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。其中亚微米颗粒物和超微米颗粒物的形成机理是不相同的。

　　亚微米颗粒物的形成是一个十分复杂的物理化学过程，在高温燃烧环境中， 煤中部分无机物 （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，无机蒸汽达到过饱和状态时，会通过均相成核形成许多细小微粒 （ < 0. 01μm） 。颗粒通过两种途径逐渐长大：一种途径是相互碰撞的微粒发生凝并，合而为一，体积为发生碰撞的颗粒体积之和，组成是各微粒组成的混合体；另一途径就是无机蒸汽在已经形成的灰粒表面发生非均相凝结，使颗粒体积增加。影响气化量的因素有：燃烧温度、氧气浓度和煤粉粒径。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. 36μm的团聚物，随锅炉烟气排入大气环境中。由此可见，无机矿物的气化和随之而来的凝结是亚微米颗粒形成中两个重要的过程。燃烧温度增高，氧气含量增大，煤粉颗粒变细，都会引起矿物质气化量的增大，从而亚微米颗粒物的大幅度增加[3]。

　　超微米颗粒是煤粉在热应力和内部多空结构中气泡的破裂下破碎形成的。主要包括燃烧过程中焦炭颗粒的破碎与外在矿物质的破碎。焦炭破碎是许多因素综合影响的结果，除了大孔结构，燃烧模式和煤种也是影响焦炭破碎的重要因素。煤中的外在矿物质在煤燃烧过程中由于煤颗粒产生的热应力而导致破碎，破碎产生的颗粒直径一般大于1μm ，外在矿物质的数量、尺度和种类决定了外在矿物质的破碎程度。超细颗粒物形成的影响因素很多，主要有：燃烧温度、氧气浓度、燃烧气氛、烟气中SO2 含量、煤粉粒度、添加剂、压力和煤种等[4]。焦炭破碎与其本身的孔隙结构密切相关。颗粒孔隙率越大，发生破碎的概率越大。实验研究发现，对破碎起决定作用的是颗粒中的大孔，大孔越多破碎越剧烈，生成飞灰颗粒粒径越小，飞灰中小粒径的灰粒含量也越高。

　　2.燃煤颗粒物的控制[4-5]

　　目前，中国燃煤电站使用的除尘设备一般为电除尘器和布袋式除尘器，两者除尘效率都能达到99%。相比较而言，袋式除尘去除亚微米颗粒的能力比电除尘器还要好，而且不受烟尘比电阻的影响，对于在0.01-1μm的气溶胶粒子有极高的捕集效率，常超过90%。但是欲达到更高的除尘效率，针对煤燃烧过程中产生的细颗粒有效控制问题，仍需要在一般采用在传统除尘器前设置预处理阶段，使亚微米颗粒物通过外力作用凝并成较大颗粒后去除的方法。目前在除尘器前促进颗粒物凝并的方法主要有： 声凝并、电凝并、磁凝并和化学凝并[4]。