李文举1 原方方2 周建强1 杨宏民1 侯俊凤1

1.郑州电力高等专科学校动力工程系 河南郑州 450000

2.郑州铁路职业技术学院运输管理系 河南郑州 450000

摘要:本文分析了燃煤电站亚微米颗粒物的形成过程，煤中矿物质气化-凝结是燃煤电站亚微米颗粒物形成的主要过程；探讨了目前燃煤电站的主要除尘技术即布袋除尘和静电除尘；最后分析了经过化学团聚改造后的除尘器对除去亚微米颗粒物的有效性和科学性。

关键词:煤燃烧 亚微米颗粒物 机理分析 化学团聚

0引言

目前煤炭占我国一次能源消费的70%左右，我国是煤炭生产和消费大国；根据预测，到2015年，煤炭还要占62.6%，即使到2050年，煤炭仍占50%以上[1]。美国环保协会指出：燃烧装置中排放的大气污染物中最为重要的是:有害的有机成分、硫化物、氮氧化物、未燃尽可燃物以及重金属，其中尤以亚微米级颗粒物形式存在的悬浮颗粒物（PM2.5）以及富集在上面的重金属具有最大的威胁性。

目前电厂都设有除尘装置，且除尘效率达到99%以上，但是对脱除亚微米颗粒物效果较差，面对环境的恶化，必须找到有效脱除亚微米颗粒物的方法，电厂化学团聚系统利用电厂除尘装置针对亚微米颗粒物脱除效率差，对较大颗粒物脱除效果好的特点，在电厂尾部烟道喷入团聚溶液，灰中亚微米颗粒物与团聚溶液中的团聚剂产生物理化学作用，使亚微米颗粒物聚集成大颗粒，以使能被除尘器脱除，从而减少电厂颗粒物的排放和对环境的危害。

1燃煤电站颗粒物产生的机理分析

随着环境的恶化，研究者对燃煤电站颗粒物的形成进行了深入的研究，研究认为在煤粉燃烧过程中生成颗粒物主要有以下途径：

（1）煤中无机物在高温下的气化--凝结；

（2）焦炭颗粒破碎；

（3）内在矿物聚结和凝聚；

（4）外在矿物颗粒的破碎；

粗颗粒形成的主要途径是内在矿物聚结和凝聚、焦炭颗粒的破碎，外在矿物颗粒的破碎；而气化-凝结是亚微米颗粒物形成的主要途径。

锅炉炉膛煤粉燃烧生成亚微米颗粒的过程是一个非常复杂的转化过程。煤颗粒中矿物质在锅炉炉膛燃烧区气化后，在煤颗粒周围随着温度降低通过均相成核形成0.01-0.03um的一次颗粒物，这些颗粒随着烟气一起运动，随着温度进一步降低和停留时间增长，这些一次颗粒物通过凝结、凝并等过程长大成0.03-0.30的亚微米颗粒物[2、3]。燃煤矿物质的气化主要是来源于煤中的矿物质或者煤中金属氧化物；其中难熔性氧化物-SiO2是煤中的主要矿物质，难熔性氧化物-SiO2对形成亚微米颗粒物贡献很大。Osann和Schneider等[4、5、6]研究表明，SiO2是以挥发性更高的次氧化物SiO的形式形式气化。Quann和sarofim等[7、8]认为由于煤燃烧中局部还原性气氛的存在，当温度高于1600K时，煤中一部分难熔性氧化物，如SiO2等，会通过化学反应生成易挥发的次氧化物SiO，这些蒸气通过煤中孔隙向外扩散，在煤粒周围通过凝结形成亚微米颗粒。

麻省理工学院的Quann博士在此方面做了一些列的研究如图1，认为气化-凝结机理是亚微米颗粒物形成的主要途径。

 

图1燃煤亚微米颗粒物的形成过程

煤粉燃烧过程中无机元素的蒸发对亚微米颗粒物的形成过程有直接的影响。影响煤中矿物质气化的因素有元素的赋存状态、元素的物理特性、氧气浓度、燃烧氛围和燃烧温度等。在煤粉燃烧过程中这些因素都会交叉在一起对矿物质的气化起到影响，所以使得煤中矿物质的气化及其影响因素十分复杂，还有很多值得进一步研究的地方。

2目前燃煤电站除尘的主要技术

静电除尘和布袋除尘是目前燃煤电站的主要除尘技术，两种除尘技术各有优劣，特别是我们国家2011年发布的《火电厂污染物排放标准》（GB13223-2011）规定了新型火电项目烟尘排放浓度应控制在30mg/m3以下，这使得很多电厂无法满足排放要求。

静电除尘器能够处理大规模燃煤电站烟气，耐高温同时使用寿命长，维护方便，但是静电除尘器对于捕获0.1-1um粒径区域内的颗粒物效果不佳，而目前燃煤电站颗粒物的去除的难度就在于0.1-1um粒径区域内，且该部分颗粒物危害也相对较大。

袋式除尘器是用纤维物制作的布袋来捕捉烟气中的颗粒物，其除尘效率高，对细粉尘的捕捉效果优于静电除尘器；但是布袋除尘器运行阻力大，布袋寿命有限，需要更换布袋，且不能承受高温烟气。

3燃煤电站化学团聚除尘分析及展望

目前对于燃煤亚微米颗粒物的控制排放及脱除新技术有大量的研究工作，主要有利用高强度的声波促使在气体介质中的细微颗粒之间发生相对运动碰撞及其他作用从而结合到一起的声团聚；有利用颗粒物中的铁磁性物质在外加磁场的作用下，相互吸附而长大成为大颗粒的磁场团聚以及热团聚、湍流团聚等。但是这些技术对细微颗粒物的脱除效果一般，且对现有电厂进行改造，难度较大。

化学团聚主要采用吸附剂捕获亚微米颗粒物，吸附作用有物理吸附和化学吸附。根据化学团聚剂加入位置的不同，可分为燃烧中化学团聚和燃烧后化学团聚。燃烧中化学团聚主要是指在燃烧室中喷入气相吸附剂或是在煤中加入固相吸附剂进行燃烧，通过团聚气化状态的亚微米颗粒物以防止其形成亚微米颗粒物基核,或者通过形成复杂化合物团聚亚微米颗粒物，并有效防止某些金属物质气化，进而控制在燃烧室出口处形成细颗粒物的基核。

化学团聚机理对于控制由煤炭燃烧产生的亚微米颗粒物，实现燃煤烟气的进一步净化具有很好的效果，同时如果能够开发出协同脱除烟气中重金属、NOx等污染物的团聚剂，将具有十分重大的意义。

4总结

本文对燃煤电站颗粒物产生机理和团聚除尘技术研究进行了分析，得出以下结论：

（1）在煤粉燃烧过程中，使得焦炭颗粒内部呈现局部还原性气氛和高温气氛，煤中矿物质中的易挥发成分先蒸发气化，然后是难熔性的矿物质气化，气化的这些物质通过焦炭空隙往外扩散，并且凝结形成微颗粒；微颗粒通过凝结和凝并进一步的长大生成亚微米颗粒。

（2）化学团聚机理对于控制由煤炭燃烧产生的亚微米颗粒物，实现燃煤烟气的进一步净化具有很好的效果，也有着对煤炭燃烧产生的烟气中气体和颗粒污染物协同脱除的潜力，且对现有除尘器的运行参数影响不大，对于整个烟气处理系统的影响也很小。

参考文献

[1]岑可法.洁净煤燃烧发电技术报告.杭州：中国煤炭学会第二次洁净煤技术研讨会，2001

[2]Senior C L,Panagiotou T,Adel Fsarofim et al.Formation of ultra-fine particulate matter from pulverized coal combustion[j].American Chemical Society,2000,45(1):1-6

作者简介：李文举，男，1987年1月，硕士研究生，助教，主要从事燃煤电站颗粒物的脱除工作。