流化床條件下城市污泥和煙煤煤泥混燒對(duì)顆粒物排放特性的影響

張 柳，賈 里，王彥霖，王碧茹，張佳棟，金 燕，向 軍

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

污水處理過程會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物—污泥，并且隨著城市化的逐步發(fā)展，城市污泥的排放量逐年上升；煙煤的洗選過程會(huì)產(chǎn)生大量的煤泥，并且隨著潔凈煤標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，其排放量同樣逐年上升。因此，近年來，處理污泥、煤泥成為新興的環(huán)保任務(wù)。相比于填埋法、堆肥法，焚燒法是一種較理想的處理方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)資源清潔有效利用以及穩(wěn)定減量，還對(duì)構(gòu)建新型能源思路有一定的啟示。此外，絕大多數(shù)城市污泥都含有較高的揮發(fā)分與灰分，且煙煤煤泥也都含有較高的灰分以及一定含量的固定碳，且污泥的高揮發(fā)分會(huì)降低混燃的著火溫度以促進(jìn)燃燒，煤泥中的固定碳有助于燃燒后期的穩(wěn)定燃燒，2者混燃可以保證燃燒的穩(wěn)定性、持久性。因此，污泥/煤泥混燃技術(shù)將在其大規(guī)模減量化處理中占據(jù)重要地位。

由化石燃料特別是煤炭燃燒排放的顆粒物引起的環(huán)境污染及公共衛(wèi)生問題，已引起廣泛關(guān)注。城市污泥與煙煤煤泥相較于煤炭屬于高灰分、低熱值燃料。研究表明，高灰分燃料在燃燒過程中較低灰分燃料會(huì)產(chǎn)生更多的顆粒物。一般認(rèn)為，生物質(zhì)與煤混燃形成的顆粒物尤其是可吸入顆粒物PM與燃料特性、燃燒條件或操作參數(shù)等密切關(guān)聯(lián)。例如礦物質(zhì)的形態(tài)特性、溫度、混合燃料中揮發(fā)分、燃燒氣氛中氧含量及空氣過量系數(shù)的變化，可對(duì)混燃PM排放的粒徑分布、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、排放量等特性產(chǎn)生影響。呂建和李定凱研究表明，燃煤電廠的燃煤粒徑組成、燃燒條件等對(duì)燃煤過程中顆粒物的生成有著十分重要的影響。曾憲鵬等研究表明，生物質(zhì)與煤燃燒產(chǎn)生的顆粒物粒徑分布與元素組成均有較大差異，且不同質(zhì)量比也會(huì)影響其顆粒物釋放特性。并且相關(guān)研究表明，PM含有相當(dāng)數(shù)量的K，Mg，S，Cl，P，Al，Ba，Cu，Sr等元素，同時(shí)包含微量重金屬元素。綜上，燃料性質(zhì)的差異性會(huì)導(dǎo)致其燃燒生成顆粒物粒徑分布與組成元素的差異性，而煙氣顆粒物的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)通常為相應(yīng)除塵器的設(shè)計(jì)依據(jù)與選擇依據(jù)，故污泥/煤泥在實(shí)際應(yīng)用中其排放煙氣顆粒物的相關(guān)性質(zhì)對(duì)相應(yīng)除塵器的設(shè)計(jì)與選擇具有一定影響。目前關(guān)于污泥/煤泥混燃過程中顆粒物的釋放特性鮮有研究?；诖耍P者在流化床中研究了城市污泥與煙煤煤泥單獨(dú)燃燒及混燒過程中顆粒物的釋放特性，重點(diǎn)研究了燃料特性、燃燒溫度、質(zhì)量比對(duì)顆粒物粒徑分布以及PM/PM生成規(guī)律的影響，并且討論了在混燒過程中2種燃料的交互作用，為污泥/煤泥清潔有效利用提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 污泥與煤泥樣品分析

選擇了一種典型的城市污泥——某污水處理廠經(jīng)三級(jí)處理后的活性SS(SS，Sewage Sludge)和一種煙煤煤泥——某選煤廠經(jīng)浮選法產(chǎn)生的CWT(CWT，Coal Washery Tailing)作為實(shí)驗(yàn)樣品，SS與CWT需要進(jìn)行干燥處理至恒重。為減少樣品粒徑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，將2種樣品破碎振篩后得到150～300 μm的樣品。依據(jù)GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》對(duì)SS和CWT進(jìn)行工業(yè)分析，利用元素分析儀對(duì)樣品的元素種類及含量進(jìn)行測定，見表1；利用E3型X射線熒光光譜儀(XRF)對(duì)樣品的無機(jī)組分進(jìn)行分析，見表2?？梢缘玫剑琒S中的金屬氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯大于CWT，其中CWT中的SiO和AlO質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯大于SS，而SS中的FeO，S和Cl以及部分堿金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯大于CWT。

表1 燃料工業(yè)分析與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of fuel %

表2 燃料無機(jī)礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mass fraction of inorganic mineral fraction of fuel %

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。燃燒實(shí)驗(yàn)在小型流化床中進(jìn)行，利用分別儲(chǔ)存有N和O的氣瓶對(duì)燃燒氣氛進(jìn)行調(diào)節(jié)。管式爐由電阻加熱爐和內(nèi)置石英管反應(yīng)器組成，內(nèi)層為有效長度1 000 mm的剛玉管分為下部煙氣預(yù)熱段和上部的恒溫反應(yīng)段2部分，總功率為6 W；石英管反應(yīng)器全長1 600 mm，規(guī)格為54 mm×3 mm，中間合適部位打有篩板，開孔率1.7%。實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次給粉量為10 g，實(shí)驗(yàn)溫度為600～1 000 ℃，通入空氣流量為10 L/min。采用HJ 618—011《環(huán)境空氣PM和PM的測定重量法》收集燃燒后產(chǎn)生的顆粒物。經(jīng)計(jì)算，200～300 μm的樣品顆粒在爐內(nèi)燃燒可以滿足流化態(tài)條件的要求。燃燒后產(chǎn)生的顆粒物經(jīng)過冷凝至500 ℃進(jìn)入顆粒物采樣槍，被其中的玻璃纖維濾筒所收集，采樣時(shí)間固定為20～30 min。

1—N2氣瓶；2—O2氣瓶；3—質(zhì)量流量計(jì)；4—石英反應(yīng)內(nèi)管；5—流化床加熱爐；6—溫控儀； 7—顆粒物采樣槍；8—過濾器；9—流量控制箱(泵)；10—冷卻水進(jìn)出口圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.3 研究方法

利用BT-9300HT激光粒度分析儀對(duì)不同燃燒條件下濾筒中收集的顆粒物進(jìn)行粒度分析，可以得到SS/CWT燃燒產(chǎn)生顆粒物的粒徑分布，進(jìn)一步得到燃燒產(chǎn)生的PM/PM體積分?jǐn)?shù)，從而可以分析不同燃燒條件下PM/PM排放情況；利用X射線熒光光譜儀(XRF)分別檢測燃燒產(chǎn)物中PM/PM的元素組成，進(jìn)一步研究其顆粒物形成機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 SS/CWT單獨(dú)燃燒顆粒物的生成特性

分別在不同溫度下(600～1 000 ℃)收集SS/CWT燃燒生成的顆粒物樣品，得到SS/CWT燃燒產(chǎn)生顆粒物的粒度分布，如圖2所示。燃燒生成的顆粒物樣品粒徑分布大致表現(xiàn)出雙峰型的變化特征，且峰值位置分別在1 μm左右與10 μm左右，分別為細(xì)模態(tài)顆粒物與粗模態(tài)顆粒物。隋建才研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物粒徑分布呈雙峰形式分布是顆粒物形成機(jī)理的差異性所造成的，其中細(xì)模態(tài)顆粒物的形成機(jī)理是無機(jī)物及其礦物質(zhì)的氣化-凝結(jié)與細(xì)小燃料顆粒的直接轉(zhuǎn)化，而粗模態(tài)顆粒物的形成機(jī)理是由燃燒過程中的焦炭顆粒與礦物顆粒的破碎—碰撞—熔融—聚合所形成。整體來看，2種燃料中粗模態(tài)顆粒物對(duì)應(yīng)的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)模態(tài)顆粒物對(duì)應(yīng)的峰值，粗模態(tài)顆粒物在顆粒物整體中占比較大，表明絕大多數(shù)顆粒物是經(jīng)過破碎—碰撞—熔融—聚合所形成的，達(dá)到70%～80%。800 ℃為臨界溫度，燃燒溫度在800 ℃以下時(shí)，SS燃燒生成的粗模態(tài)顆粒物對(duì)應(yīng)的峰值較CWT左移且SS燃燒生成的細(xì)模態(tài)顆粒物體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的峰值幾乎不表現(xiàn)，原因如下：一方面SS中揮發(fā)分較高，約為CWT的4倍，其中大部分揮發(fā)分被難熔礦物質(zhì)和焦炭包裹，溫度升高時(shí)揮發(fā)分在顆粒內(nèi)部氣化逐漸積聚而產(chǎn)生較高的壓力導(dǎo)致顆粒物內(nèi)外壓力不均勻，促進(jìn)難熔礦物質(zhì)和焦炭顆粒的碰撞—破碎過程從而導(dǎo)致生成顆粒物粒徑較CWT小，另一方面雖然SS較CWT含有大量的易氣化礦物質(zhì)元素如P,Cl,S等，但由于在燃燒初期SS的不完全燃燒會(huì)致使大量的自由基在較短時(shí)間內(nèi)聚合形成焦油，對(duì)細(xì)模態(tài)顆粒物有較強(qiáng)的捕捉和吸附能力會(huì)導(dǎo)致在末端收集的細(xì)模態(tài)顆粒物含量急劇減少。燃燒溫度大于800 ℃時(shí)，SS燃燒產(chǎn)生的細(xì)模態(tài)顆粒物表現(xiàn)出明顯的峰值，這是由于：一方面SS中的焦油能夠完全燃燒，顆粒物的形成不再受焦油的吸附與捕捉作用；另一方面，SS顆粒在此溫度區(qū)間能夠完全燃燒致使顆粒內(nèi)部中易氣化元素更容易在高溫高壓條件下達(dá)到過飽和壓力，促進(jìn)其發(fā)生均相成核和異相凝結(jié)過程而產(chǎn)生較多的細(xì)模態(tài)顆粒物，此時(shí)，SS燃燒生成的粗模態(tài)顆粒物粒徑較CWT偏大是由于SS中大量的堿金屬元素熔融聚合導(dǎo)致的。

圖2 SS/CWT不同溫度下顆粒物的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution during the burning process of SS/CWT at different temperatures

圖3為SS/CWT燃燒產(chǎn)生PM/PM體積分?jǐn)?shù)排放量分布，可以看出，燃燒溫度在800 ℃以下時(shí)SS燃燒產(chǎn)生的PM較CWT少，800 ℃以上反之，這與上文提到的易氣化元素的產(chǎn)生與排放機(jī)理類似。CWT燃燒產(chǎn)生的PM較SS多，如圖3(b)所示，且隨著燃燒溫度的逐漸升高，尤其燃燒溫度在800 ℃以上時(shí)，CWT的PM的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于SS,是由于CWT較SS中含有更多灰分和更少堿金屬元素導(dǎo)致的。

圖3 SS/CWT燃燒產(chǎn)生的PM2.5/PM10排放特性Fig.3 Emissions characteristics of PM2.5/PM10 from burning process of SS/CWT

圖4為SS/CWT不同燃燒溫度下燃燒生成的顆粒物粒徑分布。整體來看，2種燃料的粒徑分布都為雙峰式特征分布，對(duì)于第2個(gè)峰值，SS的峰值范圍較CWT分布更窄，這是由于SS中堿金屬K，Mg等含量較CWT高導(dǎo)致燃燒生成的細(xì)小顆粒物被團(tuán)聚而使其粒徑分布較為集中。隨著溫度逐漸升高，SS/CWT燃燒生成顆粒物的第2個(gè)峰均呈現(xiàn)出向粒徑較小方向的移動(dòng)，且燃燒溫度在800 ℃以上此現(xiàn)象更為明顯，這是由于燃燒溫度將會(huì)加劇燃燒劇烈程度而使原來粒徑較大的顆粒物易破碎、碰撞而使其顆粒物粒徑整體減小，雖然熔融的堿金屬會(huì)將部分粒徑較小的顆粒物團(tuán)聚，但由此推測，對(duì)于SS/CWT單獨(dú)燃燒過程中，溫度對(duì)顆粒物粒徑影響程度較堿金屬的影響程度大。

圖4 SS/CWT不同燃燒溫度下顆粒物的粒徑分布Fig.4 Size distribution of particulate during the burning process of SS/CWT at different combustion temperatures

為了更深入地分析SS/CWT燃燒中排放的PM/PM形成機(jī)理，筆者利用X射線熒光光譜儀(XRF)分別檢測這2種燃料在800 ℃燃燒后PM/PM中的元素組成，并且按照元素?fù)]發(fā)性強(qiáng)弱將其分為以下4類，結(jié)果如圖5所示，可見SS/CWT燃燒后的顆粒物主要元素為K，Mg，S，Cl，P，Si，Ca，Al和Fe等。從圖5(a)可以得到，PM中，易氣化元素K，Mg，S，Cl和P等占絕大部分，占總質(zhì)量的50%～60%；從圖5(b)可以得到，PM中，Si，Al，F(xiàn)e和Ca等難熔性元素占絕大部分，占其總質(zhì)量的60%～80%，元素組成的差異性與不同粒徑下顆粒物的形成機(jī)理的差異性密切相關(guān)。細(xì)模態(tài)顆粒物中大部分堿金屬都是以氯酸鹽和硫酸鹽形態(tài)存在的，而SS中堿金屬元素、S、Cl、P以及有機(jī)物含量遠(yuǎn)大于CWT，故SS產(chǎn)生的細(xì)模態(tài)顆粒物中堿金屬元素以有機(jī)態(tài)、鹽類和氧化物形式存在，其中鹽類多為氯酸鹽與硫酸鹽等包括KCl，KPO，KSO等，在高溫下以上物質(zhì)最終經(jīng)過均相團(tuán)聚凝結(jié)形成細(xì)模態(tài)顆粒物。除此之外，在燃料顆粒內(nèi)部以有機(jī)態(tài)或者離子態(tài)形式的Si，Al，F(xiàn)e，Ca等元素在高溫高壓和還原性氣氛下會(huì)部分揮發(fā)而形成粒徑小于2.5 μm的顆粒物；PM多由難熔性元素Si，Al，F(xiàn)e，Ca等和焦炭顆粒在反應(yīng)爐內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)、碰撞、破碎形成的，而CWT較SS含有大量的固定碳和灰分使得其PM中元素Si，Al，F(xiàn)e，Ca和其他占比較高，達(dá)到80%以上。此外，PM中仍有少量的易氣化元素殘余是由于燃料不完全燃燒產(chǎn)生的有機(jī)顆粒與焦炭顆粒表面往往會(huì)吸附一定量的K，Mg，S，Cl，P蒸汽，具體的反應(yīng)機(jī)理見2.2節(jié)的分析過程。

圖5 SS/CWT燃燒顆粒物中元素占比Fig.5 Percentage of elementsof PM during the burning process of SS/CWT

2.2 SS/CWT混燒對(duì)顆粒物生成特性的影響

將SS/CWT分別以不同質(zhì)量比放入反應(yīng)爐中，800 ℃、空氣氣氛下燃燒并收集燃燒后的顆粒物，圖6為SS與CWT不同質(zhì)量比條件下燃燒后顆粒物的粒徑分布情況?？梢缘玫剑篠S和CWT質(zhì)量比為1∶9和單獨(dú)燃燒CWT樣品時(shí)，其燃燒排放顆粒物的體積分?jǐn)?shù)呈雙峰形式的變化特征，而隨著SS質(zhì)量的逐漸增加，細(xì)模態(tài)顆粒物對(duì)應(yīng)的峰值逐漸降低，這是由于部分SS的不完全燃燒導(dǎo)致焦油等高分子油類物質(zhì)產(chǎn)生，進(jìn)而容易捕捉氣化產(chǎn)生的無機(jī)礦物質(zhì)，SS中大量的堿金屬物質(zhì)在高溫下熔融團(tuán)聚也會(huì)對(duì)氣化的無機(jī)礦物質(zhì)有一定吸附和捕集作用導(dǎo)致其體積分?jǐn)?shù)在出口時(shí)急劇減小。粗模態(tài)顆粒物對(duì)應(yīng)的峰值大致呈現(xiàn)升高且向左移動(dòng)的趨勢，這是由于SS中揮發(fā)分與堿金屬含量明顯高于CWT，其中揮發(fā)分的大量析出和燃燒會(huì)導(dǎo)致燃燒顆粒內(nèi)部碳骨架強(qiáng)度減弱，從而使粗模態(tài)顆粒物的粒徑對(duì)應(yīng)峰值左移，而堿金屬物質(zhì)在高溫下的熔融團(tuán)聚作用會(huì)使粗模態(tài)顆粒物的粒徑對(duì)應(yīng)峰值右移，考慮到燃料中堿金屬物質(zhì)含量有限，因此燃燒劇烈因素對(duì)粗模態(tài)顆粒物粒徑分布的影響程度大于堿金屬物質(zhì)對(duì)其的影響程度，且部分堿金屬硅酸鹽等在高溫下熔融團(tuán)聚包裹在燃料顆粒表面將會(huì)抑制燃料顆粒的進(jìn)一步燃燒。除此之外，從圖6中還可以觀察到一定質(zhì)量比條件的SS與CWT較2種燃料單獨(dú)燃燒時(shí)粗模態(tài)顆粒物峰值左移的現(xiàn)象，這是由于CWT中的高固定碳在燃燒過程中一方面焦炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)易被污泥中的堿金屬蒸汽催化，同時(shí)焦炭的物理結(jié)構(gòu)會(huì)受到其內(nèi)部揮發(fā)分?jǐn)U散時(shí)的膨脹和沖擊作用，2種作用加強(qiáng)了其破碎程度，從而形成較多粒徑較小的顆粒物；另一方面，焦炭破碎程度越高，其內(nèi)部礦物顆粒破碎程度加劇，同時(shí)其表面的礦物灰粒越難熔融聚合，從而抑制其顆粒粒徑的增長過程。這也證明了其余摻燒條件下由于SS質(zhì)量的不足導(dǎo)致其粗模態(tài)顆粒物峰值偏大。

圖6 不同質(zhì)量比對(duì)應(yīng)顆粒物粒徑分布Fig.6 Particle size distribution diagram of different quality ratios in the combustion process

不同質(zhì)量比對(duì)應(yīng)的PM與PM的體積分?jǐn)?shù)分布與粗細(xì)模態(tài)顆粒物體積分?jǐn)?shù)分布趨勢大致趨勢相同，如圖7所示，其中PM的體積分?jǐn)?shù)隨著質(zhì)量比的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，PM的體積分?jǐn)?shù)隨著質(zhì)量比的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，整體來看，SS/CWT質(zhì)量比為9∶1時(shí)與SS單獨(dú)燃燒排放的PM/PM較其余質(zhì)量比燃燒排放的PM/PM大幅減少；而CWT單獨(dú)燃燒較其余質(zhì)量條件排放的PM/PM大幅增加。其中，PM的排放趨勢主要是由殘留焦油的吸附作用、熔融堿金屬的捕捉作用與易氣化元素含量升高對(duì)細(xì)小顆粒物生成的促進(jìn)作用3種作用競爭影響的結(jié)果；PM的排放趨勢主要是由熔融堿金屬對(duì)細(xì)小顆粒物的團(tuán)聚作用與揮發(fā)分高導(dǎo)致燃燒劇烈強(qiáng)度的增高對(duì)粗模態(tài)顆粒物生成的促進(jìn)作用這2種作用競爭影響的結(jié)果。

圖7 不同質(zhì)量比對(duì)應(yīng)的PM2.5/PM10排放特性Fig.7 PM2.5/PM10 emission characteristics of different quality ratio in the combustion process

為了更加直觀地得到SS/CWT質(zhì)量比對(duì)PM/PM排放特性的影響，通過式(1)線性加和公式計(jì)算不同摻燒比對(duì)應(yīng)的PM/PM的計(jì)算值。

=+

(1)

式中，,分別為CWT/SS的質(zhì)量比；，分別為CWT/SS的PM/PM的實(shí)驗(yàn)排放量。

圖8為PM/PM排放量實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比，從圖8(a)中可以得到，SS/CWT混燒后PM排放量的實(shí)驗(yàn)值較計(jì)算值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，而圖8(b)則表明，PM排放量的實(shí)驗(yàn)值在質(zhì)量比3∶7，5∶5與7∶3外較計(jì)算值呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，其中質(zhì)量比3∶7時(shí)，PM排放量的實(shí)驗(yàn)值較計(jì)算值下降約25%，PM排放量的實(shí)驗(yàn)值較計(jì)算值增長約5%；質(zhì)量比7∶3時(shí)，PM排放量的實(shí)驗(yàn)值較計(jì)算值下降約5%，PM排放量的實(shí)驗(yàn)值較計(jì)算值增長約25%，表明2種物質(zhì)存在一定的交互作用。

圖8 PM2.5/PM10排放量實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.8 Experimental and calculated comparison of emissions of PM2.5/PM10

CWT中焦炭含量較多，約占36%，燃燒過程中焦炭與易氣化元素K，Cl，P，S等會(huì)發(fā)生一定作用。由1.1節(jié)可知，易氣化元素K，Cl，P，S等大部分來源于SS的燃燒，這就說明，SS與CWT混燒過程中易氣化元素與焦炭會(huì)產(chǎn)生一定的交互作用。一方面，隨著揮發(fā)分從燃料顆粒內(nèi)部到外部的逐漸析出，焦炭表面及內(nèi)部逐漸產(chǎn)生更多的孔隙與裂紋，且SS中大量的揮發(fā)分可以促進(jìn)CWT焦炭顆粒內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的巨大變化，焦炭中的孔隙和裂紋可以為堿金屬、鹵素、痕量元素等易氣化物質(zhì)提供物理吸附位點(diǎn)，通過分子間作用力將其固定于孔隙和裂紋內(nèi)部而抑制細(xì)模態(tài)顆粒物的形成；另一方面，在高溫下堿金屬蒸汽如K等能夠與碳基鍵發(fā)生作用，不僅加速了碳鏈的斷裂，加速了焦炭粉化過程而產(chǎn)生更多的粗模態(tài)顆粒物，而且容易生成難揮發(fā)產(chǎn)物而被固定于焦炭表面，研究發(fā)現(xiàn)，此現(xiàn)象在600 ℃以上尤為明顯。

氣化后的堿金屬及其化合物還可以與SS和CWT中的無機(jī)礦物質(zhì)發(fā)生一定作用。一方面，不規(guī)則無機(jī)礦物質(zhì)顆粒表面由于燃燒產(chǎn)生的裂隙和破痕與堿金屬等元素通過范德華力相互吸附結(jié)合，無機(jī)礦物質(zhì)為其提供物理吸附位點(diǎn)，主要取決于粒徑較大的燃料顆粒物的孔徑特性和比表面積；另一方面，位于燃料顆粒外部的無機(jī)礦物質(zhì)表面的部分活性基團(tuán)會(huì)通過化學(xué)鍵與部分堿金屬相結(jié)合而為其提供化學(xué)吸附位點(diǎn)，部分水溶性堿金屬及其化合物氣化物在此過程被固定，如式(2)～(5)所示，包括KCl，KOH，KO，MgO等。

(2)

(3)

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在燃燒過程初期，燃料顆粒表面揮發(fā)分與焦炭將絕大部分氧氣消耗殆盡，燃料顆粒內(nèi)部氧化劑嚴(yán)重缺乏導(dǎo)致其局部往往呈現(xiàn)還原性氣氛且較燃料顆粒外部為高溫高壓狀態(tài)，如式(6)，(7)所示，F(xiàn)eO，MgO等某些難熔性氧化物會(huì)發(fā)生輕微氣化反應(yīng)形成金屬蒸汽，如式(8)，(9)所示，促進(jìn)其后續(xù)發(fā)生均相成核-異相凝結(jié)過程成為細(xì)模態(tài)顆粒物；而在燃燒中后期，反應(yīng)產(chǎn)生大量的CO，氣相中的KOH、游離態(tài)K等將容易與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成難揮發(fā)的KCO，KCO往往累積團(tuán)聚于不規(guī)則的無機(jī)礦物質(zhì)表面而抑制K元素氣化—凝結(jié)—成核的過程，從而導(dǎo)致細(xì)模態(tài)顆粒物生成量的減少，如式(10)所示。此外，當(dāng)質(zhì)量比為1∶9和9∶1時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值表現(xiàn)出不明顯的差異性，表明此時(shí)SS與CWT的交互作用不明顯。

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3 結(jié) 論

(1)SS與CWT在流化床中單獨(dú)燃燒時(shí)顆粒物粒徑分布都為雙峰分布，且其排放的PM/PM體積分?jǐn)?shù)分別與粒徑分布峰值相對(duì)應(yīng)，800 ℃為臨界溫度，在此溫度前后SS與CWT粒徑分布均表現(xiàn)出明顯的變化差異，為焦油對(duì)顆粒物的固定吸附作用、堿金屬的熔融團(tuán)聚作用與礦物質(zhì)在燃燒過程中的氣化、碰撞、破碎作用交互影響所致；隨著燃燒溫度的升高，粒徑分布的峰值呈現(xiàn)向小粒徑方向且向上移動(dòng)的趨勢。

(2)PM與PM元素組成具有明顯差異。PM元素組成為易氣化元素K，Mg，S，Cl，P等，其中SS的PM中，K，Cl，P含量較高；PM元素組成為Si，Al，F(xiàn)e，Ca等難熔性元素。CWT的PM中，Si，Al，F(xiàn)e，Ca含量較高。

(3)隨著SS在與CWT中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PM呈現(xiàn)出先減少后增加的變化趨勢，PM呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢。當(dāng)SS/CWT質(zhì)量比為9∶1與SS單獨(dú)排放時(shí)，PM/PM的排放量均明顯下降。

(4)SS與CWT混燒過程中PM的實(shí)驗(yàn)值較其線性加和值小，而PM的實(shí)驗(yàn)值較其線性加和值大。表明2種燃料在混燒中發(fā)生了交互作用。燃料中的焦炭顆粒與部分無機(jī)礦物質(zhì)顆粒對(duì)K，Cl，P，S等易氣化元素會(huì)產(chǎn)生物理吸附與化學(xué)吸附作用，從而減小了細(xì)模態(tài)顆粒物的生成量。