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1、燃烧过程中颗粒物的形 成与控制 P358-390 郑茂盛 主要内容 飞灰（ash） 1 1 1.1燃煤过程中飞灰的形成 煤烟（煤烟（sootsoot） 2 2 1.2飞灰颗粒的气化 1.3亚微米颗粒的形成动力学 2.1燃煤中煤烟颗粒的形成 2.2煤烟颗粒的氧化 2.3煤烟颗粒的控制 Related Documents 燃烧过程产生的颗粒物可以分为两大类 飞灰（ash）：来自于燃料中的不可燃烧组分（主要 是矿物颗粒）以及燃料中有机组分的杂原子。 煤烟（soot）：未燃尽的含碳颗粒，主要来自于燃料 分子的高温热解。 1 飞灰（ash） 使用煤做燃料会比采用燃料油做 燃料产生更多的颗粒物 燃料添加剂
2、，如提高汽油抗爆性 能的铅添加剂，控制柴油机煤烟 排放的钡添加剂，以及燃料煤中 的固硫剂等，都和燃烧过程产生 的颗粒物有密切关系。 我们主要讨论燃料煤燃烧过程中 飞灰的产生。 早期早期颗粒物颗粒物污染污染并没有引并没有引 起人们的足够重视，因为起人们的足够重视，因为 静电除尘器可以去除大部静电除尘器可以去除大部 分的颗粒物。分的颗粒物。 直到直到19741974年，年，DavisonDavison 发现颗粒物上的有毒污染发现颗粒物上的有毒污染 物浓度随颗粒物粒径的减物浓度随颗粒物粒径的减 小而增大。小而增大。 1.1燃煤过程中飞灰的形成 细小碳颗粒的形成 原料煤炭 粉碎成煤 粉颗粒（ 40m-
3、 80m） 煤粉颗 粒随载 气进入 燃烧炉 辐射导 热使煤 粉颗粒 温度上 升 热应力使 碳颗粒破 碎；气体 膨胀使颗 粒疏松多 孔 碳颗粒破 碎，每个 碎片上都 负载有一 部分矿物 颗粒 细小碳颗粒向飞灰颗粒的演变 残灰颗粒模型 碳颗粒中包含的矿物微团逐渐裸露出来。 高温使表面矿物颗粒呈现熔融状态。表面张力使其形成 球状灰滴附着在焦炭颗粒表面。 彼此距离逐渐减小，当发生接触时，就会聚合在一起形 成较大的灰粒。 燃烧过程中残灰颗粒会产生一个很有趣的结构 （cenospheres） 焦炭颗粒的破碎和表面灰粒的聚合是残灰颗粒形成 中两个十分重要的过程。 通过气化凝结产生的飞灰数量只占总量的1%。
4、在高温燃烧环境中，煤中部分无机物首先发生气化， 通过 均相成核形成许多细小微粒(脂肪族化合物。 煤烟的产生路径 芳香烃的路径很直接，通过缩合或聚合反应直接即可形成煤烟。 脂肪族化合物要首先在较慢速率下形成乙炔或聚乙炔形式，再形 成煤烟。 一旦煤烟碳核形成，通过表面反应颗粒物增长就会很快。每个 颗粒物的比表面增长速率和煤烟颗粒的形成时间有很大关系。 燃烧早期表面增长速率是0.4-1gm-2s-1，25到30ms之后降到0.1- 0.2gm-2s-1，之后迅速下降。最终煤烟碳核只占煤烟质量的一小 部分。 颗粒物初始形成区域中氧气含量约为1%，其存在加速了煤烟颗 粒物的形成。一旦氧气含量降低，碳核表
5、面开始迅速反应增长 形成大的颗粒物。氧气的作用有两个。 一是和碳氢化合物分子反应形成自由基，以进行下步反应。 二是氧化煤烟碳核燃烧，限制煤烟表面的生长。 Harris提出一个煤烟颗粒形成的动力学。 定义初始形成的碳核颗粒是最大吸收波长载1090nm处的颗粒物。增长 的热力学机理是由于乙炔类物质的热力学分解在颗粒物的表面上的积 累。假设增长和氧化正比于煤烟表面积， k=i-1。如果k（t）0，表示减少了一个初始C核。 描述了在火焰燃烧初 始阶段，碳核颗粒数 目密度，平均颗粒直 径，和初始碳核形成 速率的情况。 每立方米有1019初始碳 核形成。颗粒形成速 率在1023m-3s-1。 3.2煤烟颗
6、粒的氧化 在扩散火焰中，富燃区形成的煤烟颗粒会继续发生氧化反应。 火焰中的氧化剂， OH的浓度要比氧气大， O和氧气浓度相当 。 OH和煤烟颗粒的氧化反应速率可由半经验公式表示 总氧化速率 颗粒物燃烧速率 对于球形颗粒 可以看出，OH反应在颗粒物表 面氧化反应中占有绝对的优势 ，在0.7时，氧气反应也占 有一定的比例。 煤烟颗粒直径大都在10-50nm ，燃烧完全的时间 如果燃烧一个20nm的煤烟颗 粒，时间也就是需要1ms。 3.3 煤烟颗粒物的控制 提供适量的氧气和混合条件使煤烟颗粒氧化燃烧完全。使 用空气喷射雾化器注入液体燃料并控制燃烧气体的紊流强 度。 使用燃料添加剂 活塞流燃烧炉反应
7、器。可以看出 ，在离燃料喷嘴0.1m处时，煤烟 颗粒的浓度最大，在较高的燃料 注入压力下，煤烟产生量较低， 在较低的压力下，煤烟产生基本 不随距离而变化。 燃料大部分消耗在开始两个管径 的距离内，因为随着混合速率下 降，氧气在燃烧过程中的反应速 率下降。可以看出在82kPa低压 下，虽然有足够的氧气，但是较 差的混合状况使煤烟颗粒不能很 好的被氧化消耗。 钡添加剂 通过添加痕量的钡就可产生大量的离子浓度。这些离子 不会直接显著降低煤烟颗粒形成，但是会由于电荷间的 排斥力降低颗粒凝聚速率。小粒径煤灰颗粒更利于被燃 烧氧化。 碱土金属添加剂（Ca，Sr，Ba） 碱土金属会和水形成氢氧化物，同时产生氢原子，氢原 子又会和水碰撞形成OH。在富燃火焰中，OH的增加加 速了碳颗粒和煤烟颗粒的氧化而阻止煤烟的形成。 过渡金属添加剂（Co，Fe，Mn，Ni） 最常用的两种添加剂是MMT（甲基环戊二烯三羰基锰） 和二茂铁。 这种添加剂不会影响煤烟颗粒形成的数量，但金属氧化 物负载到煤烟颗粒上对煤烟颗粒的燃烧起到催化氧化的 作用，会增加20%的氧化速率。
