颗粒污染物控制-大气污染控制工程

固体燃料燃烧过程产生的颗粒污染物主要是燃烧不完全形成的炭黑、结构复杂的有机物、烟尘和飞灰等。

1.碳粒子的形成

燃烧过程中生成的一些主要成分为碳的粒子，由气相反应生成积炭，由液态烃燃料高温分解生成结焦或煤胞。

（1）积炭的生成过程

生成积炭的过程可分为三个阶段：第一阶段是核化过程，即气相脱氢反应并产生凝聚相固体炭；第二阶段是核表面上发生非均质反应；第三阶段是较为缓慢的聚团和凝聚过程。

燃料的分子结构是影响积炭的主导因素，有机化合物的不饱和度对积炭有一定影响，支链化合物比巨链化合物释放的趋势大。同时，积炭的生成还与火焰的结构有关，提高氧气量可以防止积炭生成，压力越低，则积炭的生成趋势越小，三氧化硫、气态氢、镍和碱土金属盐都会抑制积炭的生成。

（2）石油焦和煤胞的生成

燃料油雾滴在被充分氧化之前，与炽热壁面接触，发生液相裂化和高温分解，出现结焦。由此产生的碳料称为石油焦，是一种比积炭更硬的物质。多组分重残油的燃烧后期会生成煤胞，并且难以燃烧。

焦粒，生成反应的顺序为：烷烃→烯烃→带支链芳烃→凝聚环系→沥青→半圆体沥青→沥青焦→焦炭。

煤胞是重油燃料液滴燃烧后期生成的一种焦粒，难以继续燃烧。煤胞为微小空心的球形粒子，其大小与油滴直径成正比，一般为10～300μm。

2.燃煤烟尘的形成

燃煤烟尘是指固体燃料燃烧产生的颗粒物，包括黑烟和飞灰。

黑烟是指未燃尽的炭粒，煤粉燃烧时，炭粒表面温度和氧含量相对较低。如果燃烧不够理想，煤粉在高温下发生热解作用，产生多环化合物，这样就会冒黑烟。

飞灰是指不可燃矿物质微粒，煤粉燃烧时，灰层中的部分灰分被气流裹挟，最终以飞灰形式排放。在理想的燃烧条件下，几乎不产生黑烟，因此，燃煤烟气产生的烟尘主要成分是飞灰。

（1）煤粉燃烧过程

碳表面的燃烧产物为CO，它扩散离开表面并与O2反应生成CO2，然后CO2向着表面和离开表面扩散。当CO2到达碳表面时与碳反应被还原成CO。到达碳表面的O2很少，碳主要使CO2还原成CO。燃烧碳层中成分和温度分布如图2-5所示。(www.xing528.com)

图2-5　燃烧碳层中成分和温度分布

如果燃烧条件不理想，煤不但不能完全燃烧，而且在高温下发生热解作用，形成多环化合物（如花、蒽、苯并花等），这样就会冒黑烟。理论上碳与氧的摩尔比近1.0时最易形成黑烟，在预混火焰中，C/O大约为0.5时最易形成黑烟。在理想条件下，是否容易冒黑烟，与煤的种类、质量有很大关系。易燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤→焦炭→褐煤→低挥发分烟煤→高挥发分烟煤。

煤中灰分的存在，增加了气体扩散阻力。因为氧气向颗粒的扩散比氧气穿过灰分的扩散快得多，所以，通常假设灰层边界上氧气浓度和烟气中氧的浓度相等，在燃料表面氧气的浓度接近于零，如图2-6所示。

根据图2-6燃烧模型导出的燃烧速率方程式表明，碳粒子燃尽的时间与粒子的初始直径、表面温度、氧气浓度等有关。改善燃料与空气的混合、足够高的燃烧温度、碳粒在高温区必要的停留时间是减少未燃尽碳粒的主要途径。

图2-6　高灰分燃料扩散燃烧的灰层厚度

（2）影响燃煤烟气中飞灰排放特征的因素

燃煤尾气中灰分的浓度和粒度与煤质、燃烧方式、烟气流速、炉排和炉膛的热负荷、锅炉运行负荷以及锅炉结构等多种因素有关。灰分越高，含水量越少，则排尘浓度越高；自然引风锅炉，烟气流速越低，排尘浓度越低。对于机械引风锅炉，若不合理控制风量，引风带尘的浓度将提高；炉排热负荷增大，灰分被气流带走，如果炉膛热负荷增大，燃料不能充分燃烧，未燃尽的气体将会以黑烟排走；锅炉负荷越高，燃煤量增大，烟气量增大，排尘浓度就会增大。

不同锅炉运行负荷的排尘浓度如图2-7所示。

图2-7　不同锅炉运行负荷的排尘浓度

1、2、3—往复炉；4—链条炉

煤直接燃烧还可能产生汞等重金属污染和砷化物、氟化物污染。要同时满足减少碳氢化合物和NOx两者的排放量，只能通过仔细控制混合的形式、温度水平和在整个系统内的停留时间、分布来实现。