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        燃料燃燒細(xì)顆粒物生成特性研究進(jìn)展

        2023-01-03 05:44:51宋闖
        關(guān)鍵詞:灰分無機(jī)生物質(zhì)

        宋闖

        (遼寧省鐵嶺生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 鐵嶺 112000)

        1 引言

        根據(jù)生態(tài)環(huán)境部大氣環(huán)境公報數(shù)據(jù),近年來大氣環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良率有所提高,但城市環(huán)境空氣質(zhì)量仍然不容樂觀。環(huán)境監(jiān)測顯示首要污染物為顆粒物,尤其粒徑小于2.5 μm 的細(xì)顆粒物或超細(xì)顆粒物。專家研究指出,近年來的霧霾天氣主要是燃料燃燒產(chǎn)生的細(xì)(超細(xì))顆粒物導(dǎo)致,因此,專家學(xué)者對細(xì)顆粒物問題的關(guān)注程度與日俱增。

        目前為了對細(xì)顆粒物的生成機(jī)理更準(zhǔn)確地進(jìn)行研究,通常將顆粒物按照粒徑區(qū)間分為3 類[1],即微米級顆粒物(粒徑為1~10 μm),亞微米顆粒物(粒徑為0.01~1 μm),超細(xì)顆粒物(粒徑小于0.01 μm)。顆粒物粒徑越小,越容易通過鼻黏膜進(jìn)入人體肺部,并且粒徑越小,顆粒比表面積越大,會富集攜帶更多有害和有毒物質(zhì),同時小粒徑對光的散射能力更強(qiáng)。因此,相比PM10以上顆粒物,細(xì)顆粒物對大氣環(huán)境質(zhì)量和生物的危害更大。專家研究發(fā)現(xiàn),燃料燃燒排放的微細(xì)顆粒物是大氣細(xì)顆粒物污染的主要來源之一。因此研究并掌握細(xì)顆粒物的生成特性,對于控制其釋放和加強(qiáng)治理意義重大。目前用于提供能源的固體燃料主要有煤、生物質(zhì)及有機(jī)固體廢棄物等,如何清潔高效地利用這些燃料成為目前的熱點問題。本文介紹了3 種燃料燃燒利用過程顆粒物的生成特性,并提出了相關(guān)技術(shù)未來的發(fā)展方向。

        2 燃料燃燒利用過程細(xì)顆粒物的生成特性

        2.1 煤燃燒細(xì)顆粒物生成特性

        目前大多數(shù)專家分析認(rèn)為,大氣中微細(xì)顆粒污染物的主要來源之一是煤燃燒過程產(chǎn)生的。煤燃燒時細(xì)顆粒物的產(chǎn)生、釋放是極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程,已有大量學(xué)者研究討論了煤燃燒過程中顆粒物的生成機(jī)理[1-2],其中有研究成果認(rèn)為煤粉燃燒過程中產(chǎn)生細(xì)顆粒粒徑分布分雙模態(tài),包括1 個超細(xì)模態(tài)和1 個粗模態(tài)。劉思琪等[3]指出,煤粉燃燒過程中產(chǎn)生的飛灰細(xì)顆粒粒徑分布為粗模態(tài)、細(xì)模態(tài)和超細(xì)模態(tài)3 種,與粗模態(tài)顆粒物相比,細(xì)模態(tài)顆粒物占比較大,其粒徑小與富集性的特點會影響人體健康及大氣環(huán)境。Xu 等[4]對煤燃燒過程中顆粒物的生成機(jī)理進(jìn)行總結(jié),認(rèn)為氮、氯和硫等易揮發(fā)組分在燃燒過程中首先受熱氣化,灰分中的SiO2,MgO,CaO 等不易揮發(fā)組分先被焦炭燃燒生成的CO 還原(如SiO2+CO=SiO+CO2),生成次氧化態(tài)過渡態(tài),次氧態(tài)物質(zhì)受熱易氣化揮發(fā),隨氣流進(jìn)入燃燒器尾端,在溫度低時會凝聚形成納米顆粒和亞微米顆粒(PM1)。此外,部分學(xué)者提出亞微米顆粒的積聚模態(tài)是在燃燒室內(nèi)部形成的,而納米顆粒超細(xì)模態(tài)可能是煙氣中未冷凝的金屬氧化物或鹽蒸氣進(jìn)入樣品取樣器冷凝形成。粗模態(tài)一般由煤燃料灰分中未揮發(fā)的灰分形成,即煤熱解生成的焦炭進(jìn)一步發(fā)生破碎,焦炭碎片中的內(nèi)在無機(jī)灰分經(jīng)歷熔融和凝聚形成。同時部分外在灰分在熱流體作用下也會經(jīng)歷破碎、熔融和低溫凝并的過程而形成微米顆粒。

        煤燃燒時影響細(xì)顆粒物生成的因素很多,普遍認(rèn)為包括燃料本身無機(jī)成分、燃料粒徑、燃燒反應(yīng)器和燃燒條件等。如阮仁暉等[5]采用一維沉降爐反應(yīng)器,以新疆準(zhǔn)東地區(qū)高堿煤、準(zhǔn)南低堿煤及混煤為原料,研究分析了煤燃燒細(xì)顆粒物的排放行為,通過對細(xì)顆粒物粒徑分布、生成濃度和元素組成分析,得到高堿煤中Na,K,Mg,Ca,F(xiàn)e 無機(jī)元素對細(xì)顆粒物生成特性的影響,指出高堿煤燃燒生成的細(xì)顆粒物主要由Na,K,Mg,Ca 的硫酸鹽和氧化物組成,低堿煤燃燒產(chǎn)生的細(xì)顆粒物量明顯減少;同時指出低堿煤的摻燒有明顯降低細(xì)顆粒物生成量的協(xié)同效應(yīng),Ca,F(xiàn)e 在混燒降低PM10過程中起重要作用。曾憲鵬等[6]以準(zhǔn)東煤為研究對象,發(fā)現(xiàn)溫度對煤燃燒顆粒物的生成有重要影響,PM1中Ca,Mg 含量隨燃燒溫度的升高而增加,但Na,S 元素則相反,燃燒釋放的PM1主要是由于煤中的灰分吸收Na 元素形成的。Li 等[7]利用25 kW 沉降爐系統(tǒng)對準(zhǔn)東煤燃燒細(xì)顆粒物的生成特性進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),Na 的硫酸鹽主要在0.4 μm 以下的顆粒物中,硅鋁酸鹽主要呈現(xiàn)在較大的顆粒物中。燃料粒徑對燃燒細(xì)顆粒物粒徑分布也有一定的影響。燃料燃燒過程中,礦物質(zhì)會在所形成的細(xì)顆粒物的表面凝結(jié)或吸附,燃料進(jìn)料粒徑會影響細(xì)顆粒物表面上的凝結(jié)度,進(jìn)料燃料粒徑越小,其具有的比表面積越大,揮發(fā)性物質(zhì)被細(xì)顆粒物表面吸附的量會增多,導(dǎo)致生成細(xì)模態(tài)顆粒物的量增加;小粒徑燃料在燃燒過程中在受到外力的碰撞作用下,會直接破碎形成粗模態(tài)顆粒物,增加煙氣中粗模態(tài)顆粒物的生成量。劉思琪等[3]研究發(fā)現(xiàn),煤焦炭中的無機(jī)組分在燃燒過程中會連續(xù)蒸發(fā)并在后續(xù)形成均勻的核,發(fā)生異相凝結(jié),凝并是超細(xì)顆粒物形成的主要原因。

        2.2 生物質(zhì)燃燒細(xì)顆粒物生成特性

        生物質(zhì)燃燒與煤相似,燃燒依次經(jīng)歷干燥脫水、揮發(fā)分熱解析出、揮發(fā)分著火燃燒、焦炭燃燒以及燃盡等過程,伴有SO2,NOX等氣態(tài)污染物的生成和細(xì)顆粒物的釋放。由于生物質(zhì)的生長特性,其富含堿金屬/堿土金屬元素,這些金屬元素以有機(jī)或無機(jī)的形式存在,燃燒時會以蒸氣的形式揮發(fā)擴(kuò)散到煙氣中,并隨煙氣的輸運過程氣化凝結(jié),形成PM1。礦物顆粒的釋放和轉(zhuǎn)變是生物質(zhì)燃燒細(xì)顆粒物形成的重要途徑,而超細(xì)模態(tài)顆粒物形成的主要原因是無機(jī)礦物質(zhì)的氣化凝結(jié)[8]。生物質(zhì)由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三組分有機(jī)組成,具有高揮發(fā)分,這導(dǎo)致大量的有機(jī)揮發(fā)分在燃燒初期析出,在燃燒過程中析出的揮發(fā)分中酮類、酚類、酸類和大分子芳香類物質(zhì)及其衍生物等重組成核,形成有機(jī)質(zhì)顆粒物。生物質(zhì)成型燃料特性與生物質(zhì)原料相比,理化性質(zhì)具有很大差異,細(xì)顆粒物生成特性也會發(fā)生變化,目前國內(nèi)外學(xué)者在生物質(zhì)成型燃料燃燒的顆粒物生成特性研究方面已經(jīng)開展了前瞻性的探索。張永亮等[9]探討了玉米秸稈、棉稈、木質(zhì)3 種成型燃料燃燒過程顆粒物生成數(shù)量和質(zhì)量分布特性,發(fā)現(xiàn)空氣供給量和燃燒功率對顆粒物分布有重要影響。Shen 等[10]同樣通過研究玉米稈、松木固體顆粒燃燒顆粒物的生成特征,發(fā)現(xiàn)了相同的顆粒物生成因子。然而,基于成型燃料組分結(jié)構(gòu)特性與燃燒顆粒物分布之間的關(guān)聯(lián)研究還較為缺乏。

        燃燒溫度對生物質(zhì)細(xì)顆粒物生成有重要影響。高溫促進(jìn)PM1生成量增加,這是由于高溫使灰分中的堿金屬化合物、氯化物和硫酸鹽等無機(jī)礦物質(zhì)更容易揮發(fā),并通過凝并造成PM1生成量增加。但溫度對PM1~2.5的影響復(fù)雜,溫度的升高有利于焦炭破碎形成更多的小顆粒焦炭,降低了灰顆粒接觸反應(yīng)的可能性,弱化了熔融、團(tuán)聚和聚并的影響。另外,焦炭破碎后繼續(xù)燃燒過程中,無機(jī)礦物質(zhì)會析出轉(zhuǎn)化為PM1~2.5。

        生物質(zhì)顆粒物生成與燃燒粉塵有關(guān),通常認(rèn)為顆粒通過均相成核形成,顆粒在煙氣中做無規(guī)則的布朗運動,通過聚并和團(tuán)聚作用不斷增大。Zhu 等[11]發(fā)現(xiàn)相同質(zhì)量的顆粒物粒徑越小比表面積越大,越容易吸附氣態(tài)無機(jī)鹽在其表面發(fā)生凝結(jié),對PM1~2.5的聚合起重要作用,顆粒的熔融增強(qiáng)了其表面張力和粘附力,更易使熔融氣態(tài)堿金屬礦物質(zhì)在已有顆粒表面上凝結(jié)。凝結(jié)或吸附作用主要發(fā)生在揮發(fā)性有機(jī)物和已凝結(jié)顆粒上,因此半揮發(fā)性有機(jī)物會以較大的冷凝速率在溫度較低的尾部煙道中發(fā)生均質(zhì)成核現(xiàn)象形成顆粒物。

        2.3 有機(jī)固體廢棄物燃燒細(xì)顆粒物生成特性

        有機(jī)固體廢棄物主要指城市生活垃圾、工業(yè)固體廢棄物、農(nóng)林廢棄物等,是由有機(jī)物和無機(jī)物組成的復(fù)雜混合物。有機(jī)固廢焚燒處理主要有流化床和爐排爐2 種爐型。其焚燒飛灰細(xì)顆粒物的粒徑和化學(xué)成分受很多因素的影響,主要與固廢本身的成分、燃燒條件及所使用的焚燒設(shè)備密切相關(guān)[12]。有機(jī)廢物燃燒煙氣中的細(xì)顆粒物一般是重金屬顆粒和有機(jī)物顆粒,通常認(rèn)為是無機(jī)礦物顆粒通過互相鑲嵌混合包裹而形成,或重金屬顆粒附著在硫酸鹽顆粒物的表面形成。余卓君等[13]分析垃圾焚燒產(chǎn)生的PM1,PM2.5,PM10細(xì)顆粒物成分發(fā)現(xiàn),垃圾焚燒細(xì)顆粒物主要成分為Al,Si,S,Ca,Cr,F(xiàn)e,OC,EC 等,在細(xì)顆粒物中Ca,OC 含量較高,PM1中含量相對較高的是OC和EC,超細(xì)顆粒物對重金屬元素有很高的富集。Zhang 等[14]指出污泥焚燒釋放的顆粒物以揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)為主,按粒徑可分為2 個粒徑段(以Mz=0.22 μm 為分界),各段顆粒物的化學(xué)性質(zhì)和水溶性不同,Mz≤0.22 μm 顆粒物為水溶性顆粒物,成分以堿性元素和重金屬化合物為主,Mz≥0.22 μm的顆粒物以非水溶性物質(zhì)為主,且成分大多為金屬硫酸鹽和磷酸鹽;同時指出經(jīng)過氣化-冷凝途徑形成的PM1的理化性質(zhì)對顆粒物的收集影響很大,傳統(tǒng)的空氣污染控制裝置不易進(jìn)行捕獲。污泥流化床焚燒細(xì)顆粒物的形成經(jīng)過無機(jī)物高溫蒸發(fā)、均勻成核并異相凝結(jié)、顆粒破碎及碰撞夾帶、化學(xué)反應(yīng)并冷凝、煙氣顆粒的粘結(jié)等一系列復(fù)雜過程;氣化凝結(jié)形成的顆粒物會由于顆粒之間的碰撞、顆粒的黏性和回彈及表面反應(yīng)使顆粒生長。

        3 結(jié)語

        通過對已有燃燒顆粒物的生成特性研究可知,細(xì)顆粒的形成對燃料組成、溫度和燃燒設(shè)備較為敏感,燃料組分中含有的堿金屬和堿土金屬元素越多,越容易形成納米顆粒和PM1;PM1的生成受溫度的影響較大,高溫促進(jìn)堿金屬的析出及其與硅鋁酸鹽的交互反應(yīng),而降低其在PM1中的含量。壓力對PM1的生成有一定的影響,但微米顆粒的產(chǎn)率和組成成分受氧氣濃度高低或壓力高低的影響不顯著??紤]到我國碳達(dá)峰、碳中和要求,能源、工業(yè)領(lǐng)域會加快燃料燃燒CO2捕集進(jìn)程,因此未來控制燃料燃燒細(xì)顆粒物生成相關(guān)研究應(yīng)該集中在增壓富氧燃燒過程細(xì)顆粒物的生成特性方面,因為增壓富氧燃燒既可有效解決CO2捕集過程能耗問題,又可提高燃燒系統(tǒng)的燃燒效率及抑制空氣污染的生成。

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