燃烧过程中颗粒物的形成与控制-郑茂盛讲述.pptxVIP

燃烧过程中颗粒物的形成与控制 P358-390 郑茂盛 主要内容 1.2飞灰颗粒的气化 1.3亚微米颗粒的形成动力学 2.2煤烟颗粒的氧化 2.3煤烟颗粒的控制 Related Documents 燃烧过程产生的颗粒物可以分为两大类 飞灰（ash）：来自于燃料中的不可燃烧组分（主要是矿物颗粒）以及燃料中有机组分的杂原子。 煤烟（soot）：未燃尽的含碳颗粒，主要来自于燃料分子的高温热解。 1 飞灰（ash） 使用煤做燃料会比采用燃料油做燃料产生更多的颗粒物 燃料添加剂，如提高汽油抗爆性能的铅添加剂，控制柴油机煤烟排放的钡添加剂，以及燃料煤中的固硫剂等，都和燃烧过程产生的颗粒物有密切关系。 我们主要讨论燃料煤燃烧过程中飞灰的产生。 早期颗粒物污染并没有引起人们的足够重视，因为静电除尘器可以去除大部分的颗粒物。 直到1974年，Davison发现颗粒物上的有毒污染物浓度随颗粒物粒径的减小而增大。 1.1燃煤过程中飞灰的形成 细小碳颗粒的形成 细小碳颗粒向飞灰颗粒的演变 残灰颗粒模型 碳颗粒中包含的矿物微团逐渐裸露出来。 高温使表面矿物颗粒呈现熔融状态。表面张力使其形成球状灰滴附着在焦炭颗粒表面。 彼此距离逐渐减小，当发生接触时，就会聚合在一起形成较大的灰粒。 燃烧过程中残灰颗粒会产生一个很有趣的结构 （cenospheres） 焦炭颗粒的破碎和表面灰粒的聚合是残灰颗粒形成中两个十分重要的过程。 通过气化凝结产生的飞灰数量只占总量的1%。 在高温燃烧环境中，煤中部分无机物首先发生气化， 通过均相成核形成许多细小微粒(0.01 μ m)。颗粒之间通过凝并和非均相凝结，体积增加。 在燃烧温度较低的区域，颗粒停止增长，并最终形成成熟的亚微米颗粒。 细小碳颗粒向飞灰颗粒的演变 气化凝结模型 高挥发性Na、K等元素（原子或氯化物） 低挥发性Si、Al、Fe、Mg 、Ca 等元素（还原成次氧化物） 无机矿物的气化和随之而来的凝结是亚微米灰形成中两个重要的过程。 有毒痕量元素如As、Cd、Cr、Pb、Ni、Sb、Se、 Zn 和Hg 等（以原子或化合物的形式气化） 从颗粒物表面流出的组分 i 的气相流量可以写成 燃烧产生量和分子扩散量之差。 1.2飞灰颗粒的气化 将飞灰颗粒的气化速率仿照液滴气化速率的表示方法。 假设灰分的蒸发足够缓慢，不会影响到燃烧速率和碳颗粒的温度。 通过积分变换最后写成 mi和mi0分别是组分i的气化量和总量 αi和 αi0分别是组分i和总飞灰的质量分数 空气中碳燃烧B最大值为0.174，可计算出最小的灰分分数为 当没有别的CO2来源时可写成 对yis可假设颗粒表面的压力平衡 化学平衡时灰分表面的平衡常数为 对于硅钙镁的气化 实际上灰分的气化速率会比计算值小 碳颗粒表面只有一部分覆盖有飞灰颗粒 气化产物在碳颗粒中的扩散受到多孔结构的限制 气化产物的扩散过程也会受到各种条件的限制影响 主要经历3个过程：成核、冷凝和凝并。 在高温燃烧环境中，煤中的无机物(0.2％-3％)首先发生气化，气化产物不断向外扩散，在焦炭边界区域遇氧发生反应。随后，无机蒸气达到过饱和状态时，通过均相成核形成许多细小微粒(d0.01μm)。 颗粒通过两种途径逐渐长大：一种是无机蒸气在已经形成的灰粒表面发生非均相冷凝，使颗粒体积增加；另一种则是相互碰撞的微粒发生凝并，合而为一。 在温度较低的区域，颗粒直径增长逐渐减缓，最终发生碰撞的灰粒烧结在一起形成空气动力学直径大于0.36 μm的团聚物，随锅炉烟气排出。 1.3亚微米颗粒物的形成 采用该模型对亚微米颗粒物形成数量以及粒径分布的预测和实验观测到的数据一致。 亚微米颗粒物的形成就是气化-冷凝机理。 定义：气体燃料或液固燃料的挥发组分燃烧产生的含碳颗粒。 形状：半径较小，多呈球形（0.01 μm到0.05 μm）。 结构：混层结构，碳形成的层状结构散乱的结合成球形。 2 煤烟（soot） 煤烟颗粒的存在对燃烧状况大都是积极的作用 会使燃烧炉中会形成更好的传热条件 有利于更好的和空气接触进行燃烧 排出炉膛之前一般都会被燃烧完全 煤烟颗粒组成不是纯碳，在高温区是C8H。 烟囱中排出的黑烟主要由煤烟颗粒组成。 如果燃烧条件控制不当，一旦排放入大气中就会形成严重的环境污染。 3.1煤烟颗粒的形成 燃料高温热解形成小分子，表面的化学反应使粒径增大形成煤烟颗粒。 在该过程中，由于H的消耗使颗粒的化学组分CH比逐渐增大至8。 理论上，C和O2摩尔比在1.0时最容易形成煤烟颗粒。而实际发现，在预混火焰中，碳氧摩尔比在0.5最易形成煤烟。 煤烟形成取决于碳颗粒的热解速率和氧化反应速率 在预混火焰中，当温度升高时，氧化速率加快程度