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《华中科技大学》 2014年
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燃煤过程中钠对焦特性及细颗粒物控制的影响

斯俊平  
【摘要】:煤在中国的一次能源中占主导地位,但其在燃烧中将不可避免地产生大量的细颗粒物以及C02。燃煤产生的细颗粒物PM2.5(空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物)能够部分穿透除尘设备而逃逸到大气中去,进而伤害人体和环境;02/CO2富氧燃烧是正在兴起的燃烧中减排C02、有望缓解气候变暖的新型燃烧方式,由于C02与N2在性质上的巨大差异,对比研究常规空气燃烧与O2/C02燃烧两种燃烧方式下煤焦的特性及PM2.5的生成与控制,可以为现有电厂向02/C02燃烧方式改造提供指导。 钠的存在对煤焦的性质及PM2.5的生成具有重要影响,而不同形态的钠对高岭土控制PM2.5的影响有可能不同。钠在煤中主要以三种形态存在:水溶态(如NaCl)、有机态(如羧酸态钠)以及不溶的硅酸态及铝硅酸态(如Na-Al-Si)。本文主要研究了煤燃烧过程中钠对煤焦特性及细颗粒物PM2.5生成与控制的影响。 论文首先针对低钠煤及有机钠煤,在沉降炉中分别在N2和CO2气氛下制焦,通过对比各种焦在物理孔隙结构、化学碳微晶结构以及钠含量上的差异,讨论了影响焦反应性的因素。研究结果表明,煤中钠在焦形成中对焦特性的影响与煤种及制焦气氛密切相关。钠对烟煤焦结构的影响较弱,而烟煤N2焦及C02焦的反应性也仅随煤中钠的加入而小幅变化;相比之下,钠对褐煤焦的特性具有显著影响,并且这种影响对C02焦更为突出,褐煤C02焦在钠强烈的催化作用下表现出极高的反应性;褐煤焦的碳微晶结构与制焦中煤的挥发率紧密相关,煤的挥发率越大,残留在焦中的活性物质越少,焦的结构越稳定,有序度越大;Na等矿物质的催化作用会影响到焦的化学微晶结构,并且焦的有序度与其反应性之间的关联性会随之被破坏,在研究的温度范围内,焦的反应性受焦化学结构的影响很小,其主要由焦的物理孔隙结构和焦中Na的含量来确定。 论文随后探讨了在O2/N2和02/C02燃烧气氛下,氯化态钠及羧酸态钠与高岭土作用时转化成钠铝硅酸盐的能力以及对矿物颗粒结构的影响,并且借助热处理后样品在特性上的变化,进一步讨论了不同形式钠与高岭土的相互作用对燃煤中PM2.s控制的可能影响。结果表明,矿物的聚合与熔融密切相关,羧酸态钠在与高岭土作用时转化成钠铝硅酸盐的能力要强于氯化态钠,并且生成的Na-Al-Si在结构上亦表现得更倾向于熔融,这两个因素共同促使高岭土与羧酸态钠作用后的矿物颗粒聚合更为明显;矿物孔隙结构会随熔融的发生而被破坏,熔融越强,矿物的BET表面积及孔体积减小越明显,并且熔融对中孔的破坏程度最为显著;氯化钠与高岭土作用后矿物颗粒的结构不受气氛变化影响,而羧酸钠在02/N2气氛下与高岭土作用后,矿物颗粒的熔融聚合程度要强于在02/C02气氛下,这主要是由于高浓度的C02会减缓羧酸钠的分解,进而改变形成的钠铝硅酸盐的结构,降低熔融,减小矿物聚合。 论文最后研究了煤中钠的赋存形态对高岭土控制PM2.5的影响。实验中,通过比较低钠煤在添加钠铝硅酸盐前后PM2.5的生成量研究了钠铝硅酸盐的熔融对PM2.5的影响。进一步地将富含氯化态钠的煤以及富含羧酸态钠的煤分别与高岭土混烧,以研究不同形态钠在煤燃烧过程中对高岭土控制PM2.5效果的影响。同时考虑到02/N2燃烧与02/C02燃烧存在差异,亦就气氛对这一过程的影响进行了阐述。研究结果表明,高岭土可以通过表面化学反应吸附钠等金属蒸气来减少PM2.5中超细模态颗粒物的生成,同时,在吸附过程中所产生的钠铝硅酸盐等在高温下会发生熔融、通过液相捕集的方式减少中间模态颗粒物的生成;煤中的钠在以有机羧酸态为主时,高岭土对燃煤超细模态颗粒物的控制效果要强于煤中的钠以氯化态为主时,并且高岭士在O2/CO2燃烧中对燃煤超细模态颗粒物的控制效果要弱于02/N2燃烧方式;钠铝硅酸盐的熔融聚合是影响高岭土减少中间模态颗粒物生成的关键因素之一,同时,颗粒物生成量的不同所引起的颗粒碰撞频率有差异也会影响高岭土控制中间模态颗粒物的能力,在矿物聚合和颗粒碰撞的双重作用影响下,高岭土与富含有机羧酸态钠的煤混烧时对中间模态颗粒物的控制效果要强于与富含氯化态钠煤混烧时的情况,并且该现象在O2/N2燃烧中更为明显。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TK16

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