H2O(g)對富氧燃燒超細(xì)顆粒物生成特性影響

雷 雨，牛艷青，王亨通，溫麗萍，王光耀，惠世恩

(西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

0 引 言

2019年我國煤炭能源消費(fèi)占比57.7%，原煤產(chǎn)量同比增加4%，達(dá)38.5億t，“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦決定了我國的能源結(jié)構(gòu)長期仍以煤炭為主[1]。煤炭燃燒會產(chǎn)生大量SOx、NOx和顆粒物[2-3]等，嚴(yán)重污染環(huán)境，對人類健康造成威脅[4]。相比成熟的脫硫脫硝技術(shù)，顆粒物尤其是超細(xì)顆粒物(空氣動力學(xué)粒徑<0.3 μm[5])的控制面臨很多困難[5-6]。超細(xì)顆粒物粒徑小、比表面積大的特性使其無法被傳統(tǒng)除塵設(shè)備有效捕集，且極易富集痕量重金屬元素[6-7]；超細(xì)顆粒物大量排放還會導(dǎo)致霧霾[8]。我國制定了嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定顆粒物排放質(zhì)量濃度需低于30 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)顆粒物排放質(zhì)量濃度低于20 mg/m3，超細(xì)顆粒物排放低于5 mg/m3(GB 3095—2012),使燃煤電廠在超細(xì)顆粒物排放控制方面面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[9-10]。

富氧燃燒因在碳捕集和儲存方面的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注，但其用CO2替換N2可能引入大量H2O(g)，影響煤焦燃燒特性[11-13]。超細(xì)顆粒物由煤中礦物質(zhì)通過蒸發(fā)-冷凝-成核-凝并機(jī)理形成，燃燒氣氛和燃燒溫度對其形成影響顯著[14]。水分會導(dǎo)致爐內(nèi)氣氛和燃燒溫度改變，進(jìn)而影響超細(xì)顆粒物的生成。一般來說，煤燃燒過程中的H2O(g)主要來自煤中的氫和水分，煤中水分一般不超過10%，但褐煤中的水分可能超過70%[15-16]。此外，煙氣再循環(huán)作為工業(yè)鍋爐常用的降低NOx的方法，也會增加爐內(nèi)H2O(g)量，部分新型燃燒技術(shù)中H2O(g)被用于調(diào)節(jié)火焰溫度以降低NOx和SOx排放[17]，因此富氧條件下H2O(g)對超細(xì)顆粒物生成特性的研究非常必要。文獻(xiàn)[18]研究表明，超細(xì)顆粒物形成初期對H2O(g)非常敏感，H2O(g)會促進(jìn)顆粒物的生成。Xu等[19]通過研究濕富氧氣氛下超細(xì)顆粒物生成和SiO2的氣化特性，證明了H2O(g)促進(jìn)SiO2的氣化和超細(xì)顆粒物的生成。文獻(xiàn)[20]研究表明，H2O(g)能促進(jìn)微粒的成核、團(tuán)聚和凝并，還能增加粒徑小于0.1 μm的超細(xì)顆粒物的排放量和平均粒徑。但目前H2O(g)在超細(xì)顆粒物形成過程中的影響機(jī)理尚不明確，仍需要進(jìn)一步研究。

本文模擬富氧氣氛(27% O2/73% CO2)，在1 800 K 高溫管式爐內(nèi)進(jìn)行黃陵煤焦燃燒試驗(yàn)，通過荷電低壓撞擊器收集0～10 μm顆粒物，并實(shí)時(shí)獲取顆粒物質(zhì)量/數(shù)量粒徑分布，研究H2O(g)體積分?jǐn)?shù)為0、5%、10%、20%、30%時(shí)超細(xì)PM的生成特性，以獲得H2O(g)濃度對超細(xì)顆粒物粒徑分布、不同粒徑超細(xì)顆粒物占比、超細(xì)顆粒物平均粒徑的影響，為進(jìn)一步研究超細(xì)顆粒物生成機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 燃料特性

本文選取黃陵煙煤為試驗(yàn)煤樣，其工業(yè)分析、元素分析及灰分組成見表1，煤中揮發(fā)分為30.34%，灰分為13.64%。

制備黃陵煤焦：選取75～120 μm黃陵煤顆粒在98% N2、2% O2富氧氣氛、熱解溫度1 200 K、停留時(shí)間1.5 s條件下熱解，并將熱解后收集的煤焦顆粒重新篩分至75～90 μm，在馬弗爐378 K干燥備用。

表1 黃陵煤工業(yè)分析、元素分析及灰組分分析[21]

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由給粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、H2O(g)發(fā)生系統(tǒng)、高溫管式爐、取樣系統(tǒng)和荷電低壓撞擊器(Dekati ELPI+)等組成，如圖1所示。煤粉顆粒經(jīng)CO2氣流攜帶由電動給粉機(jī)的儲粉試管通過水冷給樣探針?biāo)腿敫邷毓苁綘t內(nèi)恒溫區(qū)，給粉速率為100 mg/min，攜帶氣流量200 mL/min。高溫管式爐中心位置為內(nèi)徑52 mm、長900 mm的剛玉管，其周圍由硅鉬棒加熱，保證管式爐恒溫區(qū)長度不小于300 mm。試驗(yàn)過程中爐膛恒溫區(qū)溫度保持1 800 K，上、下水冷槍距離為100 mm。

圖1 高溫一維爐試驗(yàn)系統(tǒng)示意

爐內(nèi)煤焦燃燒產(chǎn)生的超細(xì)顆粒物經(jīng)過水冷取樣探針稀釋取樣和兩級稀釋器后，進(jìn)入包含14級撞擊器ELPI+(實(shí)時(shí)顯示超細(xì)顆粒物的質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度)。14級撞擊器上收集顆粒物對應(yīng)的中位徑分別為0.009 26、0.016 66、0.025 61、0.041 48、0.070 63、0.129 07、0.231 41、0.431 47、0.733 76、1.218 58、2.010 57、3.012 77、4.437 43和7.298 08 μm，ELPI+前7級收集到的顆粒物為超細(xì)顆粒物。水冷取樣探針出口到ELPI+入口沿程均設(shè)有伴熱裝置，防止顆粒物冷凝。煤焦燃燒所需H2O(g)由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)提供，去離子水通過蠕動泵(iPump 2L+YZ)定量送入蒸汽發(fā)生裝置，電阻絲爐加熱后產(chǎn)生的H2O(g)由CO2氣流攜帶送入爐膛，攜帶氣流量為150 mL/min。通過質(zhì)量流量計(jì)控制通入爐膛內(nèi)的O2和CO2量以模擬富氧燃燒氣氛，控制氣體總量為1.74 L/min，確保煤焦在爐內(nèi)停留時(shí)間為1.2 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 H2O(g)對超細(xì)顆粒物粒徑分布的影響

圖2 不同H2O(g)濃度下超細(xì)顆粒物質(zhì)量/數(shù)量濃度粒徑分布

圖2為5個(gè)水蒸氣濃度下煤焦燃燒產(chǎn)生粒徑小于1 μm顆粒物的質(zhì)量濃度粒徑分布和數(shù)量濃度粒徑分布。煤焦燃燒試驗(yàn)過程中，生成的超細(xì)顆粒物被ELPI+前7級撞擊器收集。5個(gè)H2O(g)濃度下超細(xì)顆粒物的質(zhì)量/數(shù)量濃度粒徑分布不是簡單的單峰分布，主峰峰值出現(xiàn)在0.2 μm附近，副峰峰值出現(xiàn)在0.01～0.10 μm。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)沉積在ELPI+第1級撞擊器表面的超細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度很低，但數(shù)量濃度最高；相反，沉積在ELPI+第7級撞擊器表面的超細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度最高，但是數(shù)量濃度相對較低。

圖3為ELPI第1級、第7級撞擊器(峰值處)收集的超細(xì)顆粒物在超細(xì)顆粒物總數(shù)量和中質(zhì)量中的占比。第1級撞擊器收集到的超細(xì)顆粒物對超細(xì)顆粒物總數(shù)量貢獻(xiàn)最大，5個(gè)H2O(g)濃度下均超過65%；第7級撞擊器收集到的超細(xì)顆粒物對超細(xì)顆粒物總質(zhì)量貢獻(xiàn)最大，5個(gè)H2O(g)濃度下均超過94%，說明超細(xì)顆粒物總數(shù)量由小粒徑超細(xì)顆粒物數(shù)量決定，超細(xì)顆粒物總質(zhì)量由大粒徑超細(xì)顆粒物質(zhì)量決定。隨著H2O(g)體積分?jǐn)?shù)增加，第1級撞擊器上超細(xì)顆粒物的數(shù)量占比和第7級撞擊器上超細(xì)顆粒物的質(zhì)量占比均呈先減后增的趨勢，并在5% H2O(g)下達(dá)到最小值，說明H2O(g)的加入影響不同粒徑超細(xì)顆粒物的生成。

2.2 H2O(g)對超細(xì)顆粒物生成率的影響

H2O(g)不僅導(dǎo)致不同粒徑超細(xì)顆粒物生成占比發(fā)生變化，還會影響超細(xì)顆粒物生成量和生成效率。圖4為不同H2O(g)濃度下超細(xì)顆粒物及粒徑小于1 μm的顆粒物生成總量。圖4(a)中煤焦燃燒生成的超細(xì)顆粒物總數(shù)量濃度與粒徑小于1 μm的顆粒物總數(shù)量濃度幾乎相同，這與2.1節(jié)顆粒物總數(shù)量由小粒徑顆粒顆粒物決定的結(jié)論一致。圖4(b)中超細(xì)顆粒物總質(zhì)量與粒徑小于1 μm顆粒物總質(zhì)量有明顯差距，因?yàn)榇罅筋w粒對顆粒物質(zhì)量貢獻(xiàn)更大。隨著H2O(g)濃度增加，超細(xì)顆粒物的總數(shù)量濃度和總質(zhì)量濃度均呈先減后增的趨勢，并在5% H2O(g)時(shí)達(dá)到最小值。

圖4 H2O(g)對超細(xì)顆粒物及粒徑小于1 μm的顆粒物生成量的影響

造成該變化的主要原因是H2O(g)加入導(dǎo)致煤焦顆粒燃燒溫度降低而對超細(xì)顆粒物生成產(chǎn)生的抑制作用，與H2O(g)與煤焦反應(yīng)時(shí)在煤焦顆粒周圍形成的還原性氣氛對超細(xì)顆粒物生成的促進(jìn)作用，相互競爭[22]。在低H2O(g)濃度時(shí)，溫度降低對超細(xì)顆粒物生成的抑制作用大于還原性氣氛對超細(xì)顆粒物生成的促進(jìn)作用，且兩者之間在5% H2O(g)濃度時(shí)差距最大；高H2O(g)濃度時(shí)，由于氣化反應(yīng)加劇，還原性氣氛對超細(xì)顆粒物生成的促進(jìn)作用大于水分加入煤焦顆粒燃燒溫度降低對超細(xì)顆粒物生成產(chǎn)生的抑制作用，整體表現(xiàn)出促進(jìn)超細(xì)顆粒物生成。

2.3 H2O(g)對單個(gè)超細(xì)顆粒物粒徑的影響

不同H2O(g)濃度下超細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度的變化不同步，說明不同H2O(g)濃度下單個(gè)超細(xì)顆粒物質(zhì)量發(fā)生變化，可通過超細(xì)顆粒物總質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度的比值確定單個(gè)超細(xì)顆粒平均質(zhì)量。假設(shè)所有顆粒物的密度一致，不同H2O(g)濃度下超細(xì)顆粒物粒徑發(fā)生變化，超細(xì)顆粒物粒徑相對值可通過單個(gè)超細(xì)顆粒質(zhì)量計(jì)算。圖5(a)為超細(xì)顆粒物平均質(zhì)量隨H2O(g)濃度變化曲線，隨著H2O(g)濃度提高，單個(gè)超細(xì)顆粒物質(zhì)量先增大后減小再增大，0～5% H2O(g)下超細(xì)顆粒物平均質(zhì)量增加最快，5%～10%時(shí)超細(xì)顆粒物平均質(zhì)量輕微下降，10%～30%時(shí)超細(xì)顆粒物平均質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定上升。

圖5 超細(xì)顆粒物及粒徑小于1 μm的顆粒物平均質(zhì)量及相對粒徑

與無 H2O(g)時(shí)相比，5% H2O(g)下超細(xì)顆粒物平均粒徑增加約7%，30% H2O(g)時(shí)單個(gè)超細(xì)顆粒物平均粒徑增加約13%。粒徑小于1 μm的顆粒物平均質(zhì)量先增大后減小，在5% H2O(g)時(shí)最大，5% H2O(g)下單個(gè)粒徑小于1 μm的顆粒物平均粒徑增加約14%。有H2O(g)參與時(shí)，超細(xì)顆粒物平均粒徑均大于無H2O(g)時(shí)。H2O(g)的加入增加了水分子和顆粒物之間的撞擊，促進(jìn)了煤中礦物質(zhì)蒸發(fā)成核和顆粒物的凝并[20,23]。同時(shí)，超細(xì)顆粒物平均粒徑的增大使部分大粒徑超細(xì)顆粒物粒徑進(jìn)一步增大，超出超細(xì)顆粒物粒徑上限，導(dǎo)致超細(xì)顆粒物生成數(shù)量減少，這可能是導(dǎo)致5% H2O(g)時(shí)超細(xì)顆粒物生成數(shù)量和質(zhì)量減少的一個(gè)原因。

3 結(jié) 論

1)H2O(g)加入對超細(xì)顆粒物的質(zhì)量/數(shù)量粒徑分布影響不大，但會導(dǎo)致超細(xì)顆粒物峰值大小波動。超細(xì)顆粒物生成的數(shù)量由最小粒徑超細(xì)顆粒物決定，第1級超細(xì)顆粒物占超細(xì)顆粒物總數(shù)量超過65%；超細(xì)顆粒物生成的質(zhì)量由最大粒徑超細(xì)顆粒物決定，第7級超細(xì)顆粒物占超細(xì)顆粒物總質(zhì)量超94%。

2)H2O(g)的加入導(dǎo)致煤焦顆粒燃燒溫度降低，抑制超細(xì)顆粒物的生成，H2O(g)與煤焦顆粒發(fā)生氣化反應(yīng)生成的還原性氣氛會促進(jìn)超細(xì)顆粒物的生成，兩者之間的競爭作用導(dǎo)致低H2O(g)濃度抑制超細(xì)顆粒物生成，高水蒸氣濃度促進(jìn)超細(xì)顆粒物生成。

3)H2O(g)的加入會促進(jìn)超細(xì)顆粒物平均粒徑增大，且在5% H2O(g)前，超細(xì)顆粒物平均粒徑增加最快，在5% H2O(g)時(shí)超細(xì)顆粒物平均粒徑增加了7%。