燃煤细灰的形成及微观形态特征.pdf
书书书 第5 7卷 第1 2期 化 工 学 报 V o l . 5 7 N o . 1 2 2 0 0 6年1 2月 J o u r n a l o f C h e m i c a l I n d u s t r y a n d E n g i n e e r i n g (C h i n a) D e c e m b e r 2 0 0 6 檭檭檭檭檭 檭檭 檭檭檭檭檭 檭檭 殐 殐 殐 殐 研究简报燃煤细灰的形成及微观形态特征 刘建忠,张光学,周俊虎,范海燕,岑可法 ( 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江 杭州3 1 0 0 2 7) 关键词煤;燃烧;细颗粒;微观形态;重金属 中图分类号T K2 2 4 文献标识码A文章编号0 4 3 8-1 1 5 7(2 0 0 6)1 2-2 9 7 6-0 5 犉 狅 狉 犿 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犿 犻 犮 狉 狅 犿 狅 狉 狆 犺 狅 犾 狅 犵 狔犮 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳 犳 犻 狀 犲 狆 犪 狉 狋 犻 犮 犾 犲 狊犵 犲 狀 犲 狉 犪 狋 犲 犱犱 狌 狉 犻 狀 犵犮 狅 犪 犾 犮 狅 犿 犫 狌 狊 狋 犻 狅 狀 犔 犐 犝犑 犻 犪 狀 狕 犺 狅 狀 犵,犣 犎 犃 犖 犌犌 狌 犪 狀 犵 狓 狌 犲,犣 犎 犗 犝犑 狌 狀 犺 狌,犉 犃 犖犎 犪 犻 狔 犪 狀 ,犆 犈 犖犓 犲 犳 犪 (犛 狋 犪 狋 犲犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犆 犾 犲 犪 狀犈 狀 犲 狉 犵 狔犝 狋 犻 犾 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀,犣 犺 犲 犼 犻 犪 狀 犵犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,犎 犪 狀 犵 狕 犺 狅 狌3 1 0 0 2 7,犣 犺 犲 犼 犻 犪 狀 犵,犆 犺 犻 狀 犪) 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋T h e f o r m a t i o n,m i c r o m o r p h o l o g yc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a v ym e t a l se n r i c h m e n to ff i n ep a r t i c l e s g e n e r a t e dd u r i n gc o a l c o m b u s t i o nw e r es t u d i e d .T h ep a r t i c l e sw e r es a m p l e db yu s i n gi m p a c t i n gc l a s s i f i e r, t h em i c r o m o r p h o l o g yw a se x a m i n e dw i t hS EMa n dt h eh e a v ym e t a l sc o n t e n tw a sm e a s u r e dw i t ha t o m i c a b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t e r .T h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a t t h em o r p h o l o g ya n dh e a v ym e t a l se n r i c h m e n to f t h ep a r t i c l e sw e r er e l a t e dt ot h ep a r t i c l es i z e . C o a r s ep a r t i c l e sc o mm o n l ys h o w e di r r e g u l a rs h a p e s,w h i l e p a r t i c l e sw e r ec l o s e rt os p h e r i c a ls h a p ew i t hd e c r e a s i n gs i z e .S u b m i c r o np a r t i c l e sw e r ea l w a y ss p h e r i c a l a n du s u a l l ya t t a c h e dt ob i go n e s .T h eh e a v y m e t a l sc o n t e n to ft h ep a r t i c l e si n c r e a s e d w i t hd e c r e a s i n g p a r t i c l es i z e . 犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊c o a l;c o m b u s t i o n;f i n ep a r t i c l e;m i c r o m o r p h o l o g y;h e a v ym e t a l s 2 0 0 6-0 1-2 0收到初稿,2 0 0 6-0 3-1 3收到修改稿. 联系人及第一作者刘建忠 (1 9 6 5) ,男,博士,教授. 基金项目国家自然科学基金项目 (5 0 5 7 6 0 8 3) ;教育部新世 纪优秀人才支持计划项目 (N C E T 0 4 0 5 3 3). 引 言 大气环境中的细小颗粒物不仅影响气象和气 候,使空气质量变差,降低大气能见度,而且对人 体特别是呼吸系统有严重危害.研究表明细小颗粒 物极易进入人体肺部,被吸收进入血液,长期蓄积 在体内,且颗粒越小,进入肺部越深[ 1].对我国大 气中细小颗粒物来源虽有不同看法,但基本上认为 煤燃烧是主要的来源之一[ 2],而且因为煤成分的复 杂性,使得燃煤细灰含有各种矿物成分和多种痕量 有毒元素,灰粒越细,富集越多,因此燃烧源小颗 粒毒性更强,危害更深[ 3 4].由于现有的除尘设备, 如煤粉炉普遍采用的电除尘器,虽然总除尘效率可 以达到9 9%以上,但对细飞灰 (PM 2 . 5)的捕集 效率也只有9 0%左右,而旋风除尘器更是在5%以 下[ 5].因此,加强燃煤细灰的形成、细灰微观形态 特征及其有害元素分布规律的研究,对开发燃烧源 小颗粒控制技术有重要的指导意义. 犚 犲 犮 犲 犻 狏 犲 犱犱 犪 狋 犲2 0 0 6-0 1-2 0. 犆 狅 狉 狉 犲 狊 狆 狅 狀 犱 犻 狀 犵犪 狌 狋 犺 狅 狉P r o f .L I U J i a n z h o n g .犈- 犿 犪 犻 犾j z l i u @z j u . e d u . c n 犉 狅 狌 狀 犱 犪 狋 犻 狅 狀犻 狋 犲 犿s u p p o r t e db yt h e N a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c e F o u n d a t i o no fC h i n a(5 0 5 7 6 0 8 3)a n dP r o g r a mf o r N e w C e n t u r y E x c e l l e n tT a l e n t s i nU n i v e r s i t y(N C E T 0 4 0 5 3 3). 1 实验方法 1 1 样品采集 燃煤细灰的采样使用等速取样法,取样系统按 照国家标准G B/T1 6 1 5 71 9 9 6进行.灰样的分级 采用中国预防医学科学院研制的WY 1型冲击式尘 粒分级仪,该仪器利用不同粒径的尘粒具有不同惯 性的原理,将尘粒按其粒径的不同捕集到8级捕集 板上[ 5]. 1 2 测试仪器和方法 本次实验使用日立S 5 7 0扫描电镜观测细灰的 微观 形 态.同 时 参 照 国 家 标 准G B/T1 5 5 5 . 2 1 9 9 5中固体废物中的重金属测定的消解方法,对 尘粒分级仪收集的细灰颗粒进行重金属元素的消 解,然后使用美国热电公司的U n i c o mS o l a a r9 6 9 原子吸收分光光度计测定重金属元素含量. 2 燃煤细灰形成机理 煤粉燃烧时在高温下被快速加热、裂解和燃 烧,煤中矿物质将发生分解、熔融、气化、凝聚、 冷凝、团聚等一系列的物理化学变化,然后在较低 温度下形成化学成分和形态各异的飞灰.燃煤飞灰 特别是细灰的形成机理是复杂的[ 6 7],图1和图2 是W a y n e和L o c k w o o d等提出的有代表性的煤燃 烧过程中不同粒径灰粒的生成机理和痕量元素转化 与配置模型[ 8 9].主要观点是煤燃烧产生的颗粒呈 双峰分布,包括亚微米超细颗粒和超微米颗粒两部 分,亚微米超细颗粒主要由煤中矿物质和外部矿物 质在高温时挥发,温度降低蒸气过饱和时通过均相 成核形成,或在其他已形成的颗粒表面进行非均相 凝结;较大的超微米颗粒主要是焦炭燃烧过程中体 积不断减小,内部矿物质不断聚集形成,另外超细 颗粒的凝并、团聚也可形成较大颗粒.以各种形态 存在的痕量重金属元素,高温时易挥发,在成灰过 程中容易和其他矿物质一起凝聚形成小颗粒,使重 金属元素在细颗粒中产生富集现象. 3 燃煤细灰微观特征 图3是利用分级仪对某电厂4 1 0th -1煤粉除 尘器前采集到的1 . 3~1 4 . 7μm灰粒在放大2 0 0 0 倍下的扫描电镜照片,可以比较直观看到不同粒径 灰粒微观形貌特征 ( 图中出现的细长丝状物为采集 飞灰的滤纸纤维).图3( a)是第一级灰粒,属预 F i g . 1 P a r t i t i o n i n gm e c h a n i s m sd u r i n gc o a l c o m b u s t i o n F i g . 2 F a t eo fm i n e r a lm a t t e r i ns o l i d f u e l c o m b u s t i o ns y s t e m s 分离级,捕集到的飞灰中颗粒的尺寸具有一般的代 表性,所以颗粒尺寸上存在很大区别,代表了电厂 燃煤锅炉飞灰的基本形貌.经过预分离级后,从第 二级到第八级捕集到的飞灰粒径越来越小.从第四 级 [ 图3( d) ]开始,不规则形状的颗粒已经基本 消失,开始出现了颗粒的规则球形分布.尤其是从 图3( e)开始,粒径在4 . 5μm以下的颗粒,外形 已基本呈球形,表明粒径减小,颗粒越接近球形. 这种现象也验证了飞灰形成模型[ 8],粒径较大的颗 粒形状不规则主要是受破碎机理影响,包括含矿物 质的焦炭颗粒的膨胀、破裂,内部气体受热膨胀引 起颗粒的裂化、脱落,以及矿物质不完全熔化等因 素;微米级的细颗粒,大多是矿物质挥发后在低温 区均相或非均相成核凝结形成,在凝结中由于粒径 很小,比表面积很大,此时表面张力起主要作用, 容易形成球形. 图4是放大3 0 0 0倍后预分离级扫描电镜图片, 由比例尺可见,4 . 5μm以下的颗粒,外形基本上 是球形,见图4( a) ;最大球形颗粒直径约在8~9 μm,见图4 (b) ;大块飞灰主要呈不规则形状, 直径一般在1 0μm以上;而亚微米级特别是0 . 5 μm以下超细颗粒,则是呈球形黏附在大颗粒表 面,一般很难独立存在. 7792 第1 2期 刘建忠等燃煤细灰的形成及微观形态特征 (a)犱5 0>1 4 . 7μm (b)犱5 0=1 4 . 7μm (c)犱5 0=9 . 2μm (d)犱5 0=6 . 3μm (e)犱5 0=4 . 5μm (f)犱5 0=3 . 3μm ( g)犱5 0=2 . 3μm (h)犱5 0=1 . 3μm F i g . 3 S EMi m a g e so fPMo f 1 . 3μmt o1 4 . 7μm 8792 化 工 学 报 第5 7卷 F i g . 4 T y p i c a l s u p e r m i c r o n s i z e dPMS EMi m a g e s 4 细灰中重金属富集规律 为了描述痕量重金属元素在细灰不同粒径中的 分布情况,本文定义了相对富集系数,其计算方法 为各粒径的痕量元素含量除以整个飞灰痕量元素平 均含量,相对富集系数越高,表明重金属元素在该 粒径上富集程度越大.表1和图5显示了各级灰粒 的6种重金属含量分布及其相对富集系数.由图表 可见,重金属元素的含量和相对富集系数总体上均 随飞灰粒径的减少而增大.镉、锌、铅和铬在小颗 粒上富集的趋势比较明显,特别是镉,含量随粒径 的减小急剧升高,在粒径1 . 3μm的飞灰上含量是 粒径>1 4 . 7μm的2 0 . 1倍.铜和镍在飞灰中的含 量虽然也是随粒径减小而增大,但是变化趋势比较 平缓. 图5还表明犱 5 0=4μm左右是重金属富集的一 个转折点.粒径>4μm的颗粒重金属含量随粒径 的变化不大;但<4μm颗粒重金属含量随飞灰粒 径的减小急剧增大,这也间接验证了<4μm的细 颗粒主要呈球形结构,以挥发性矿物质冷凝团聚为 主要形成途径,毒性更强,对人体危害更大. 金属的挥发性对其富集度有重要的影响,镉和 锌 的 熔 点/沸 点 分 别 是3 2 1℃/7 6 9℃、4 2 0℃/ 9 0 7℃,它们在低温时仍具有较强的挥发性,故这 两种金属元素在细颗粒中富集现象最突出.铅和镉 具有中等挥发性,由于锅炉燃烧温度比较高,这两 种金属元素在细颗粒中的富集也比较明显.而镍和 铜的熔点、沸点都很高,在高温时挥发性很低,因 此这两种金属在小颗粒上的富集不是很明显.另 外,痕量元素的富集与其在煤中的存在形态也有 关,如镉主要存在于黄铁矿中,以硫化物为主,较 易挥发,故容易在小颗粒中富集.铬主要存在于黏 土中,以硫酸盐为主,熔点、沸点都比较高;铜在 煤中也以硫化物形式存在,但是到2 0 0℃就开始分 解,产生的氧化铜或铜单质均较难挥发,这也是两 者在超细颗粒富集度不高的原因. 犜 犪 犫 犾 犲1 犎 犲 犪 狏 狔犿 犲 狋 犪 犾 狊 犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋 狅 犳 犳 犾 狔犪 狊 犺狅 犳 犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狊 犻 狕 犲 狊/μgg -1 P a r t i c l e s i z e/μm P bC dC uZ nN iC r >1 4 . 72 5 . 1 80 . 3 8 1 7 9 . 2 5 1 3 2 . 9 65 4 . 8 32 9 6 . 6 2 1 4 . 74 2 . 4 80 . 5 51 8 4 . 1 5 1 3 9 . 0 37 0 . 8 82 7 0 . 3 6 9 . 28 8 . 1 31 . 4 72 5 7 . 7 1 2 5 5 . 3 1 1 1 4 . 7 5 3 2 4 . 6 3 6 . 39 4 . 0 71 . 9 42 5 8 . 0 6 2 6 2 . 0 2 1 4 3 . 7 39 9 . 1 4 4 . 61 0 9 . 5 02 . 8 22 7 6 . 1 1 2 6 5 . 3 48 7 . 5 43 2 6 . 0 8 3 . 31 4 3 . 7 16 . 3 22 7 9 . 3 9 5 8 7 . 4 79 4 . 3 02 7 0 . 4 0 2 . 31 8 3 . 6 27 . 1 33 0 9 . 2 6 8 2 3 . 8 98 6 . 1 71 7 7 . 5 3 1 . 31 9 0 . 9 17 . 6 33 1 8 . 7 2 1 0 6 1 . 9 6 6 0 . 0 29 7 0 . 0 8 a v e r a g e5 2 . 1 41 . 0 52 0 31 9 2 . 0 57 3 . 7 02 9 1 . 9 6 F i g . 5 H e a v ym e t a l sr e l a t i v ee n r i c h m e n t f a c t o r so fd i f f e r e n t s i z e s 9792 第1 2期 刘建忠等燃煤细灰的形成及微观形态特征 上述小颗粒形貌特征和重金属含量研究结果也 验证了W a y n e和L o c k w o o d等提出的煤燃烧过程 中不同粒径灰粒的生成机理和痕量元素转化与配置 模型 ( 图1和图2). 5 结 论 通过对煤粉锅炉除尘器前1 . 3~1 4 . 7μm燃煤 灰粒样品扫描电镜分析表明,燃煤细灰直径越小, 越呈规则球形.直径在1 0μm以上的大颗粒飞灰 一般是不规则形状,可以认为主要是煤中矿物质在 焦炭燃尽后凝聚形成;规则球形的小颗粒一般在直 径8~9μm时开始形成,而在4 . 5μm以下颗粒基 本呈球形;亚微米超细颗粒主要黏附在大颗粒表 面,呈球形,可以认为主要是煤燃烧中矿物质气化 后在低温区凝结成核形成的. 燃煤灰粒粒径越小,重金属元素含量越多,富 集现象越明显,小于4μm的颗粒重金属大量富 集.这是因为重金属易挥发,与其他矿物质一起通 过气化成核形成小颗粒.挥发性较高的金属元素 如C d、Z n、P b等,比挥发性较低的C r、C u、N i 更易在细颗粒富集. 犚 犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲 狊 [1] T o n gY o n g p e n g( 童 永 彭) ,Z h a n g G u i l i n( 张 桂 林) ,Y e S h u n h u a( 叶舜华).P r o g r e s s i nt o x i ce f f e c t so fa t m o s p h e r i c p a r t i c u l a t em a t t e r .犑.犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀.犗 犮 犮 狌 狆.( 环 境 与 职 业 医 学) ,2 0 0 3,2 0(3) 2 4 6 2 4 8 [2] W e iF e n g( 魏 凤 ) ,Z h a n g J u n y i n g( 张 军 营 ) ,W a n g C h u n m e i( 王春梅) ,Z h e n gC h u g u a n g( 郑楚光).R e v i e wo f s u b m i c r o n p a r t i c l e s a g g l o m e r a t i o n i n c o a l c o m b u s t i o n p r o c e s s .犆 狅 犪 犾犆 狅 狀 狏 犲 狉 狊 犻 狅 狀( 煤 炭 转 化 ) ,2 0 0 3,2 6( 3) 2 7 3 1 [3] L i uJ i a n z h o n g,F a nH a i y a n,Z h o uJ u n h u,犲 狋 犪 犾.S t u d i e so n c h a r a c t e r i s t i c s o f s i z e d i s t r i b u t i o n a n d h e a v y c o n t e n t d i s t r i b u t i o n o fs u p e r f i n e p a r t i c l e sf r o m c o a l f i r e d b o i l e r/ / P r o c e e d i n g so ft h eI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nE n e r g ya n d E n v i r o n m e n t .S h a n g h a iS h a n g h a iS c i e n t i f i ca n d T e c h n i c a l P u b l i s h e r s,2 0 0 3,v o l . 21 3 1 0 1 3 1 5 [4] K a u p p H e i k e,M c L a c h l a nM i c h a e l S . D i s t r i b u t i o n o f p o l y c h l o r i n a t e dd i b e n z o 狆 d i o x i n s a n dd i b e n z o f u r a n s(P C D D/ F s)a n dp o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s(P AH s)w i t h i n t h ef u l ls i z er a n g eo fa t m o s p h e r i cp a r t i c l e s .犃 狋 犿 狅 狊 狆 犺 犲 狉 犻 犮 犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋,2 0 0 0,3 4(1) 7 3 8 3 [5] L i uJ i a n z h o n g( 刘 建 忠 ) ,F a n H a i y a n( 范 海 燕 ) ,Z h o u J u n h u(周 俊 虎 ) ,犲 狋犪 犾. E x p e r i m e n t a l s t u d i e s o n t h e e m i s s i o n o f PM 1 0 a n d PM 2 . 5 f r o m c o a l f i r e d b o i l e r . 犘 狉 狅 犮 犲 犲 犱 犻 狀 犵狅 犳狋 犺 犲犆 犛 犈 犈( 中国电机工程学报) ,2 0 0 3,2 3 (1) 1 4 3 1 4 9 [6] Z h e n gC h u g u a n g( 郑楚光) ,X uM i n g h o u( 徐明厚) ,Z h a n g J u n y i n g( 张军 营) ,犲 狋犪 犾. E m i s s i o n sa n dC o n t r o lo fT r a c e E l e m e n t s f r o m C o a lC o m b u s t i o n( 燃 煤 微 量 元 素 排 放 与 控 制).Wu h a nH u b e iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yP r e s s,2 0 0 2 [7] L i uX i a o w e i( 刘小伟) ,X u M i n g h o u( 徐明厚) ,Y uD u n x i ( 于敦喜) ,犲 狋 犪 犾.C o a lm i n e r a l t r a n s f o r m a t i o no ne m i s s i o no f p a r t i c u l a t em a t t e r sd u r i n gc o a lc o m b u s t i o n .犘 狉 狅 犮 犲 犲 犱 犻 狀 犵 狊狅 犳 狋 犺 犲犆 犛 犈 犈( 中国电机工程学报) ,2 0 0 5,2 5(2 2) 1 0 4 1 0 8 [8] W a y n eSS e a m e s . A ni n i t i a ls t u d yo ft h ef i n ef r a g m e n t a t i o n f l y a s h p a r t i c l e m o d e g e n e r a t e d d u r i n g p u l v e r i z e d c o a l c o m b u s t i o n.犉 狌 犲 犾犘 狉 狅 犮 犲 狊 狊 犻 狀 犵 犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔,2 0 0 3,8 1(2) 1 0 9 1 2 5 [9] L o c k w o o dFC,Y o u s i f S.Am o d e l f o r t h ep a r t i c u l a t em a t t e r e n r i c h m e n t w i t h t o x i c m e t a l si n s o l i df u e lf l a m e s .犉 狌 犲 犾 犘 狉 狅 犮 犲 狊 狊 犻 狀 犵犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔,2 0 0 0,6 5/6 6(1) 4 3 9 4 5 7 0892 化 工 学 报 第5 7卷