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1、华中科技大学 硕士学位论文 生物质与煤混烧中PM及其痕量元素分布的研究 姓名：夏永俊 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：徐明厚 20060401 I 摘 要 生物质作为一种可再生能源，其与煤混合燃烧不仅能有效降低燃煤二氧化硫、氮 氧化合物和二氧化碳的排放，而且对细微颗粒物的排放也有影响。燃烧生成的细微颗 粒物已成为燃烧污染中一个新兴而前沿的研究领域和热点，研究表明，生物质燃烧时 细微颗粒的生成较燃煤时更容易，在二者混烧过程中生物质燃烧生成的细微颗粒容易 被煤灰吸附，混烧过程细微颗粒的排放特性不同于二者单独燃烧叠加的排放特性。我 国生物质资源非常丰富，发展生物质与煤混烧技术对我国具有
2、重要现实意义。因而研 究生物质与煤混烧过程中细微颗粒物的排放对我国今后能源政策的制定具有指导意 义。 本文首先在沉降炉上进行了锯末与平顶山煤的混烧实验，分别在三个燃烧温度下 进行了三种锯末掺烧比的混烧实验。结果表明，掺入锯末后降低了 PM2.5的质量百分 含量， PM10上 Cr 和 Zn 富集行为的变化很大一部分是通过 PM10的粒径改变来实现的。 本文还将两种生物质及两种煤均按照质量百分比 1: 3 两两进行混合，得到四种混 合燃料，然后分别在同一温度的两种气氛下在沉降炉上进行混烧实验。研究表明，掺 入生物质后 PM10的粒径分布仍呈双峰分布， 并且随氧含量的增多， 亚微米颗粒(PM1.0
3、) 和超微米颗粒(PM1.0+)浓度均有所增大。同时发现，Pb 在 PM10上的富集最明显，Mn 则最弱。 关键词：关键词：生物质 煤 混烧 颗粒物 痕量元素 II Abstract Biomass, as a renewable and environmental energy, which co-combusts with coal, can not only reduce SOx, NOx and CO2, but also has influence on PM10. The formation and control of fine particulate matter from c
4、oal combustion has become a hot research area and is going to attract more attention in the future. Some research achievements have already indicated that the formation of inhalable particles during biomass combustion is easier than that of coal combustion. The inhalable particles, however, which ar
5、e produced from biomass, can be captured easily during co-combustion of biomass with coal. Due to the resources of biomass in our country are abundant, developing the technic of co-combustion of biomass with coal has great significance. Firstly, the co-combustion of sawdust with Pingdingshan coal is
6、 investigated by using a Drop Tube Furnace(DTF) in this paper. Mixtures of coal with three different mass percent of sawdust are burnt under three temperatures separately. The results indicate that sawdust addition can reduce the mass percent of PM2.5. Enrichments of Cr and Zn in PM10 are affected b
7、y the emission characteristics of PM10 strongly. Then, two kinds of biomasses and coals are selected, which were mixed at ratio of 1:3. Four kinds of mixture compounds are also burnt by using the Drop Tube Furnace under a constant temperature and two different atmospheres. The results indicate that
8、the distribution of PM10 during co-combustion is similar to coal combustuion. With the increasing of oxygen, the concentration of sub-micron and super-micron particles increase. The enrichment of Pb in PM10 is much higher than that of other trace metals. Keywords: Biomass Coal Co-combustion Particul
9、ate matter Trace elements 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。
10、本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 1 1 绪 论 1.1 我国的能源结构及生物质能的利用现状 煤炭是世界一次能源的重要组成部分，煤炭占世界能源的首位。在当今世界能源 结构中，煤炭储量丰富，而石油、天然气相对贫乏，并且煤炭资源能够稳定可靠地获 得。因此，在世界范围内，煤炭是主要的能源。世界能源机构预测，由于资源条件的 变化，21 世纪世界能源
11、消费结构将是石油比重下降，天然气上升，煤炭持平。继而将 出现一个以天然气为主的短暂时期，然后将转向以煤炭为主1。 我国是当今世界上最大的煤炭生产和消费国， 我国能源探明总储量结构为:原煤能 源 87.4、原油能源 2.8、天然气能源 0.3、水能源 9.5，目前煤炭消费占全部 能源消费总量的 76。专家预测：煤炭在中国能源结构中的主导地位近 50 年不会改 变，其理由在于：储量上煤炭资源大大超过石油和天然气资源，同时煤炭也是比较廉 价的能源，在国际上，按同等热值计算，天然气、石油的价格一般为动力煤价格的 2 3 倍，而在我国北京，天然气、柴油的价格要在动力煤的四倍以上。所以，从发挥 资源优势考
12、虑，我国以煤炭为基础能源的战略是完全正确的。根据估计，到本世纪中 期，煤炭在我国一次能源消费结构中的比重仍将保持在 50左右1 2。 煤炭在我国国民经济发展中的地位是举足轻重的，但是煤炭又是不洁净的能源， 它在为社会做出具大贡献的同时，在其开采、加工、储运和使用过程中，也产生了一 系列环境污染问题，危害生态平衡和人类生存，特别是大量以终端直接燃烧方式消费 煤炭，是造成大气环境污染的主要原因。目前，全国 90的二氧化硫排放是燃煤造成 的，大气中 70的烟尘是燃煤造成的，大气污染不仅造成土壤酸化、粮食减产和植被 破坏，而且引发大量呼吸道疾病，直接威胁人们身体健康。特别是煤炭燃烧释放大量 二氧化碳，
13、对气候变化影响很大3。煤炭生产和消费引起的环境污染问题是目前面临 的最紧迫的问题。因此，发展洁净煤技术和开发利用可再生能源是解决我国能源问题 的战略选择。这将对维护我国能源安全、保持我国能源自给率，改善能源结构发挥重 2 要作用。 在对生态环境的影响方面，生物质被认为是一种可再生的绿色能源，其燃烧过程 具有 CO2 零排放的特点, 这对于缓解日益严重的“温室效应”有着特殊意义，并且生 物质燃烧时的氮氧化物及硫化物浓度都很低4。我国是一个农业大国，生物质能资源 极为丰富，现在每年农村中的秸秆量约 6.5 亿吨，到 2010 年将达 7.26 亿吨，相当于 5 亿吨标煤。 柴薪和林业废弃物数量也很
14、大， 林业废弃物 （不包括薪炭林） 每年约达 3700 万立方米，相当于 2000 万吨标煤。如果考虑日益增多的城市垃圾和生活污水，禽兽 粪便等其他生物质资源，我国每年的生物质资源达 6 亿吨标煤以上，扣除了一部分做 饲料和其他原料， 可开发为能源的生物质资源达 3 亿吨标煤。 随着农业和林业的发展， 特别是随着速生薪炭林的开发推广，我国的生物质资源将越来越多，有非常大的开发 和利用潜力4。另外，生物质能在我国商业用能结构所占的比例很小，其主要被作为 一次能源在农村被利用，但大部分被直接作为燃料燃烧或废弃，利用水平低，浪费严 重，且污染环境，因此合理开发使用生物质能源，加大生物质能源的高品位利
15、用具有 重要的意义。 1.2 燃烧过程中 PM10及痕量元素排放的危害 3 图1-1 大气中颗粒物质量粒径分布 大气颗粒物PM（particle matter）指的是分散在空气中的固态或液态颗粒状物质， 根据其空气动力学直径大小可以分为总悬浮颗粒物TSP（空气动力学直径小于或等于 100m）和可吸入颗粒物PM10（空气动力学直径小于或等于10m） ，其中空气动力学 直径小于2.5m的颗粒（PM2.5）称为超细颗粒物，直径小于1m的颗粒称为亚微米颗 粒物5。一般大气中的颗粒物都呈双峰分布。 图1-1给出了大气中颗粒物质量粒径分布， 由图可见， 大气里颗粒物的质量粒径呈 双峰分布。通常，最小的部分
16、（0-2.5m）主要是燃烧和其他高温过程产生的一次颗 粒，或者是大气中的二次颗粒；在粗颗粒阶段（2.5-10m）大部分来源于风尘、路尘、 花粉、工业粉尘等。 可吸入颗粒物的排放源很多，既有大自然和人类的活动，也有大气中污染物相互 的反应。人类活动包括各种工业过程，如燃烧、交通、建筑、农业等都会释放可吸入 颗粒物，其中燃烧过程中释放的颗粒物污染最为严重。研究表明，TSP 的 70来自燃 煤。这些颗粒物中的一部分是燃煤直接释放的一次颗粒物（primary particles） ，是燃烧 的副产品和未燃尽物质，其他则是燃煤释放的气相组分，包括有机物、硫化物、NOX 和 NH3在大气中形成的二次颗粒（second particles） ，主要包括硫酸盐和硝酸盐类以及 半挥发的有机物等。而对于汽车尾气形成的 PM 主要是二次颗粒。固
