗粒的直径与密度同时下降，实验测得的表观活化能Ea区域径的收缩核模式。在50%氧含量的燃烧情况下，焦颗粒容易处在区域III和区域3.13 氧浓度的变化对亚微米颗粒的影响如图 浓度的升高其排放量均增加。但相对超微米颗粒物而言，增加量较小，平均约2倍左右。学者Buhre[126]也在沉降炉中做过相同的实验，实验结果如表3.4所示，试N:O=N:O=萍3.14 于颗粒物的元素构成也有很大影响。本节选取亚微米颗粒物(PM1)的主要构成元3.153.16所示。从实验结果可以看出，在亚微米颗粒物(PM1)中，其主SFe、SiAl随氧含量增加而显著增加，其中Si元素增加幅度最大；而在超微米颗粒(PM1-10)中，元素SPM1conc. 氧浓度的变化对亚微米颗粒的影响如图 浓度的升高其排放量均增加。但相对超微米颗粒物而言，增加量较小，平均约2倍左右。学者Buhre[126]也在沉降炉中做过相同的实验，实验结果如表3.4所示，试N:O=N:O=萍3.14 于颗粒物的元素构成也有很大影响。本节选取亚微米颗粒物(PM1)的主要构成元3.153.16所示。从实验结果可以看出，在亚微米颗粒物(PM1)中，其主SFe、SiAl随氧含量增加而显著增加，其中Si元素增加幅度最大；而在超微米颗粒(PM1-10)中，元素SPM1conc.加而少量减小，其主要构成元素Fe、Si和Al随氧含量增加而少量增加。很明显，相对而言氧量的变化对亚微米颗粒的元素成分影响比较大。表3.5列出了学者焦表面的燃烧温度提高很多，导致难熔元素Fe、SiAl的气化量大大增加，而元S在低温下就已经以气态形式存在，温度升高对S元素气化的影响有限，所以导致前三者在亚微米颗粒中的相对质量百分含量显著增加，而加而少量减小，其主要构成元素Fe、Si和Al随氧含量增加而少量增加。很明显，相对而言氧量的变化对亚微米颗粒的元素成分影响比较大。表3.5列出了学者焦表面的燃烧温度提高很多，导致难熔元素Fe、SiAl的气化量大大增加，而元S在低温下就已经以气态形式存在，温度升高对S元素气化的影响有限，所以导致前三者在亚微米颗粒中的相对质量百分含量显著增加，而S元素减小。其中，Si元素含量增加最大，这可能是由于原煤中的矿物元素Si含量最多。超微米颗粒的Fe、SiAl.CRCCRCCRCCRCCRCN:O=N:O=N:O=N:O=500N:O=N:O=N:O=N:O=S500N:O=N:O=N:O=N:O=00平顶山六盘水平顶山六盘水萍乡N:O=N:O=N:O=N:O=500N:O=N:O=N:O=N:O=S500N:O=N:O=N:O=N:O=00平顶山六盘水平顶山六盘水萍乡N:O=N:O=N:O=N:O=S5500萍乡萍乡3.16 513DLPI获XRFFESEM对颗粒物的化学组成和表面形貌进行是由于各自形成机理不同造成的。亚微米颗粒物中以S、Na、KSi、Al、CaFe1400℃时，NaK气化，FeSi元素主要以其次氧化物（FeON:O=N:O=N:O=N:O=S5500萍乡萍乡3.16 513DLPI获XRFFESEM对颗粒物的化学组成和表面形貌进行是由于各自形成机理不同造成的。亚微米颗粒物中以S、Na、KSi、Al、CaFe1400℃时，NaK气化，FeSi元素主要以其次氧化物（FeOSiO）的形式气化，Al元素主要以其次氧化物和氢氧化物（AlOAlOH）成也有很大影响。在成也有很大影响。在亚微米颗粒物(PM1)中，其主要构成元SFe、SiAl元素增加幅度最大；而在超微米颗粒(PM1-10)中，元S氧含量增加而少量减小，其主要构成元素Fe、和 煤粉特性对可吸入颗粒物的影 引 煤粉特性对可吸入颗粒物的影 引大部分煤壳质组的质量百分含量只有5%－10%量的1～2% 煤粉粒径与可吸入颗粒物形 xR200463-100-3210煤粉粒径是影响最终灰颗粒分布的重要因素之一。以燃烧温度为1673K 氛为N:O=4:1的实验结果为例，如图4.1所示，随着煤粉粒径的减小，超微米颗PM1-10conc. 煤粉粒径与可吸入颗粒物形 xR200463-100-3210煤粉粒径是影响最终灰颗粒分布的重要因素之一。以燃烧温度为1673K 氛为N:O=4:1的实验结果为例，如图4.1所示，随着煤粉粒径的减小，超微米颗PM1-10conc.件下灰颗粒平均粒径也相应减小。Helble[56]用两种不同粒径的煤粉：53-63μm和75-90μm分别在沉降炉中燃烧，燃烧后的灰用激光粒度仪做粒度分析，结果发现前者件下灰颗粒平均粒径也相应减小。Helble[56]用两种不同粒径的煤粉：53-63μm和75-90μm分别在沉降炉中燃烧，燃烧后的灰用激光粒度仪做粒度分析，结果发现前者24%的灰颗粒直径在1-5μm之间，而后者只有16%的灰颗粒直径在1-5μm（2）煤粉粒径减小，则其所含的内外矿物质和外在矿物质的比例会发生变化，内在矿物质减少，外在矿物质增加。Ninomiya[132对三种不同煤种不同粒径的煤粉：<63μm，63-125μm和125-200μm分别用CCSEM做矿物质识别，结果发现，随着煤粉粒径的减小，三种煤粉外在矿物质的含量都有明显增加。实验结果如图4.2所示，以Zhangji煤为例，粒径是125-200μm60％，当煤粉粒径减小到是125-200μm9010μm的矿物质约占总量的60到<63μm10μm70％，即煤粉粒径减小，细小4.2煤粉粒径与矿物质特性 亚微米颗粒物是指空气动力学直径小于1μm的灰颗粒。与上节相同，以燃烧1673KN:O=4:14.3100-200μm63-100μm时，亚微米颗粒物增加很少；当煤粉粒径继续减小到<63μm时，亚微米颗粒物却相对增加很多。六盘水烟煤则不同，煤粉[32]（2）力减小，从而使生成的亚微米颗粒增加[32]63-100-萍PM1conc. 亚微米颗粒物是指空气动力学直径小于1μm的灰颗粒。与上节相同，以燃烧1673KN:O=4:14.3100-200μm63-100μm时，亚微米颗粒物增加很少；当煤粉粒径继续减小到<63μm时，亚微米颗粒物却相对增加很多。六盘水烟煤则不同，煤粉[32]（2）力减小，从而使生成的亚微米颗粒增加[32]63-100-萍PM1conc. 灰分与可吸入颗粒 异，因此如图4.4所示，(a)代表<63μm；(b)代表63-100μm；(c)代表100-200μm且为了使结果更具有可信度，分别取三个不同的实验温度，(a)在 灰分与可吸入颗粒 异，因此如图4.4所示，(a)代表<63μm；(b)代表63-100μm；(c)代表100-200μm且为了使结果更具有可信度，分别取三个不同的实验温度，(a)在1527K；(b)1427K；(c)PM1-conc. 为证明此，本节选取Si，Al，Ca，Fe，NaK六种主要元素做分析。超微米颗粒物中以难溶性金属元素为主，难溶性金属元素占总元素构成的80% 为证明此，本节选取Si，Al，Ca，Fe，NaK六种主要元素做分析。超微米颗粒物中以难溶性金属元素为主，难溶性金属元素占总元素构成的80%以上，图4.5详Si，Al，CaFe灰中含量与其在超微米颗粒物中含量的对比关系。SiPM1-10conc.PM1-10conc.中也是如此；Al元素在平顶山中含量最多，CaFe00元素平均含量元素平均含量中也是如此；Al元素在平顶山中含量最多，CaFe00元素平均含量元素平均含量PM1-0合小龙萍0合萍小龙4.54.1所示，亚微米颗粒物中碱金属含量Buhre[125]4.2发出来，当煤粉颗粒温度高于 元素平均含量元素平均含量PM1-0合小龙萍0合萍小龙4.54.1所示，亚微米颗粒物中碱金属含量Buhre[125]4.2发出来，当煤粉颗粒温度高于 元素平均含量元素平均含量SiO2，Al2O3，CaO，MgO，FeO次氧化物（SiO,Al2O）或金属单质（Fe,Ca,Mg）蒸气，随后蒸气在向外扩散的过4.1SiO2，Al2O3，CaO，MgO，FeO次氧化物（SiO,Al2O）或金属单质（Fe,Ca,Mg）蒸气，随后蒸气在向外扩散的过4.1灰灰K.CRCCRCCRCCRCCRC灰灰K 煤粉密度与可吸入颗粒物形煤粉是由有机显微组分和无机显微组分构成的混合物。有机组分的密度较小，约为1.4g/cm3左右，无机组分即矿物质的密度变化较大，不同的矿物质并不一样，2.6g/cm3左右，黄铁矿的密度约为5.0g/cm3左右。一般使用 煤的可选性，并借以控制和指导洗煤的操作。后经美国联邦地质调查局 煤的可选性，并借以控制和指导洗煤的操作。后经美国联邦地质调查局中痕量元素的赋存状态[63,133,134]。Querol[135]（1996）年研究西班牙次烟煤时，比重级从1.3-2.8g/cm3，共分11级，研究结果认为有机质主要分布于1.3-1.5g/cm32.4-2.8g/cm3比重级中，硬石膏，斜绿泥石，黄钾铁矾，微斜长石等在2.6-2.8g/cm3比重级中，大于2.8g/cm3比重级主要是硫化物，金红石，锐钛矿，电气石等，以此来研究痕量元素的有机/无机亲和性。后来Querol[136]（2001）年又采用浮沉方法研究主要痕量元素的赋存状态和有机/无机亲和性，比重级从1.3-2.8g/cm36级。学者XinguoZhuang[137]也采用浮沉方法对国内重庆地区的两种煤中痕量元素的有机/无机亲和性作了研究，比重级从1.4-2.6g/cm37As,Cd,Co,Cu,Mn,Mo,Ni,Pb,Sb,Se,Zn十一种痕量元素主要以黄铁矿及其他伴生硫化物中赋存。化碳，苯和三溴甲烷分别按一定的体积比混合后，配置成密度为1.4和2.0g/cm3的1.4g/cm3、1.4-2.0g/cm32.0g/cm3三个低、中、重密度段。各比重级煤粉所占的质量百分比如表4.3所示，中密度级煤粉所占质量含量最大。工业分析和元素分析数据如表4.4及其它信息见表正相关的，据此可以判定，高岭石在中是最多的，其次是C3C1C3C2C1C2C3C1、C2C34.3低中重4.4正相关的，据此可以判定，高岭石在中是最多的，其次是C3C1C3C2C1C2C3C1、C2C34.3低中重4.4低中重GIqKKIqKp0KKqqkkkKcpGIpG0qKkqGppkkkAKqqqIp0 PMKKIqKp0KKqqkkkKcpGIpG0qKkqGppkkkAKqqqIp0 PM10PM1量与煤粉密度之间的关系。如图贡献最大，中密度次之，高密度最小。占总灰质量分别为43.49%，3.97%0.53%，PM19.59%，0.81%0.17%重中低864204.7果如图4.8所示。三个密度级所含矿物质的体积平均粒径分别是16.81，62.71了测试，结果如图4.94.6PMyield(%ofcollected864204.7果如图4.8所示。三个密度级所含矿物质的体积平均粒径分别是16.81，62.71了测试，结果如图4.94.6PMyield(%ofcollected中值粒D(V中值粒D(V00Particle4.8Cumulativevolumefraction00Particlediameter4.9（2）4.10所示。焦炭破碎程00Particlediameter4.9（2）4.10所示。焦炭破碎程1750K的燃烧气氛中，Sarofim[41]等在实验室加热炉中采用烟煤和褐煤研究煤中矿物的物理演化，煤粉粒径75-90μm，他们发现由于焦炭破碎单颗煤焦3-5个大于10μm的灰粒，200～500个直径在1～10μm范围内的灰粒，因此提出焦炭胀率越大，则焦颗粒破碎的可能性越大。如图 其膨胀率最大，而重密度原煤所形成的焦颗粒其膨胀率仅为1.0800Particlediameter00Particlediameter00Particlediameter00Particlediameter00Particlediameter4.10图是低密度原煤和其热解后的焦；b图是重密度4.11成的焦，其总孔体积和00Particlediameter4.10图是低密度原煤和其热解后的焦；b图是重密度4.11成的焦，其总孔体积和 孔为边界，其尺寸大于微晶体的平均尺寸,这些孔也称为大孔。根据以前学者的研究，微晶体的平均长度为4nm，因此，我们定义小孔和中孔的边界为10nm，直径大于50nm 孔为边界，其尺寸大于微晶体的平均尺寸,这些孔也称为大孔。根据以前学者的研究，微晶体的平均长度为4nm，因此，我们定义小孔和中孔的边界为10nm，直径大于50nm的孔定义为大孔。孔隙结构的存在是引起煤焦破碎的主要原因，颗粒孔有重大影响，对破碎起决定作用的是颗粒中的大孔（>50nm。Helble和4.7SEM4.13所示。低密4.12原煤焦 原煤焦 大孔体积 中孔体积 小孔体积(cm3/g)( 总孔体积 BET表面积 4.13（a图是低密度原煤热解后的焦；b图是中密度；4.13（a图是低密度原煤热解后的焦；b图是中密度；c图是重密度图像（BSE）4.14PM10PM10(低(中(低(中(重4.14质，且矿物质粒径小；第二，由于原煤热解后形成的焦膨胀率大、BET(重4.14质，且矿物质粒径小；第二，由于原煤热解后形成的焦膨胀率大、BET元素更易挥发，元素 Si4.15所示。难熔元素Si28.16%17.18%16.74%00.0940.15 Aerodynamicdiameter4.15Si（2）对于三种不同密度原煤在热天平上进行热重实验。实验在德国生产的NETZSCHSTA409C热重分析仪上进行，实验条件是：升温速率都为20K/min，升温到达最高温度为1400℃。三种密度段煤粉的热重曲线如图4.16速率的定量分析，DTG曲线更为明显。对于低密度和中密度原煤，曲线在100DTG400℃～500ElementSiyieldSi4.15所示。难熔元素Si28.16%17.18%16.74%00.0940.15 Aerodynamicdiameter4.15Si（2）对于三种不同密度原煤在热天平上进行热重实验。实验在德国生产的NETZSCHSTA409C热重分析仪上进行，实验条件是：升温速率都为20K/min，升温到达最高温度为1400℃。三种密度段煤粉的热重曲线如图4.16速率的定量分析，DTG曲线更为明显。对于低密度和中密度原煤，曲线在100DTG400℃～500ElementSiyield 烧过程中，质量的失重速率一直比较稳定。由三种密度原煤的DSC 重密中密低密00温度20------- 烧过程中，质量的失重速率一直比较稳定。由三种密度原煤的DSC 重密中密低密00温度20-------0温度质量百分比失重速率重密0---中密-低密--0温度4.16原煤热重试验（a-TG曲线，b-DTG曲线，c-DSC重密0---中密-低密--0温度4.16原煤热重试验（a-TG曲线，b-DTG曲线，c-DSC曲线 特定外在矿物质破碎与可吸入颗粒物（1）原生矿物质：存在于成煤植物中的矿物质，主要为碱金属（Na、K）碱土金属（Ca、Mg）的盐类物质，在煤中呈细分散状态、与有机质紧密结合在一起，不易分离，这部分矿物质数量较少，约占总量的1～2%。热流密度通过采用薄片鉴定、XRD、EMPA、SEM（1）生的矿物质总量的60-80%煤中主要常见矿物的中英文名称及化学式如表4.8 2H2O+Al2O3·2SiO2（偏高岭石3/2SiO2+3(Al2O3SiO2+Al6Si2O1（+2H2O3/2(2AlO2·3SiO2)+3/2SiO2+CaO+CaO+MgO+FeO+FeO+1/22FeS2+11/2CaO+CaO+MgO+FeO+FeO+1/22FeS2+11/2Fe2O3+CaSO4+CaO+SiO2（方石英通常燃烧情况下，气体的温度在1200~1400℃，