燃煤可吸入顆粒物磁聚并研究.pdf

1、大氣可吸入顆粒物(PMl0)已成為大氣環(huán)境污染的突出問(wèn)題，日益引起世界各國(guó)的高度重視。PM<,10>主要來(lái)源之一是電站燃煤鍋爐的排放物。由于燃煤PM<,10>體積小、重量輕、數(shù)量多，采用常規(guī)除塵方法對(duì)其脫除難以奏效。本文率先提出采用磁聚并這一方法來(lái)脫除燃煤PM<,10>該方法通過(guò)外加磁場(chǎng)的作用使顆粒物發(fā)生碰撞聚并長(zhǎng)大，便于常規(guī)除塵裝置的直接脫除，從而達(dá)到控制燃煤PM<,10>排放的目的。截至到目前為止，關(guān)于燃煤PM<,10>磁聚并的研究

2、，國(guó)內(nèi)外還是一個(gè)空白。因此，燃煤可吸入顆粒物的磁聚并研究已作為973項(xiàng)目而被啟動(dòng)。 燃煤PM<,10>微觀形態(tài)和磁特性是研究其聚并的基礎(chǔ)，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)此沒(méi)有任何研究，所以，本文首先系統(tǒng)地研究了燃煤PM<,10>的微觀形態(tài)和磁特性。在此基礎(chǔ)上，作者自行設(shè)計(jì)并建立了均勻磁場(chǎng)、均勻磁場(chǎng)添加磁種、梯度磁場(chǎng)、梯度磁場(chǎng)添加磁種4個(gè)燃煤PMlo聚并實(shí)驗(yàn)臺(tái)，首次對(duì)燃煤PM<,10>在這4個(gè)聚并裝置中的聚并動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

3、 燃煤PM<,10>微觀形態(tài)和磁特性研究表明，飛灰粒子為球形粒子，由O、Si、Al、Fe、K、Ca、Mg、Na等元素組成，對(duì)于不同粒徑的粒子，各種元素相對(duì)含量基本接近。隨鍋爐負(fù)荷的升高，粒子中Fe<,3>O<,4>含量減小，γ-Fe<,2>O<,3>含量增大，粒子飽和磁化強(qiáng)度減小。上述特性對(duì)于煤粉鍋爐比較顯著，而對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，其飽和磁化強(qiáng)度隨負(fù)荷的升高而減小的幅度較小。同一爐型不同容量的鍋爐，鍋爐容量越大，飛灰粒子中Fe<

4、,3>O<,4>含量越高，γ-Fe<,2>O<,3>含量越低，飛灰粒子飽和磁化強(qiáng)度越高。燃煤PM<,10>粒子的飽和磁化強(qiáng)度與粒子中γ-Fe<,2>O<,3>含量的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)僅為0.764，與粒子中Fe<,3>O<,4>含量相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.979，與磁性當(dāng)量鐵含量(5.1 l×Fe<,2>O<,3>+γFe<,2>O<,3>)相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.985。 均勻磁場(chǎng)中燃煤PM<,10>聚并理論與實(shí)驗(yàn)研

5、究中，提出了用于求解粒子間聚并系數(shù)的二元碰撞聚并模型和用于求解均勻磁場(chǎng)中粒子聚并動(dòng)力學(xué)方程的雙分區(qū)算法，計(jì)算了粒子的聚并動(dòng)力學(xué)方程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，粒子間聚并系數(shù)隨粒徑的增大而增大。布朗力對(duì)小粒徑粒子有一定的聚并加強(qiáng)作用，但對(duì)于粒徑較大的粒子，可忽略不計(jì)。增強(qiáng)外加磁場(chǎng)、提高氣流速度，粒子間聚并系數(shù)增大，當(dāng)粒子達(dá)到飽和磁化后，粒子間聚并系數(shù)保持不變。氣流通道截面上粒子間聚并系數(shù)存在明顯差異，隨徑向距離的增大而增大，在通道

6、邊壁處，大幅減小。增強(qiáng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度、增大粒子總質(zhì)量濃度、提高氣流速度、延長(zhǎng)粒子在磁場(chǎng)中的停留時(shí)間，均可提高粒子的分級(jí)聚并效率和總聚并效率，與此同時(shí)，粒子的數(shù)目中位直徑減小，當(dāng)粒子達(dá)到飽和磁化后，繼續(xù)增強(qiáng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度，粒子的聚并效率和數(shù)目中位直徑不再變化。對(duì)于幾何尺寸一定的磁場(chǎng)，提高氣流速度會(huì)減小粒子在磁場(chǎng)中的最大停留時(shí)間，從而減弱粒子的聚并，因而當(dāng)粒子有效行程一定時(shí)，提高氣流速度會(huì)減小粒子聚并效率，而粒子數(shù)目中位直徑相應(yīng)增大。不同粒徑粒子

7、的分級(jí)聚并效率不同，中間粒徑粒子的分級(jí)聚并效率高于小粒子和大粒子的分級(jí)聚并效率，隨總聚并效率的提高，分級(jí)效率最大值對(duì)應(yīng)的粒徑減小，向小粒子方向偏移，這與飛灰粒子數(shù)目中位直徑的減小相對(duì)應(yīng)。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。對(duì)達(dá)旗電廠燃煤飛灰粒子在較高質(zhì)量濃度下的模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在粒子總質(zhì)量濃度為30g/m<'3>時(shí)，總聚并效率為50％，粒子數(shù)目中位直徑為0.093μm。 均勻磁場(chǎng)中燃煤PM<,10>添加磁種聚并理論與實(shí)驗(yàn)研究中，提出

8、了三組元雙分區(qū)算法求解燃煤PM<,10>磁種聚并動(dòng)力學(xué)方程組，計(jì)算了飛灰粒子磁種聚并動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。對(duì)比添加磁種與不添加磁種條件下粒子間聚并系數(shù)，結(jié)果表明，磁種與飛灰粒子間聚并系數(shù)遠(yuǎn)高于飛灰粒子間聚并系數(shù)，同一粒徑的磁種粒子與不同粒徑的飛灰粒子間聚并系數(shù)差異較小，不同粒徑的磁種粒子與飛灰粒子的聚并系數(shù)不同，磁種粒徑越大，聚并系數(shù)越大。盡管均勻磁場(chǎng)中燃煤PM<,10>添加磁種與不添加磁種兩種情況下粒子聚并動(dòng)力學(xué)特征相類(lèi)

9、似，但添加磁種可大幅提高粒子的聚并效率。對(duì)比添加磁種與不添加磁種兩種情況下飛灰粒子的聚并，添加磁種情況下飛灰粒子的聚并效率明顯高于不添加磁種情況，其中對(duì)小粒子聚并的增強(qiáng)效果更為明顯，且磁種粒子磁性越強(qiáng)，磁種對(duì)飛灰粒子聚并的增強(qiáng)作用越大。增大磁種添加量可提高飛灰粒子聚并效率，粒子數(shù)目中位直徑相應(yīng)地增大。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在粒子總質(zhì)量濃度為30g/m<'3>時(shí)，達(dá)旗電廠飛灰粒子的總聚并效率可達(dá)80％，粒子數(shù)目中

10、位直徑為0.100μm。梯度磁場(chǎng)中燃煤PM<,10>聚并理論與實(shí)驗(yàn)研究中，提出了求解梯度磁場(chǎng)中粒子聚并動(dòng)力學(xué)方程的三分區(qū)算法，采用該算法求解了飛灰粒子在梯度磁場(chǎng)中的聚并動(dòng)力學(xué)方程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，梯度磁場(chǎng)中飛灰粒子聚并動(dòng)力學(xué)特征與均勻磁場(chǎng)中粒子的聚并類(lèi)似，但相同條件下梯度磁場(chǎng)中飛灰粒子的聚并效率要高于均勻磁場(chǎng)添加磁種。模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。對(duì)較高質(zhì)量濃度下達(dá)旗飛灰粒子聚并的模型預(yù)測(cè)表明，質(zhì)量濃度為30g/m<'

11、3>時(shí)，飛灰粒子的總聚并效率可達(dá)87％，粒子數(shù)目中位直徑為0.079μm。 梯度磁場(chǎng)中燃煤PM<,10>磁種聚并理論與實(shí)驗(yàn)研究中，提出了三組元三分區(qū)算法，以此來(lái)求解梯度磁場(chǎng)中燃煤PM<,10>磁種聚并動(dòng)力學(xué)方程組，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，添加磁種后，隨粒徑的增大，粒子分級(jí)聚并效率先減小后增大，而后再次減小；隨總聚并效率的提高，中間粒徑分級(jí)效率最大值對(duì)應(yīng)的粒徑以及粒子的數(shù)目中位直徑增大。模型理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合

12、。模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在粒子總質(zhì)量濃度為30g/m<'3>時(shí)，達(dá)旗電廠燃煤飛灰粒子的總聚并效率可達(dá)94％，粒子數(shù)目中位直徑為0.184μm。 對(duì)比本文提出的燃煤可吸入顆粒物的4種聚并方法，以梯度磁場(chǎng)中添加磁種為最優(yōu)，主要優(yōu)點(diǎn)為：對(duì)人體危害最大的小粒子聚并效率較高，粒子的總聚并效率也保持在較高水平，且隨著粒子的聚并，0.023μm～9.3μm粒徑范圍內(nèi)飛灰粒子數(shù)目中位直徑增大，使該粒徑范圍內(nèi)未聚并長(zhǎng)大到粒徑大于9.314μm的粒子向