1、燃燒過程中顆粒物的形成與控制P358-390鄭茂盛廠主要內(nèi)容8燃煤過程中飛灰的形成1.2飛灰顆粒的氣化13亞微米顆粒的形成動力學(xué)21燃煤中煤煙顆粒的形成2.2煤煙顆粒的氧化D匾23煤煙顆粒的控制RelatedDocumentsr燃燒過程產(chǎn)生的顆粒物可以分為兩大類/飛灰(ash):來自于燃料中的不可燃燒組分(主要是礦物顆粒)以及燃料中有機(jī)組分的雜原子。/煤煙(soot):未燃盡的含碳顆粒，主要來自于燃料分子的高溫?zé)峤狻?quot;飛灰（ash）/使用煤做燃料會比采用燃料油做燃料產(chǎn)生更多的顆粒物/燃料添加劑,如提高汽油抗爆性能的鉛添加劑,控制柴油機(jī)煤煙排放的頓添加劑,以及燃料煤中的固硫劑等,者嗣燃

2、燒過程產(chǎn)生的顆粒物有密切關(guān)系。/我們主要討論燃料煤燃燒過程中飛灰的產(chǎn)生?！皝A燃煤過程中飛灰的形成/早期顆粒物污染并沒有引起人們的足夠重視,因?yàn)殪o電除塵器可以去除大部分的顆粒物。/直至肛974年，Davison發(fā)現(xiàn)顆粒物上的有毒污染物濃度隨顆粒物粒徑的減小而增大。F細(xì)小碳顆粒的形成原料煤炭粉碎成煤粉顆粒(40|Jm-80pm)煤粉顆粒隨載氣進(jìn)入燃燒爐輻射導(dǎo)熱使煤粉顆粒溫度上升使破體顆多力粒氣使松L應(yīng)顆；脹疏孑熱碳碎膨粒破個都一物粒每上有礦粒顆，片載分顆碳碎碎負(fù)部F細(xì)小碳顆粒向飛灰顆粒的演變F殘頤粒模型FinedropletCoalescedash/碳顆粒中包含的礦物微團(tuán)逐漸裸露出來。/高溫使表面

3、礦物顆粒呈現(xiàn)熔融狀態(tài)。表面張力使其形成球狀灰滴附著在焦炭顆粒表面?！氨舜司嚯x逐漸減小>當(dāng)發(fā)生接觸時,就會聚合在一起形成較大的灰粒。r燃燒過程中殘灰顆粒會產(chǎn)生_個很有趣的結(jié)構(gòu)(cenospheres)了細(xì)小碳顆粒向飛灰顆粒的演變F氣化凝結(jié)模型/通過氣化凝結(jié)產(chǎn)生的飛灰數(shù)最只占總最的/在高溫燃燒環(huán)境中,煤中部分無機(jī)物首先發(fā)生氣化,通過均相成核形成許多細(xì)小微粒(vo.oiym)。顆粒之間通過凝并和非均相凝結(jié),體積增加。/在燃燒溫度較低的區(qū)域,顆粒停止增長,并最終形成成熟的亞微米顆粒。8/高揮發(fā)性Na、K等元素（原子或氯化物）丫/低揮發(fā)性Si、Al、Fe>Mg、Ca等元素（還原成次氧化物）5

4、ZO2(/)+CO<>SiO(v)+CO2/有毒痕量元素如As、Cd>Cr、Pb、N|Sb、Se>Zn和Hg等（以原子或化合物的形式氣化）t-trrTrrqVkr9rrffrfrrv0207A71/0.10/1/0VY0.11.0ImpoctOfImpoctorupperbouM一(clrlcoloerotolonoly/er0.80.4Y二.IAA厶0.010J/了1.2飛灰顆粒的氣化/將飛灰顆粒的氣化速率仿照液滴氣化速率的表示方法。/假設(shè)灰分的蒸發(fā)足夠緩慢，不會影響到燃燒速率和碳顆粒的溫度。F從顆粒物表面流出的組分i的氣相流量可以寫成fis-fcyis-PD=a/燃

5、燒產(chǎn)生量和分子擴(kuò)散量之差。/通過積分變換最后寫成=(1+1)(!-)miQaiB> 和go分別是組分i的氣化量和總量> 8和8。分別是組分i和總飛灰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)尸空氣中碳燃燒B最大值為0474，可計算出最小的灰分分?jǐn)?shù)為皿=6.75瀘如/對%可假設(shè)顆粒表璽壓力平衡/對于硅鈣鎂的氣化/化學(xué)平衡時灰分表面的平衡常數(shù)為_PgPcO2PPco/當(dāng)沒有別的C02來源時可寫成e實(shí)際上灰分的氣化速率會比計算值小碳顆粒表面只有一部分覆蓋有飛灰顆粒氣化產(chǎn)物在碳顆粒中的擴(kuò)散受到多孔結(jié)構(gòu)的限制氣化產(chǎn)物的擴(kuò)散過程也會受到各種條件的限制影響F13亞微米顆粒物的形成了主要經(jīng)歷3丿/在高溫燃燒化產(chǎn)物不斷無機(jī)蒸氣達(dá)(

6、d<0.01jim)o/顆粒通過兩;777?F八rl-，粒表面發(fā)生:撞的微粒發(fā)Z/在溫度較低灰粒燒結(jié)在-鍋爐煙氣排VaporioCharburaoutrCharbreakupOovolofUlsofion纟成的灰Coqqv2斛onondCoogulotionandfusionChorcombustionporenlorgomontchainogglomeroto:Y.formation*.*.只"oct。"cpeciesnuClooteoniOSeMgO,F«O.AlaO>tofc.氣，粒5P0CimotionIicemcnf.K,Cd9As.Pt&g

7、t;.ere-s冷翠/d-Q二碰撞的豆物，隨0.010.1prrr釆用該模型對亞微米顆粒物形成數(shù)量以及粒徑分布的預(yù)測和實(shí)驗(yàn)觀測到的數(shù)據(jù)一致。F亞微米顆粒物的形成就是氣化冷凝機(jī)理。F2煤煙(soot)r定義：氣體燃料或液固燃料的揮發(fā)組分燃燒產(chǎn)生的含碳顆粒。r形狀：半徑較小，多呈球形(0.01Ml到0.05um)。*結(jié)構(gòu)：混層結(jié)構(gòu)，碳形成的層狀結(jié)構(gòu)散亂的結(jié)合成球形。煤煙顆粒的存在對燃燒狀況大都是積極的作用會使燃燒爐中會形成更好的傳熱條件有利于更好的和空氣接觸進(jìn)行燃燒排出爐膛之前一般都會被燃燒完全/煤煙顆粒組成不是純碳，在高溫區(qū)是QH。/煙囪中排出的黑煙主要由煤煙顆粒組成。/如果燃燒條件控制不當(dāng)，一

8、旦排放入大氣中就會形成嚴(yán)重的環(huán)境污染。煤煙顆粒的形成了燃料高溫?zé)峤庑纬尚》肿?，表面的化學(xué)反應(yīng)使粒徑增大形成煤煙顆粒。/在該過程中，由于H的消耗使顆粒的化學(xué)組分CH比逐漸增大至8。/理論上，C和。2摩爾比在1.0時最容易形成煤煙顆粒。而實(shí)際發(fā)現(xiàn)，在預(yù)混火焰中，碳氧摩爾比在0.5最易形成煤煙。/煤煙形成取決于碳顆粒的熱解速率和氧化反應(yīng)速率在預(yù)混火焰中，當(dāng)溫度升高時，氧化速率加快程度比熱解速率更快，形成煤煙速率降低。在擴(kuò)散火焰中，熱解區(qū)域不存在氧氣，所以隨著溫度上升，熱解速率加快，從而會使煤煙產(chǎn)生速率加快。/形成煤煙的燃料組分為蔡苯脂肪族化合物。了煤煙的產(chǎn)生路徑/芳香繪的路徑很直接，通過縮合或聚合反

9、應(yīng)直接即可形成煤煙。/脂肪族化合物要首先在較慢速率下形成乙烘或聚乙烘形式，再形ParentaromatichydrocarbonCondensationreactions7Fasti成煤煙。Soot-viadirectroute)Fragmentation、reactionsNXHH25ccCSoot(viaindirectroute)AliphaticsChemicalpathwaysforsootformation./一旦煤煙碳核形成，通過表面反應(yīng)顆粒物增長就會很快。每個顆粒物的比表面增長速率和煤煙顆粒的形成時間有很大關(guān)系0燃燒早期表面增長速率是O.A-lgms1,25到30ms之后降到0

10、丄0.2gm-2sb之后迅速下降。最終煤煙碳核只占煤煙質(zhì)量的一小部分/顆粒物初始形成區(qū)域中氧氣含量約為1%,其存在加速了煤煙顆粒物的形成。一旦氧氣含量降低，碳核表面開始迅速反應(yīng)增長形成大的顆粒物。氧氣的作用有兩個。A是和碳?xì)浠衔锓肿臃磻?yīng)形成自由基，以進(jìn)行下步反應(yīng)。二是氧化煤煙碳核燃燒，限制煤煙表面的生長。dNi+（j.）oxidationat了Harris提出一個煤煙顆粒形成的動力學(xué)。/定義初始形成的碳核顆粒是最大吸收波長載1090nm處的顆粒物。增長的熱力學(xué)機(jī)理是由于乙烘類物質(zhì)的熱力學(xué)分解在顆粒物的表面上的積累。假設(shè)增長和氧化正比于煤煙表面積，dt1警）w十普“=凹NQJatat/k=i-

11、lo如果k(t)>0,表示減少了一個初始C核。dNi_k（t）N、Sdt2oTs2FOL二F描述了在火焰燃燒初始階段，碳核顆粒數(shù)目密度，平均顆粒直徑，和初始碳核形成速率的情況。護(hù)每立方米有1019初始碳核形成。顆粒形成速率在1023葉3護(hù)。72煤煙顆粒的氧化/在擴(kuò)散火焰中，富燃區(qū)形成的煤煙顆粒會繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)。/火焰中的氧化劑，0H的濃度要比氧氣大，0和氧氣濃度相當(dāng)。/0H和煤煙顆粒的氧化反應(yīng)速率可由半經(jīng)驗(yàn)公式表示rOH=00l2kOHOHoh=2.47Ti/2/總氧化速率rrO2+rOH+rO丁顆粒物燃燒速率dmn=-Mdt/對于球形顆粒dtdaPpOHo110曠可以看出,0H反應(yīng)在

12、顆粒物表面氧化反應(yīng)中占有絕對的優(yōu)勢，在0.7時，氧氣反應(yīng)也占有一定的比例。F煤煙顆粒直徑大都在10-50nm，燃燒完全的時間T如果燃燒一個20nm的煤煙顆粒，時間也就是需要1ms。F3.3煤煙顆粒物的控制提供適量的氧氣和混合條件使煤煙顆粒氧化燃燒完全。使用空氣噴射霧化器注入液體燃料并控制燃燒氣體的紊流強(qiáng)度。使用燃料添加劑020.30.49史如C£f0rpQtomizerjm)(祈IE6)6SPDO一vlSDE-00s06L活塞流燃燒爐反應(yīng)器?？梢钥闯?在離燃料噴嘴0.1m處時，煤煙顆粒的濃度最大，在較高的燃料注入壓力下，煤煙產(chǎn)生量較低，在較低的壓力下，煤煙產(chǎn)生基本不隨距離而變化。F燃料大部分消耗在開始兩個管徑的距離內(nèi)，因?yàn)殡S著混合速率下降，氧氣在燃燒過程中的反應(yīng)速率下降?？梢钥闯鲈?2kPa低壓下，雖然有足夠的氧氣，但是較差的混合狀況使煤煙顆粒不能很好的被氧化消耗。r頓添加劑了通過添加痕量的鍥就可產(chǎn)生大量的離子濃度。這些離子不會直接顯著降低煤煙顆粒形成,但是會由于電荷間的排斥力降低顆粒凝聚速率。小粒徑煤灰顆粒更利于被燃Ba+OHBaOH+eBaO+HBaOH+e孑堿土金屬添加劑(Ca,Sr,Ba)堿土金屬會和水形成氫氧化物，同時產(chǎn)生氫原子，氫原子又會和水碰撞形成0H。在