浅谈燃煤亚微米颗粒物的形成与控制

陈璞金

摘要：燃煤锅炉排放烟气中含有大量的亚微米颗粒，其形成机制与控制技术具有突出的研究意义和重要性。本文阐述了煤燃烧亚微米颗粒物的形成机理，过程受到煤种、温度、燃料-空气比率和停留时间等多种因素的影响。介绍和分析了静电除尘器，袋式除尘器以及旋风除尘器等传统颗粒物排放控制方法，探讨了电凝并、声凝并、热凝并、化学凝并等凝并技术脱除细微颗粒物的原理和优缺点。

Abstract： The coal fired boiler flue gas contains a large number of sub micron particles， and its formation mechanism and control technology has outstanding research significance and importance. The formation mechanism of submicron particles in coal combustion is described in this paper. The process is affected by coal type， temperature， fuel -air ratio and residence time， etc.. This paper introduces and analyzes the electrostatic precipitator， bag type dust collector， cyclone dust collector and other traditional particles emission control methods， discusses the principle and the advantages and disadvantages of coagulation technologies for removing fine particles， such as electro coagulation， acoustic coagulation， heat coagulation.

关键词：亚微米颗粒物；生成机理；凝并；除尘技术

Key words： submicron particles；formation mechanism；coagulation；dust removal technology

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）35-0195-02

0 引言

煤在我国能源结构中一直占有很高的比例，我国煤的利用方式主要是燃烧，每年生产的煤炭中有84%直接用于燃烧[1]，从而带来了严重的颗粒物污染。尽管电厂都安装了高效除尘设备，但是它们对细颗粒物的收集效率并不明显，尤其是亚微米颗粒（粒径约为0.05～1μm），其收集效率更低[2-3]。细颗粒被排入大气后，具有较大的比表面积，且由于这些细颗粒含有大量的有机污染物（如二噁英、多环芳烃类化合物等）和各类有毒金属元素（如Cd、Pb、Mn、Al、Be、Fe等）[4]，能够在大气中长时间的停留，漂浮范围巨大，人体很容易吸收到被排入大气的这些细颗粒。实践发现，人类疾病的发病率、死亡率都和这些细颗粒物浓度增加有关，特别是心肺疾病和呼吸系统疾病等[5]，对人体存在巨大的不利影响，甚至对整个社会而言都具有不利影响，它是导致臭氧层破坏、烟雾事件、全球气候变化等重大事件的重要因素[6]。

因此，煤燃烧过程中亚微米颗粒物的形成机制与控制技术具有突出的研究意义和重要性。

1 煤燃烧亚微米颗粒物的生成机理

煤灰颗粒的形成途径主要包括以下几个方面：矿物质的气化-凝结；外在矿物质破碎；内在矿物质凝聚和聚结；焦炭破碎。颗粒粒径范围依据形成机理的不同变现出明显差异，一般来说，第一个机理形成的是主要是亚微米颗粒，而后三种机理形成的主要是粗颗粒。研究表明，亚微米颗粒的最重要形成机理就是煤中无机矿物质的气化-凝结。

煤中无机矿物质的气化-凝结机理包括矿物质的气化、成核、蒸气在亚微米颗粒上的凝结及亚微米颗粒的凝聚等过程。煤粉在高温燃烧室内经过挥发分挥发、碳粒的着火燃烧等过程后，煤中的部分矿物成分开始气化形成悬浮粒子，各种痕量元素也在气化过程中的重新分配。火焰温度越高，煤粒内部还原性气氛越强，元素气化越容易，越有利于亚微米颗粒的形成。随着温度降低，气相物质凝聚成核。分散的亚微米颗粒通过物理或化学作用，主要包括布朗运动、沉降速率、化学反应、湍流运动和颗粒间的相互作用力，导致亚微米颗粒粒径逐渐增长，相互结合成较大颗粒，即，凝聚，又称为团聚。煤中微量元素经过高溫分解、燃烧和气化过程中蒸发后，当烟气冷却时在飞灰颗粒表面上凝结。研究证明，在煤燃烧的复杂环境下，成核作用、凝结作用和凝聚作用几乎能够同时发生作用，共同促使颗粒物的形成和长大。

研究证实煤燃烧过程中亚微米颗粒物的形成机理复杂，受到煤种、温度、燃料-空气比率和停留时间等多种因素的影响[7]，由于采样、分析的困难，目前仍然缺乏规律的科学描述，并有待深刻认识和进一步探究。

2 控制方法

目前国内外对燃煤细微颗粒的捕集技术主要有两种方法：一种是研究高效的除尘技术进行捕集；另一种是使颗粒凝并长大，然后通过除尘装置捕集。

2.1 除尘技术

使用较为广泛的传统除尘技术主要有静电除尘器，袋式除尘器以及旋风除尘器。

静电除尘器具有较长的使用寿命，运行可靠、经济，是煤粉电站中颗粒物捕集的最普遍的设备，许多电站都装备有高效率静电除尘器。电除尘器在正常运行工况下除尘效率很高，但是对于亚微米级的颗粒来说，仍有高达15%的颗粒会排入大气，富集在这些小颗粒上的痕量元素同样无法被捕集而逃离静电除尘装置。endprint