燃煤过程矿物质形态对亚微米颗粒释放的影响
煤粉燃烧过程磷在亚微米颗粒中的转化
煤粉燃烧过程磷在亚微米颗粒中的转化卓建坤;熊刚;李水清;宋蔷;姚强【期刊名称】《工程热物理学报》【年(卷),期】2009()7【摘要】亚微米颗粒(PM_1)中的磷由于对环境和SCR催化剂活性的影响而受到越来越多的关注。
本文在一台25 kW的一维下行炉实验装置上,利用两级N_2稀释高温水冷等速取样系统,通过PM(2.5)切割器和ELPI获取代表着煤粉燃烧主要阶段生成的粗颗粒(PM(2.5+))和PM_1,并进行元素成分和颗粒形貌的测试。
研究结果表明,在燃烧过程中,磷主要富集在PM_1中,磷在PM_1中的质量浓度粒径分布存在双模态结构,Na、K、Mg、Ca和Fe的磷酸盐化影响着P在燃烧中的转移,Fe、K 和Ca是影响P在中间模态颗粒中分布主要因素,而超细颗粒模态中燃烧条件控制着蒸发凝并的过程,从而最终影响到P在超细颗粒模态中的质量浓度分布的剧烈变化,同时也影响磷酸盐化的元素种类及相关度。
【总页数】4页(P1237-1240)【关键词】煤粉燃烧;磷;亚微米颗粒;形成机理【作者】卓建坤;熊刚;李水清;宋蔷;姚强【作者单位】清华大学环境科学与工程系;清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TK16;X51【相关文献】1.神华煤中含铁矿物质及其在煤粉燃烧过程中的转化 [J], 李意;盛昌栋2.煤燃烧过程中矿物质气化与亚微米颗粒物形成的研究 [J], 高翔鹏;徐明厚;姚洪;隋建才;刘小伟3.燃烧过程中煤粉颗粒的变化情况的研究 [J], 张翠宝;黄信仪;徐旭常4.高碱煤燃烧过程中亚微米颗粒物PM1的生成特性 [J], 赵京; 张玉锋; 魏小林; 李腾; 宾峰5.煤粉燃烧火焰区域内形成的亚微米颗粒电镜研究 [J], 卓建坤;李水清;宋蔷;姚强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
煤燃烧中无机矿物向颗粒物的转化规律
煤燃烧中无机矿物向颗粒物的转化规律
于敦喜;徐明厚;姚洪;刘小伟;周科
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】2008(29)3
【摘要】为深入理解燃煤颗粒物的形成机理,利用计算机控制扫描电镜技术对煤及其颗粒物中的无机矿物进行了详细表征,研究了煤燃烧过程中主要矿物向颗粒物的转化规律。
结果表明煤中粘土矿物由于含有K、Na、Ca、Mg和Fe等杂质元素,容易在较低温度下发生熔融和聚合,从而使颗粒粒径变大.黄铁矿在燃烧中易发生分解、破碎而使颗粒粒径减小,Fe氧化物与硅酸盐发生反应形成富Fe硅酸盐。
方解石和铁白云石在高温条件下分解生成对应的氧化物,也可与硅酸盐发生反应形成富Ca或富Fe硅酸盐.石膏在燃烧过程中会经历脱水和分解反应,生成的CaO可与SO3和熔融硅酸盐发生竞争反应.
【总页数】4页(P507-510)
【关键词】煤燃烧;矿物;颗粒物;CCSEM
【作者】于敦喜;徐明厚;姚洪;刘小伟;周科
【作者单位】华中科技大学煤燃烧国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
【相关文献】
1.神华煤中含铁矿物质及其在煤粉燃烧过程中的转化 [J], 李意;盛昌栋
2.准东煤高温燃烧过程中含钙矿物质的转化规律 [J], 黄小河;张守玉;杨靖宁;江锋浩;吴顺延;慕晨;吕俊复
3.准东煤燃烧中不同形态无机元素向颗粒物的转化行为 [J], 曾宪鹏;于敦喜;于戈;刘芳琪;刘虎平;徐明厚
4.高硅煤燃烧过程中矿物转化及重金属分布规律研究 [J], 李文举;龚本根;张军营
5.煤燃烧脱硫过程中影响无机矿物转化行为的因素 [J], 谢峻林;罗金平;赵改菊;杨奎彬
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煤燃烧过程中矿物质气化与亚微米颗粒物形成的研究
煤燃烧过程中矿物质气化与亚微米颗粒物形成的研究高翔鹏;徐明厚;姚洪;隋建才;刘小伟【期刊名称】《动力工程学报》【年(卷),期】2007(027)002【摘要】应用热重分析仪研究了煤中矿物质的气化,同时通过沉降炉试验台架研究了燃煤过程中亚微米颗粒的形成和排放特性,并对亚微米颗粒的形成机理进行了探讨.结果表明:矿物质的气化量随着温度的升高而增大;在1400℃时,各个元素的气化能力由大到小依次为S、Cu、Pb、Zn、Na、K、Ca、Fe、Mg、Cr和Mn;温度越高,煤粉粒径越小,氧气含量越高,形成的PM1.0的浓度越大,并富集了易气化元素S、P和Na等,PM1.0可能是由气化-凝结机理形成的.【总页数】5页(P292-296)【作者】高翔鹏;徐明厚;姚洪;隋建才;刘小伟【作者单位】华中科技大学,煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074;华中科技大学,煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074;华中科技大学,煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074;华中科技大学,煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074;华中科技大学,煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TK16【相关文献】1.燃煤过程中亚微米颗粒物形成及防治的研究进展 [J], 赵毅;沈艳梅2.煤燃烧过程中钾钠类矿物质特性研究 [J], 毛军3.高碱煤燃烧过程中亚微米颗粒物PM1的生成特性 [J], 赵京; 张玉锋; 魏小林; 李腾; 宾峰4.煤中钠元素赋存形态对亚微米颗粒物形成的影响研究 [J], 刘小伟;徐明厚;姚洪;于敦喜;吕当振;张会兴5.煤粉燃烧过程中矿物质气化影响因素的模拟研究 [J], 隋建才;徐明厚;丘纪华;朱文渊;高翔鹏;彭谷桃因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
内在矿物质对煤粉燃烧过程影响的动力学研究
燃烧科学与技术Journal of Combustion Science and Technology 2018，24(3)：270-274DOI 10.11715/rskxjs.R201711023收稿日期：2017-11-30．基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228501)；国家科技支撑计划资助项目(2015BAA04B03). 作者简介：杜晓杰（1995— ），男，硕士研究生，dxj-monky.d.luffy@. 通讯作者：李水清，男，博士，教授，lishuiqing@.内在矿物质对煤粉燃烧过程影响的动力学研究杜晓杰，李水清，高 琦，姚 强(清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)摘 要：本文采用数学建模方法研究煤粉内在矿物质析出对其燃烧的动力学影响．在MIT Graham 研究工作的基础上，借鉴内在矿物质群平衡演化析出模型，建立包含表面矿物质结构演化的焦炭燃烧动力学模型．理论分析表明，在焦炭燃烧过程中，表面矿物质层内的气体传质过程会经历由分子扩散到努森扩散的转变．与已有的焦炭燃烧灰壳模型进行对比分析，结果表明，已有灰壳模型在焦炭燃烧初期较高地估计了表面矿物质对气体传质的抑制作用．当内在矿物含量低于10%(质量分数)时，焦炭燃烧全过程中内部矿物质对气体传质的抑制作用不明显．关键词：内在矿物质；分子扩散；努森扩散；焦炭燃烧表面温度中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2018)03-0270-05Influence of Included Minerals Release on Dynamic Behaviorof Pulverized Coal CombustionDu Xiaojie ，Li Shuiqing ，Gao Qi ，Yao Qiang(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education ， Department of Energy and Power Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China )Abstract ：The influence of included minerals release on the coal combustion process is studied using mathemati-cal modeling method ．First ，a reduced combustion model of char particles under conventional condition is estab-lished based on the research of Graham from MIT ．Then ，w ith a further introducion of the population-balance model ，a dynamic coal combustion model with mineral evolutions on the char particle surface is built ．Theoretical analysis shows that the gas transfer through surface minerals undergoes the conversion from molecular diffusion to Knudsen diffusion during pulverized coal combustion ．Compared with the ash film model ，results suggest that the existing ash film model overestimates the restraint of surface minerals on diffusion in the early stage of combustion ．Furthermore ，the restraint of minerals on diffusion during the whole combustion process is insignifi-cant when the included minerals proportion is less than 10%.Keywords ：included mineral ；molecular diffusion ；Knudsen diffusion ；char surface temperature化石燃料燃烧排放出的一次颗粒物和二次颗粒物是空气中可吸入颗粒物(PM 10)的主要来源之一[1]，PM 10对自然环境和人体健康有很大危害．研究表明，焦炭表面燃烧温度是影响煤粉燃烧过程中细颗粒物生成的重要因素，因此得到煤粉颗粒燃烧的表面温度是进行燃烧诊断、控制的重要依据．传统的计算煤粉杜晓杰等：内在矿物质对煤粉燃烧过程影响的动力学研究 燃烧科学与技术— 271 —燃烧温度的模型是将煤粉燃烧近似看成纯碳颗粒的燃烧．而实际上煤粉中存在着矿物质，包括外在矿物质和内在矿物质[2]，其中内在矿物质会随着燃烧过程的推进逐步演化到煤粉表面，进而对煤粉颗粒的燃烧产生影响．因此煤粉的燃烧行为与纯碳的燃烧行为存在差异，应用传统的纯碳颗粒燃烧模型来预测煤粉颗粒的燃烧将会带来一定程度的偏差．因此，本文的目标是在前人工作的基础上，研究内在矿物质对煤粉燃烧过程的影响，建立包含表面矿物质结构演化的焦炭燃烧动力学模型，并与传统模型进行比较．1 焦炭燃烧模型常见的焦炭颗粒燃烧模型为单膜模型和双膜模型[3]，这两种模型均对焦炭燃烧过程进行了较大程度的简化，因此在实际应用中会带来较大的偏差．为了更好地描述焦炭燃烧过程，本文在Graham 等[4]研究的基础上，提出了如下焦炭表面燃烧温度计算模型. 模型有以下基本假设：(1) 燃烧是准静态过程；(2) 质量传递和能量传递连续； (3) 焦炭颗粒之间没有相互作用； (4) 颗粒绝热． 表面反应用式(1)表示： ()()(s)22C O 21CO 21/2CO ψψψ+=−+−(1)此模型本质上属于单膜模型，ψ表示每摩尔焦炭消耗的氧气物质的量，反映CO 的氧化程度，计算中通常取ψ＝0.511．与简单单膜模型不同的是该模型采用比表面积的计算方法，能够更加准确地计算碳表面的反应情况．模型包括以下3个方程． 能量方程：2O rxn,0J H ψΔ=()()()244p p g p p p w 44r k T T r T T σεπ−+π− (2)表面反应及内部扩散方程：()2O CO i,max p i,max p p p xJJ R A R S V ηρηψ−===(3)()()ap2/i,max O ,s e n E RT i R A cX −= (4)外部扩散方程：22O,sO ,b 1exp ln 11X X ψ⎛⎛⎛⎞⎜⎛⎞⎜=+−+⎜⎟⎜⎜⎟⎜⎝⎠⎝⎠⎜⎜⎝⎝22O p O 111114J r cD ψψ⎞⎞⎛⎞−⎟⎟⎜⎟⎛⎞⎝⎠⎟⎟−−⎜⎟⎟⎟π⎝⎠⎠⎠ (5)式中：i J 是i 物质的质量流量；r p 为焦炭颗粒半径；T p 为焦炭表面燃烧温度；T g 为主流气体温度；w T 为壁面温度；,s i X 指焦炭表面i 物质的摩尔分数；,b i X 指环境中i 物质的摩尔分数，i,max R 指焦炭表面反应速率；η是有效因子；k 为传热系数；p ε为焦炭发射率；A p 为反应表面积；A i 为指前因子；S p 、r p 和V p 为煤粉颗粒的比表面积、密度和体积． 20.5(1)p p O s p cor ,330.5ln(1)n i k S c X r D φηρ−⎧⎫⎡⎤⎪⎪⎣⎦⎨+⎬⎪⎪⎭=⎩=(6)内部扩散是努森扩散，其分子动力学表达式为K 23D rv =式中：K D 为努森扩散系数；r 为微孔平均半径；v 为气体分子的均方根速度，考虑到气体分子在多孔固体介质中实际扩散截面积的减少和扩散路径的增大，需要对努森扩散系数进行修正，即P cor K PD D θτ= (7)式中：P θ为颗粒的孔隙率；P τ为曲折度．最终可以得到修正扩散系数表达式为20.5p p cor pore O p 243RT D r M θτ⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎝⎠π (8)式中：pore r 为孔隙平均半径．计算中参数的选取如下：煤样表面几何性质和传热系数采用文献[4-5]中的数据；根据文献[6]和文献[7]的研究，发射率p ε取为0.8；借鉴文献[8-9]中提出的反应模型，将反应级数取为0.3，并对Graham 提出的反应指前因子A i 进行修正．最后联立方程(2)、(3)和(5)迭代求解焦炭燃烧表面温度．2 内在矿物对燃烧影响的模型2.1 忽略灰分影响的模型传统的单膜模型和双膜模型都未考虑内在矿物对燃烧的影响，而是直接将煤粉燃烧看作纯炭颗粒的燃烧，这样虽然可以简化计算，但是会带来与实际燃烧过程较大的偏差．因此，要想较为准确地预测煤粉颗粒的燃烧，内在矿物质的影响不可忽略．燃烧科学与技术第24卷 第3期— 272 —2.2 形成连续灰层的模型在考虑灰分影响的燃烧模型中，大部分模型采用了形成连续灰层的假设，即假定在燃烧过程中释放出来的灰分在焦炭颗粒表面形成连续灰层，随燃烧过程进行，灰层不断变厚，从而影响气体扩散行为，进而影响整个燃烧过程[6]．考虑到灰分并不总能铺满焦炭颗粒表面，一些更精确的研究[7]采用如下计算方法，假定临界灰层厚度m δ，若灰层厚度m δδ＞，则有效扩散系数为 2.5eff af θ=D D (9)式中：af θ为灰层的孔隙率；D 为分子扩散系数．若m δδ＜，则等效的孔隙率为3m a 00p 3m a,n a,n p a af 21211δρρδρρθ⎛⎞−−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎛⎞−−⎜⎟⎜⎡⎤⎢⎥⎢⎥=−⎢⎥⎢⎥⎢⎟⎝⎥⎢⎥⎣⎦⎠X d X d (10)式中：ρ为焦炭颗粒整体密度；X a 为灰分质量分数；d p 为焦炭颗粒直径；下标带有0的表示初始值．再将式(10)带入式(9)计算有效扩散系数．2.3 析出灰颗粒的模型虽然连续灰层模型的假设充分考虑了灰分对燃烧过程的影响，但是大量研究表明，燃烧过程中灰分是以灰颗粒的形式析出的[10]，如图1所示．图1 灰颗粒模型示意Fig.1 Schematic diagram of ash particle model而由析出的灰颗粒到形成连续的灰层则需要较长时间的演化．因此，该模型假设在燃烧过程中，灰颗粒不断形成，随着燃烧的进行，灰颗粒之间的空隙逐渐缩小，直至最终形成连续灰层．在未形成连续灰层阶段，外部有效扩散系数综合考虑了分子扩散以及努森扩散，采用公式(11)表示：A 1eff BK 11 D D D −⎛⎞=+⎜⎟⎝⎠(11)式中：AB D 为分子扩散系数，采用文献[4]中的数据；当形成连续灰膜之后，扩散系数则采用努森扩散进行计算．3 计算结果与分析3.1 灰颗粒析出模型合理性分析为了分析所提出的灰颗粒析出模型的合理性，根据实验得到的准东煤和神华烟煤内在矿物含量的结果[11-12]，带入灰颗粒析出模型进行计算．假设形成的灰颗粒在焦炭颗粒表面均匀分布，平均粒径为2µm ，计算结果如图2所示．已知在2000K 左右的气体分子平均自由程约为λ=0.01µm ．当/2λr ＜0.01时，可近似为分子扩散．当/2λr ＞0.1时，可看作努森扩散．在实际计算中，为使结果准确，使用的是分子扩散和努森扩散耦合的等效扩散系数，在分析时则可以用以上判据判断主要扩散方式．在孔隙直径大于1µm 时，主要是分子扩散．孔隙直径小于0.1µm 时，主要是努森扩散．处于中间范围时两者作用相当，都不能忽略．图2 表面孔隙尺寸与燃尽率的关系Fig.2Average pore radius as a function of carbon con -version rate计算结果表明，在燃烧的大部分时间都处于分子扩散的控制下，而连续灰层是在燃烧末期才会出现的．对于灰分低的煤种这一现象更加明显．这表明灰颗粒析出模型考虑到了占据大部分燃烧过程的分子扩散阶段，这一假设是合理的．而传统的灰层模型直接转换到努森扩散，计算结果可能会放大灰颗粒对扩散的抑制作用． 3.2 不同模型计算结果对比图3是当内在矿物质含量X a 为5%(质量分数)时颗粒温度与燃尽率的关系．从计算结果可以看出，当内在矿物质含量为5%时，灰颗粒模型与忽略灰分影响时计算结果非常接近，这与前述分析是吻合的．不考虑灰分模型计算过程中全部采用分子扩散系数，而低灰分焦炭颗粒绝大部分燃烧过程都是分子扩散占主导的，所以这两种模型计算结果十分接杜晓杰等：内在矿物质对煤粉燃烧过程影响的动力学研究 燃烧科学与技术— 273 —近．连续灰层模型计算得到的表面温度偏低，是因为这一假设将最后阶段才会出现的连续灰层假设应用到整个燃烧阶段，放大了灰分对扩散的抑制作用．图3 不同模型下表面温度与燃尽率关系(X a ＝5%) Fig.3 Calculated particle surface temperature as a func -tion of carbon conversion rate using different models (X a ＝5%)图4显示了内在矿物质含量X a 为20%时的颗粒温度与燃尽率关系．在燃尽率为0.7之前，不考虑灰分模型和灰颗粒模型计算结果接近，而灰层模型结果偏低，这与前面的分析是一致的．而燃尽率为0.75之后，灰颗粒模型和灰层模型计算结果十分接近，并且都低于不考虑灰分的情况．这是因为燃尽率为0.75时，单独的灰颗粒逐步形成连续灰膜，对扩散的抑制较为明显，且两种考虑灰分的模型对扩散系数的修正是很接近的．图4 不同模型下表面温度与燃尽率关系(X a ＝20%)Fig.4 Calculated particle surface temperature as a func -tion of carbon conversion rate using different model (X a ＝20%)3.3 灰颗粒模型不同灰分计算分析取内在矿物含量X a 分别为0、5%、10%、15%和20%，在灰颗粒模型下计算表面温度，结果如图5所示．计算结果表明，在燃烧前期，处于分子扩散控制阶段，灰分含量对扩散影响较小，表面温度几乎不受灰分含量的影响．而在从分子扩散转变成努森扩散阶段，即形成连续灰膜的节点附近，颗粒表面温度会有明显降低，而且当灰分含量越低，这一变化出现的越迟．另外，值得注意的是，当内在矿物含量小于10%时，表面温度计算结果都十分接近，表明此时灰分对颗粒表面温度的影响不显著，而当内在矿物质含量大于10%时，内在矿物质的含量则会对燃烧过程中颗粒表面温度产生较大的影响．因此，内在矿物含量为10%可作为选择不同模型的分界标准．图5 不同矿物质含量下表面温度与燃尽率关系Fig.5Calculated particle surface temperature as a func -tion of carbon conversion rate with different ash contents4 结 语本文建立了包含表面矿物质结构演化的焦炭燃烧动力学模型，并与已有的焦炭燃烧灰壳模型进行对比研究．结果表明：焦炭燃烧过程表面矿物质层内的气体传质过程会经历由分子扩散到努森扩散的转变，当内在矿物质含量低于10%时，内在矿物质析出对焦炭燃烧全过程表面气体传质的抑制作用不显著，因而对焦炭燃烧表面温度无明显影响． 参考文献：［1］ 吕建燚，李定凯. 温度对煤粉燃烧生成的一次颗粒物特性的影响[J ]. 中国电机工程学报，2007，27(20)：24-29.Lü Jianyi ，Li Dingkai. Study on primary PM features in-fluenced by pulverized coal combustion at different burn-ing temperature [J ]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering ，2007，27(20)：24-29(in Chinese ).［2］ Wu H ，Bryant G ，Wall T. Mechanisms of ash liberationfrom included mineral matter during pulverized coal combustion [C ]// Chemeca 99：Chemical Engineering ：Solutions in a Changing Environment . Institution of En-gineers ，Australia ，1999.［3］ Turns S R. An Introduction to Combustion [M ]. 2nd Edi-tion. New York ：McGraw-Hill ，1996.［4］ Graham K A. Submicron Ash Formation and Interaction燃烧科学与技术第24卷 第3期— 274 —with Sulfur Oxides During Pulverized Coal Combus-tion [D ]. Cambridge ，MA ，USA ：Department of Chemical Engineering ，Massachusetts Institute of Tech-nology ，1991.［5］ 张盛诚，何 榕. 热解时加热速率对煤粉孔隙结构变化的影响[J ]. 燃烧科学与技术，2017，23(1)：1-9. Zhang Shengcheng ，He Rong. Effect of heating rate of pyrolysis on coal particle pore structure [J ]. Journal of Combustion Science and Technology ，2017，23(1)：1-9(in Chinese ).［6］ Niu Y ，Shaddix C R. A sophisticated model to predictash inhibition during combustion of pulverized char par-ticles [J ]. Proceedings of the Combustion Institute ，2015，35(1)：561-569.［7］ Hurt R ，Sun J K ，Lunden M. A kinetic model of carbonburnout in pulverized coal combustion [J ]. Combustion & Flame ，1998，113(1/2)：181-197.［8］ Hurt R H ，Calo J M. Semi-global intrinsic kinetics forchar combustion modeling [J ]. Combustion & Flame ，2001，125(3)：1138-1149.［9］ 刘若晨，安恩科，刘泽庆，等. 全氧煤粉燃烧烟气的辐射特性[J ]. 燃烧科学与技术，2016，22(1)：84-90. Liu Ruochen ，An Enke ，Liu Zeqing ，et al. Radiation characteristics of oxy-fuel combustion flue gas [J ]. Jour-nal of Combustion Science and Technology ，2016，22(1)：84-90(in Chinese ).［10］ Kerstein A R. Population-balance model of physicaltransformations of ash during char oxidation [J ]. Com-bustion & Flame ，1989，77(2)：187-199.［11］李庚达. 煤粉燃烧细颗粒物生成、演化与沉积特性实验研究[D ]. 北京：清华大学机械工程学院，2014. Li Gengda. Investigations on Fine Particulates Formation ，Transformation and Deposition Properties during Pulverized Coal Combustion [D ]. Beijing ：School of Mechanical Engineering ，Tsinghua University ，2014(in Chinese ).［12］ 齐晓宾，宋国良，宋维健，等. 准东煤循环流化床气化过程中的矿物质转化行为特性[J ]. 燃烧科学与技术，2017，23(1)：29-35.Q i Xiaobin ，Song Guoliang ，Song Weijian ，et al. Mineral transformation behavior of Zhundong coal dur-ing circulating fludized bed gasification [J ]. Journal of Combustion Science and Technology ，2017，23(1)：29-35(in Chinese ).。
采矿业中的煤炭燃烧与排放控制
采矿业中的煤炭燃烧与排放控制煤炭是世界上最重要的燃料之一，广泛应用于采矿业。
然而，煤炭的燃烧会导致大量的排放物释放到大气中，对环境和人类健康带来严重影响。
因此，在采矿业中控制煤炭的燃烧与排放显得尤为重要。
煤炭的燃烧会释放大量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等有害气体和颗粒物质。
这些排放物对空气质量造成污染，对大气环境和生态系统造成破坏，同时也对人体健康产生危害。
因此，在采矿业中，控制煤炭的燃烧与排放，减少有害气体和颗粒物的释放，是一项紧迫的任务。
为了控制煤炭的燃烧与排放，可以从以下几个方面入手。
首先，煤炭的燃烧技术应得到改进。
传统的煤炭燃烧方式通常效率低，排放物多。
采用先进的燃烧技术，如流化床燃烧技术、燃烧控制技术等，可以提高燃烧效率，减少排放物的生成。
此外，还可以采用低氮燃烧技术，控制氮氧化物的产生。
其次，加强对煤炭燃烧过程中排放物的监测与控制。
监测煤炭燃烧产生的二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等排放物的浓度，可以有效地评估煤炭燃烧的环境影响，并采取相应的控制措施。
例如，采用脱硫、脱硝和除尘技术等，去除燃烧过程中产生的二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等有害物质。
此外，煤炭燃烧时的炉内温度、压力等条件也应得到控制。
适当调整炉内温度和压力，可以改善燃烧效率，减少排放物的生成。
对于高温炉燃烧，还可以采用余热回收技术，利用煤炭燃烧产生的热能，提高能源利用效率。
此外，促进清洁能源的发展也是控制煤炭燃烧与排放的重要途径。
清洁能源，如风力、太阳能等可再生能源，可以替代部分煤炭能源的使用，减少煤炭的燃烧与排放。
因此，在采矿业中，可以推广和应用清洁能源技术，减少对煤炭的依赖，从而达到控制煤炭燃烧与排放的目的。
综上所述，煤炭燃烧与排放控制在采矿业中具有重要意义。
通过改进煤炭燃烧技术、监测与控制燃烧过程中产生的排放物、调整炉内温度和压力、促进清洁能源的发展等措施，可以有效地控制煤炭的燃烧与排放，并减少其对环境和人类健康的影响。
煤转化利用中颗粒物的形成及控制
煤转化利用中颗粒物的形成及控制【摘要】我国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤燃烧过程中所产生的小于10?m的颗粒物是主要污染物之一。
颗粒物的形成和控制问题是国内外许多学者相当关注的问题，由于这些可吸入颗粒物其表面易于富集大量有毒有害重金属元素，因此对环境造成污染，对人体产生着严重危害。
【关键词】煤转化；控制1.燃煤中颗粒物的形成1.1 煤中矿物质的分布及转化[1-2]燃烧产生的颗粒物主要来自煤中矿物质，矿物质分布对其转化行为和颗粒物的形成具有十分重要的影响。
按照与有机质结合的紧密程度，煤中的矿物质通常可分为内在矿物与外在矿物。
前者与有机质结合紧密，很难被分离；后者是在煤的采掘过程中混入底板、顶板和夹石层的矸石，一般为5-10%，高的可达20%以上[1]。
内在矿物质的成灰机理如图1.1所示[2]。
煤粉颗粒的热解而产生不同结构的焦炭，其中多孔或者煤胞型焦炭在燃烧过程中容易发生破碎，形成大量的细小碎片，碎片中的矿物颗粒经过熔化及聚合生成超微米颗粒（>1μm）；然而无孔密实型焦炭则不会发生破碎，焦粒中的矿物经过熔化、聚合后生成一个较大的超微米颗粒。
在煤粉热解、燃烧过程中，原子态无机质及内在矿物中部分无机物则会发生气化，形成无机蒸汽，当温度降低时，这些无机蒸汽通过凝结、凝并形成了亚微米颗粒。
图 1.2是外在矿物的成灰机理[2]。
外在矿物在煤粉燃烧过程中也会发生气化，但由于处于氧化性气氛，其气化量通常很低，随烟气温度的降低，无机蒸汽重新冷凝，而形成亚微米颗粒。
其次，外在矿物在高温条件下由于热应力、分解产物的析出会发生破碎，这些破碎碎片也是超微米颗粒形成的重要来源。
由于矿物组成不同，其熔点也存在不同差异，其中熔点较低矿物颗粒在高温条件下发生熔融，从形成表面光滑的超微米颗粒，而熔点很高的矿物颗粒则可能不会经历熔融过程，因此直接转化成不规则超微米颗粒。
1.2 燃煤颗粒物的形成[3-4]燃煤过程中颗粒物的形成是一个十分复杂的物理化学过程，受到大量因素影响，例如煤种、温度、燃烧氛围、原煤粒径大小等。
不同煤粉燃烧对一次颗粒物排放特性的影响
Ｄ ｃ ｏ６ ｅ ．２ ０
不 同煤 粉燃 烧 对 一 次 颗 粒 物 排 放 特 性 的影 响
吕 黻 ， 建 李定 凯
（． １清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室， 北京 １０８ ；． ００４２ 华北电力大学环境科学与工程学院， 保定 ０１０ ） ７０３
摘 要 ：在实验室条件 Ｆ 以沉降炉作为燃烧设备 ， ８ Ａ ｄｒ ｎ ， 用 级 ｎｅ ｅ 粒子撞击器分离并收集燃烧后 的颗粒物 ， ｓ 研究
ｃｎｅ ｔｏ ｓ ｉ ｅ ａｂ ｎ，ａ ｄ ｖｌｔｅｉ ｏ１ ｏ ｔｎ ｆａｈ，ｆ ｄｃ ｒｏ ｘ ｎ ｏａｉ ｎ ｃ ａ．Ｒｏｉ— ｍｍｌｒｆｎ ｔ ｎｗａ ｄ ｐｅ ｏｓｍｕａｅｔｅｐ ｒ ｃｅｓｚ ｉｔ － ｌ ｓｎＲａ ｅ ｃｉ ｓａ ｏ ｔｄ ｔ ｉ ｌｔ ｈ ａ ｉｌ ｉｅｄｓｉ ｕ ｏ ｔ ｌ
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燃煤过程中氧含量对可吸入颗粒物形成及排放特性影响的研究
燃煤过程中氧含量对可吸入颗粒物形成及排放特性影响的研究
氧含量是燃煤过程中重要的影响因素，它有助于影响燃煤过程中的热转化和烟气排放特性，从而制约燃煤时可吸入颗粒物（PM）的形成和排放。
研究发现，氧进入燃煤过程作为气体可以通过颗粒物源，如空气、水中产生的可燃颗粒物气化、水蒸气在发电厂燃烧室内的燃烧、以及与燃料添加剂的化学变化，进入燃煤过程中，在燃烧来源和生产制造烟气组件的反应中，参与氧化反应以缩短燃烧时间、增加放热量以及缩小混合物颗粒物粒径；此外，氧还可以通过燃料壁板处理技术，增加再燃烧环节，减少灰渣及底部灰排放，燃烧时间也可以增量，氧含量变化越大，此种燃烧优化条件下硫和氮化物减少，PM排放也会更低。
调节氧含量可以改变燃煤过程中的热转化工艺特性和烟气的排放，从而改变PM的排放量。
实验研究表明，燃煤过程中的氧含量可以显著影响可吸入颗粒物的排放。
随着氧含量的增加，PM的排放量也会更低。
当氧含量达到12%左右时，可吸入颗粒物的排放量会显著减少，达到最低水平。
增加氧气还可以通过增加再燃烧技术来进一步降低PM排放量，因此再燃烧技术也是降低PM排放的有效方法。
实验结果表明，燃煤过程中的氧含量和PM形成及排放有密切关系，可以通过提高氧含量降低PM排放量，保证空气质量及煤炭利用率。
随着氧含量的增加，燃煤过程中的混合物颗粒物粒径会变小，燃烧的放热量会大大增加，混合物中的氮氧化物和硫氧化物会显著减少，硝氧化物累积会显著降低，从而减少可吸入颗粒物的形成及排放。
综上所述，可以得出结论，燃煤过程中的氧含量是气源、再燃烧、添加物和壁板处理技术等排放特性的最佳选择，它不仅有利于降低PM的排放量，而且可以显著提高终端机烟气的热效率，从而改善煤炭的利用率，保护空气质量。
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∞ ∞ ∞
高 可达 １４ ０℃． 粉通过 微量 给粉 器输 送 ， 低给 ５ 煤 最
第３ ５卷
第 ２期
煤 炭 转 化
Ｃ０ Ａ Ｌ Ｃ０ ＮＶ ＥＲＳ１ Ｎ ０
Ｖｏ１ ５ Ｎｏ． ．３ ２
Ａ ｐ ． ０１２ ｒ２
２１ ０ ２年 ４月
燃煤过程矿物质形态对亚微米颗粒释放的影响
汪 应 红 王群 英。 付 晓恒。 ’
摘 要 为研 究燃煤过 程 中亚微 米颗 粒 的 形成 机 理 ， 取 了三种 烟 煤 在 沉 降 炉 内燃 烧 ， Ｘ 选 用 射 线 荧光 光谱 和透射 电子 显微镜 能量 色散谱 仪联 用对煤 和 亚微 米 灰 中的 矿物 质 进 行分 析 ， 究 内 研
生 态和 游 离态的矿 物质 的转化 过程． 结果表 明， 与碳 结构 的结合 方式 决定 了矿物质 向亚微米 颗粒 的
转 化． 离态矿 物质很 少转化成 亚微 米灰颗 粒 ， 其组 成却 影响 着 Ｓ 和 Ａｌ 游 但 ｉ 的转化 ．
关 键 词 煤 燃 烧 ， 微 米 颗 粒 物 ， 物 质 形 态 亚 矿 中图分 类号 Ｔ ３ ， Ｑ５ ３ Ｑ５ ４ Ｔ ３
＊ 国家 自然 科 学 基 金 资 助项 目（０ ０ ０ ５ ． ５６６３） １ 士 生 ；）博 士 ；）教 授 、 ）博 ２ ３ 博士 生 导 师 ， 中国 矿 业 大 学 化学 与环 境 工 程 学 院 ，０ ０ ３ 北 京 １０８ 收 稿 Ｅ期 ：０ １１ —０修 回 １期 ：０ １１ ６ ｌ ２ １－０１ ； ３ ２ １ －卜１
ＰＭ 。
．
１ 实验 部 分
１ １ 实 验 装 置 ．
实验采 用沉 降炉 进行燃 烧 ， 降炉 结构 见 图 １ 沉 ．
Ｃ ａ ｏｌ
＋ ．ห้องสมุดไป่ตู้
［１ 无 机 物 的 气 化 主 要 由 反 应 温 度 决 ｓ３ ，３
定［ 并 受到 煤性 质和 炉 内燃 烧 情 况 的影 响 ． 在 １ ， 煤 燃烧初 期 的裂解 过程 中首先 释放 出有机 结构 连接 的
的研究 没有 考虑煤 中矿 物质 与碳结 构 的连接方 式 的
０ 引 言
由于煤 炭 的 大量 使 用 ， 煤灰 已经成 为 中国最 大 的单一 固体 废 物 排 放 源． 比起 粗 颗 粒 ， 些 直 径 为 那 １ ｍ 或更 小 的亚 微 米 颗 粒 （ 称 Ｐ ） 难 处 理 ， 简 Ｍ 更 因为它 们更 易逃过 普通 的除尘 设备 ．１￣ ［３ － 一旦 被 释放 到空气 中 ， 留时 间较 长且 易被 深 吸人 肺 中．４３ 停 ［５ ， 煤 燃 烧经 过两种 途径 产 生 Ｐ ， Ｍ 一种 是 通 过无 机 物 的
无机 物＿ 然 后 在 裂解 焦炭 的表 面气 化 ． 然有 大 １ ， 虽 量氧气 ， 还 是会 形 成 还 原 气 氛 ， 进 金 属 元 素 气 但 促
化． 阳因此 ， 属元 素 的气 化 受 到煤 裂解 过 程 、 口 金 还原
气 （ Ｃ 在焦 炭表 面 的分 压 和焦 炭 的 性质 等 因素 如 Ｏ）
气化， 主要发 生在 靠近火 焰 的区域 ， 那里 的温度 高于
所有挥 发 分 的 沸 点 ， 至 包 括 一 些 难 熔 的 硅 和 铁 甚 质［ ； ２ 另一种 是 煤 中 的一 些 亚 微 米 矿 物 质 的直 接 释放形 成 了直径 为 ０ １ｔ ． ｔ ｍ￣０ ２ｔ 的颗粒 ＿ ］一 ． ｍ ｔ ８ ， 般在焦 炭裂 解时 发 生 ， 主要 由一 些难 熔 的铝 矽 酸盐 组 成．８在温度 较低 的远焰 区 ， 属蒸 气或 是凝 结成 ［ 金 核或是 附着 到 已有 的颗 粒 上 ［ ， 应 地形 成两 类 ９ 相 Ｐ ： 于 ０ １ ｍ， 为 Ｐ ｌ 大 于 ０ Ｍ１ 小 ． 称 Ｍ。 ； ．１称 为
影响 ， 也没用 分析 不 同熔 点 矿 物 质元 素 的气 化 过程 的区别 和相 互之 间 的联 系． 实 验研 究 了三 种 烟煤 本
燃 烧释 放 Ｐ Ｍ 的情 况 ． 有 煤样 特性 较 为 接 近 ， 所 即
挥 发 分 、 定 碳 和 灰 分 差 别 不 大 ， 此 燃 烧 生 成 固 因 Ｐ 仅 受到煤 的矿 物性 质 影 响 ， 机 特 性 的影 响较 Ｍ 有 小 可 忽略． 先测定 了煤燃烧 释放 出 Ｐ 首 Ｍ 的元 素组 成及 特性 ， 然后通 过 分 别燃 烧 煤 的 不 同密 度 分 离 组 分研究 矿物 质 与煤 的连 接方 式 对 Ｐ Ｍ 颗 粒 生 成 的 影响 ； 最后根 据实 验 结果 研 究 不 同 形态 的矿 物元 素 转化 过程及 相互 作用 对生成 Ｐ Ｍ 的影 响．
Ⅲ Ｖ ｃ ｕ ｐ ｍｐ ａ ｕ ｍ ｕ
的影 响。 无机 物在 煤 中的化学形 态 也影 响其气 化． 一
些溶 于水 的 卤化 物和硫 酸盐 ， 能很 快气 化 ， 硅铝酸 但
盐或黄 铁矿 却难 以气化 ．１ 于一 些 难 熔 的硅 元 素 ［ 对 与铁元 素 ， 只有 氧 化 物 被 还 原 后 才 会 气 化 ．１ 以前 ＿ 。
个加 热器 ， 并通 过程 序控制 同时加热 到 目标 温度 ， 最
致Ｌ ， 括两种 典 型结 构 ： ８包 一种 颗 粒小 于 ０ １Ｕ 是 ． ｍ，
∞ ∞ 如 由直径在 ２ ｍ 左右 的颗粒 聚结 形成 的， ０ｎ 富含低熔 点
勰凝 的元素 ， 包括 Ｓ Ｐ 碱金属和少量 Ｆ ， ，， ｅ一般通过气化一 船
图 １ 沉 降炉 结 构
Ｆ ｇ １ Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｆ ｒ ｐ ｔ ｂ ｕ ｎ ｃ ｉ． ｃ ｅ ｔ ｏ ｏ ｕ ｅｆｒ ａ ｅ ｃ ｄ
沉降 炉的 主体是 一根 石英 管 ， 长度 约 ２０ ０ｍ， ０
煤
炭
转
化
Ａ Ｂ Ｃ
４ ３
内径 ５ ０ｍｍ． 热 炉分 为 三个 加 热 区 ， 别 配 有 一 加 分