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1、第 ? 卷第 ? 期 ! !年# 月 日 环境科学研究 % 卜的 控制 途 径提供必要 的依据 一了一 一卫 ? 一 、 月 舀 研 究 燃烧过程 中烟 尘 的生成 机理 , 通过 改湃燃 烧 来控 制烟尘 , 是 一 条 积极 有 效的技 术途 径 , 是关 系 到 竹约能 源 与环 境 保护的 币 人0果题日前我国正 处于经 济 发展时期 , 一 方 而是能 源 、 交通事业 发展势头 迅 猛 , 另 一 方3颐是 环 保 法 制建设日趋 完 善 , 各地 对烟尘 排 放的控 制 越来越严不仅有 大 鼠的炉窑 需 要改造 , 各种 汽 车 、 柴油机及灶具等的高性 能化 亦被 提 到议事日
2、程上来)鉴,这 种需 要 , 本文综合近 年的 一 些 研 究成 果 , 系统= 2 ., 这 种烟尘是气 体燃 料 , 或 者液体和3 体 燃 料燃烧 过程 中放 出的气 体可燃物 , 在空 气 小足的 条 件卜热分解后生 成 的 细 小 球形粒 ) 粒径约 6 能 一 6 肠尸1 , 亦 称 炭 黑由 于单个 粒户的 粒径 很 小 , 表面积 很人 , 往 衬 由多 个 粒千 凝集 形成疏松 的链团 , 外观呈质 地 很轻 的黑 色 絮状物 6 剩余型烟尘 芝0 )、 ?; ;尸1 , 其中大颗粒 较少为表而光 滑致 密的多 孔 球形粒) , 故 亦 称空 心微 珠 ; 8 92 是固体
3、燃 料 中的灰 分及术完 个燃 烧 物 中 的细 小 颗粒所 形成的匕灰; , 3 ( 粒径 大多 在 ?一; ; ,亏 哆外 , 还 有剩余型烧 汽油 、 煤油等轻 质 液体 燃 料 生成的烟 尘仁要是气 相 析出 型 的 烧币油 、 渣 油之 类币质液体 燃 料生成的 烟尘中 6 剩 余型烟 尘所 占比率就比较人了烧 固体 燃料 时 , 除有气 相析 出型和剩 余型烟尘 外 , 还 有大鼠匕灰 , 其烟尘 士 作 放 斌往 了0 一 比烧 气 体 或液 体燃料 多得 多 , 相井可达下倍之多 第 ? 期程紫润 烟 尘的生成 与燃烧 关 于气相 析 出型 烟 尘 生成机理的理论假 说很多 ,
4、 可 用图 3 归纳 之 。 由于燃烧所经历 的物理化学 变 化 过程 极 为 复 杂 , 至今 尚有许 多不 明点 , 燃 料 种类 、 燃烧方式和燃烧条件 又各有所 异 , 所以很 难 一概而论地说那一 种 理 论是最正 确 的 。 物理 的 化学的 不不不不不不不不不不不安定 大分 子说说 核核的表面 反应说说说说说说说说说说说说说说说说 中间体说 说说有机化合物 重合合 , 源子 子子子子缩合假说说 团团说说说说说说说说说说说说说说说说说说 不不不不不不不不不饱和烃乙 乙乙 碳氢化合物烯烯 芳芳香族族族炔中间体说说说类原 子 团中间间 ; ; ;8 体 说说 中中间体说说说说说说说说说
5、说说说说说说说说 图 烟尘 的生化机理 根 据 混合工 况不同 , 气体燃料的燃烧分 为 两类 ; 预 混合燃烧 , 燃料 与 空气在 着 火前已预 先混合好了 ;扩散燃烧 , 燃料 从燃烧器 喷 出后 再边 混合边燃烧 。 它们 的燃 烧过 程不同 。 例 如甲烷的扩散燃烧 , 即使 在 供氧 充足的条件下也会有如 下热分解反应 ? 一? 即存在碳氢化合物热分解产 生炭黑的 反应 。 预混合燃烧则不同 , 在氧气充 足 的情况 下 , 其燃烧反 应式如下 ? 一一 = 氧气不足 , 不 能完 全燃烧时亦 不 产 生 炭 黑 , 其燃烧反 应 式 ? 一? 甲醛可以进一步分解 一? 所产生 的
6、和 还可 以进一步燃烧 。 显 然 , 采用 预混合燃烧 对防止燃料热分解产 生 炭 黑 是有利 的 。 剩 余型烟 尘 的形 成 , 首先是被加热的油 滴表面蒸发 、 热分解产生气体着火燃烧 , 进 而 油滴内部热分解加剧 , 压 力升高喷出油气 成 分 , 余 下 的干 固物 变成多孔 空 心球 , 或进 一步变成焦碳 。 剩余型 烟 尘就是空 心球与焦 碳呈表面燃烧后剩余物 。 固体燃料含有较多灰分 , 燃烧后 部 份成 为炉 渣 , 另一 部份随烟气排出变为飞灰 。 飞 灰排放量 因煤质与燃烧设备而异 , 波 动很大 。 对 一定型式的燃烧设 备 , 灰 分变成飞灰 的份 额基 本 相
7、 同 6 如煤粉炉为# 一! , 火 床 炉 约 为 一 ; 。 燃烧设备确定后 , 排尘浓度 基 本 上取决于燃料的含灰 量 , 可用 下 式估 算 !? 8 式中 , 8 一 6 一 ?煤 的灰 分 ; 烟气的含尘浓度 ;1: 1 “ 高温时 , 灰中的重 金 属成份 , 如汞 、 钾 、 钠 、 钒 、 铬 、 镍 、 铁 、 铜 、 锌等 , 会蒸发 , 而 后凝结成 难 于捕集的微粒 , 酿成对大气的 重金属污染 。 大 于 产1 属降尘 , 采用一般除 尘 器就 能将它 们捕 集下来 。 小于 产1 的 谓 飘 尘 , 需用 中高效除尘设备净化 。 小于 ?产1 , 特别 是 3产
8、1 以下 的亚微粒 子 , 其危害比大粒径的 严 重 得多 , 除 尘难度亦 较 大 , 应力求通 过 改 善燃烧来控 制 。 三 、 烟尘生成的影响因素 燃烧过 程中 , 影 响 烟尘生成 的 因素比较 复杂 , 随燃烧方式不同亦有差 异 。 本文 主要 以液体及气体燃料的 预混合燃烧 、 扩散燃烧 、 喷 雾燃烧及单一 液滴燃烧为考察对象 , 分析 燃料特性 、 压力 、 温度 、 氧气浓度及紊流 混 合等 因素的影 响 。 ;一 燃料特性的影晌 燃料特性不同排烟 量有显著差 异 。 经 大 量实验考察 , 不论是预混合燃烧还是扩散燃 烧 , 共 同倾向是 , 随燃料分子增大 , 分 子
9、中 碳原子数增 多 , 燃料分 子中碳原 子 的结合能 增高排出烟尘量也增 加 。 以液体燃料 , 在 相 同 的空气动 力 条件下 环 境 科 学研 究 ;%4 第 ? 卷 力低 到 一 定程 度 , 烟尘 量呈 趋 向于零 的 势 态 图 ? 是戊烷的液滴燃烧实 验结 果 , 实验 压 力 范 围高 压 侧 为 3一? ( ;一?;(21 , 低 压侧 的 最 低压力做到 一 ; +11 水 柱 二 ?叹 巨 ? 催酬分钊裂 做对比试验 。 发现燃 料 性质 中 , 对烟 尘 生成 量影响 最显著的 是燃料 组 成 的碳氢比 !# 及沸 点 大 。 考 克尔 %飞 。 排 出 烟 尘 浓
10、度 与燃料 的 + %,数见图 记记 少少少一一一一 ) 一一 一 5 5 5 5 5 5 5 55 口5目州 5 ? 口 5 ?一 一 【 左左左左左 6 6 6 戊烷 一 空气气气 刀刀刀. 嫩嫩嫩“. 5 2 周围压力户 少 侧谈 川 州四 装 燃烧液滴 数 单 一液滴 质 量 图 : 压力对烟尘生 成量的 影响 召万, 图 烟尘浓度 与燃料方人冬 数的关系 二 压 力的影响 分 别对扩散焰 、 单一悬滴焰 、 喷 雾燃烧 与预混合燃烧焰作增 压燃烧实验 。 测定其烟 尘排出量 , 可以看 到烟 尘量均有随 压 力升 高 而增加 的 倾 向 。 在 低 压时 , 排出烟 尘 量随压 力降
11、 低 而 减少的 趋势 尤 为明显 。 负压 时 , 压 烟 尘生 成 量随压 力升 高 而增加这一现 象 的理论解释 是 随压 力增加 , 可燃 物 质 向火 焰 内的扩散 传 质速 度 增 大 。 这 时虽然燃烧反 应速 度也有所 增 加 , 但 与传 质速 度相比 , 其 相对 增 长 率较 低 , 火焰 内 的 可燃物不 能 完 全 燃 烧 , 致使烟 尘 量增 加 。 另外 , 随压 力的升 高 , 烟 尘的粒 径 如图 所示 , 呈增 大 趋 势 。 三 温度的影响 实 验表明 , 温度对 烟 尘 生成 量 的 影响 , 因燃烧方 式 和燃烧条件不 同而 异 。 喷 雾 液滴燃烧
12、、 扩散燃烧 , 在燃 料 预热 与 初燃阶段 , 温 度 对 烟尘 生 成 量 没有明 显 的 影响 。 继 续 升高温 度 , 烟 尘 量 很 快随 温 度升 高而增加 。 但 越 过某一温度 后 , 烟 尘 生成 量 第 ? 期程 紫润 烟 尘 的生 成 与燃烧 一温度 进 入高温区后 , 烟 尘 生 成 量 反而 有 随 温度 升高而 增加的趋 势 。 即 , 对预 混合燃烧 存在 一 个 烟 尘生 成 量 最 少 的最佳燃烧温度 ;参见表 。 ;四 氧气浓度的影响 分 别 用 一7 及 一 两 种 混合气 体作助燃 气体 , 做 甲基戊 烷的液 滴燃烧 实 验 , 得 到图 所 示的
13、结 果 。 氧气浓度较低的 ?汉已 镬咧州致钊 厂 一一一 护护 , 基戊。 = = = = = 己 一 空气气气 而 9 ? 7 已 二 甲。一 必 宾钊要 周 围压力 图压力对生成粒 径的 影响 又 急转随温 度 升高而 下 降 。 图 9 是 用苯做 液 滴燃烧实验 的 结果 。 这种现象的理论解释 是 在低 温燃烧阶段 , 随温度 升高燃料 的热分解 加剧 , 但此 时燃 烧反应速 度 较低 , 不 能 完全 燃烧 , 致 使烟 尘量增加 6 进 入高温区后 , 由 于燃烧速 度增加 较快 , 燃烧趋 向完 全 , 烟 尘 生 成 量随温 度升高迅速 下 降 。 其 中有 一 个烟 尘
14、 生 成量 为极 大值的 最 不 利温度 。 液液液 滴嫩烧烧甲基戊烷 7 7 7 , , , 广广 . 5 %4 第 ? 卷 3 3 3 两两两 了了了 一 散燃曾曾丢 丢丢丢 拼拼拼拼拼拼拼 尹尹 塔 丙丙大 阶 众众群 一一 一 子门 , 油尹尹尹尹尹 烧 。 此 时 , 氧气 浓度越高 , 烟 尘 排出 量 下降 的趋 势 亦 更为 明 显 。 相 反 , 在氧气浓 度较低 时 , 烟尘 生成 量将随温度升高而 增加 此 时 , 提高氧 气 浓度 , 所得的 实验 曲线 向上移 , 即 烟尘 生 成量有所 增 加 , 但 其随 温 度增 长的 趋 势 变得 平 缓起 来 。 氧气 浓
15、度在 一 左右 时 , 温 度 变化 对 烟尘 生 成量影 响 不大 潜 沈 加 三 二 洲娜缪书军 袱并 燮婆州引 混合氧气量 理论 空气量 图 了 氧气浓度影响 预 混 合燃烧情况则不 相同 , 由预 混合燃 烧实验 可以看到 , 其 烟尘 生 成 量是随氧气 浓 度 增加 而 减少的 。 图 是 用乙烯做 预 混合 燃 烧的实 验结果 , 其烟 尘 生成 量 随氧气浓度 增 加 而 直线 下降 。 这 是 因为预 混 合燃 烧 在燃 烧 前就将燃料与 氧 气混 合好了 , 在氧气充 足 的 条 件下 , 可以完 全燃烧 。 显然 , 采 用预 混合 燃烧 对控制烟 尘 是 有利 的 。
16、5 5 5 5 5 5 5 = = = 液液 滴燃烧烧烧 苯苯 7 7 7 7 7 氧气浓度度 液液滴直径 乏乏乏 卜 ,。 5 。、 一一 。 ,、 每每每每 = = = 几几洲 尸尸尸、 5 9 心心心心7 7 7 气气奋滋滋滋 , / / / 又又又 卜 9 9 9 9 】99 烟气温度 飞 图 ; 氧气浓度与温度的影响 饭饭 口口乙烯预 很 很3 3 3 、 5 5 5 合燃烧烧 7 7 7 7 7 7 7 7 7 之之之 一一一 一又 又弋 弋 五 气流速度 与紊流度的影 响 扩 散燃烧 , 或 者喷 雾 燃烧与液 滴燃烧 , 减少烟 尘 生 成量 的重要条件之 一 , 是 要改善
17、燃 料 一与空 气的 混合 。 为此 必须 有适 当的气流 速度 与 紊流 度 。 从乙炔 的扩 散 燃烧实验 来 看 , 烟尘生成量 随气流 速度和紊流 度的提高而减 少 参见 图与图 。 落 比 、 比已 酬洲袅曰 军 预混 合空气量 理 论空气量 等卫不洲缪 图 氧气浓度的影响 综合研究 中低温燃烧时 飞 , 温度 与氧气浓 度 对 烟尘 生 成 量的影 响 。 用 苯 进行 液 滴 实验 , 分 别 在七 种 氧气 浓 度 一1观 测 烟尘 生 成 量 与温 度变化 的关 系 , 得到图 ; 的 实验 结 果 。 实验 表 明 , 氧气浓度 较高时 , 烟 尘生 成 量随温度升高而 减
18、少 。 这 是 由于在供 氧充足的条件下 , 温 度 升高 促进 了 完 全 燃 伙伙伙 咄咄咄咄从从 空气流速 2 图 空气流速影 响 第 ? 期 程 紫 润 烟 尘 的生 成 与燃烧 2 2 2 2 2 2 2 一一一一一一一扩散燃烧 乙炔 卜卜 喷咀径 6 玉1 1 1 1 空空空气流速 6 1 傲傲傲 了了 卜卜叫之公公 ? 、气气、 , 争争 6 1 6 艺门门) 艺护?一 一一 设 喷 雾粒径为 _ , 残炭粒径 为 , , 液 滴燃烧速 度 为胧 , 残留干固物的燃烧速度 为 无 , 。是雾化 粒子 的炭化率 , 是 燃烧 停留 一 一 时 间 , 则有如 下 关 系式 , ;
19、了 、 其中 , 二 。 、 十左 。 产双 歼禹杯笼剖粤 : 紊流度亡 图 紊流度的影响 注 亡二 丫 况 汀 脉动风速 况 平 均风 速 若残 留干 固物完全燃烧 , 则 , . , 此 时燃料 的喷 雾粒径 6 .% 丫( , 为控制剩余 型烟 尘 , 喷 雾 粒 径不应 大于 ?闷 比 任 创说餐 不 液体燃料 的 喷雾燃烧 , 雾化粒径的 大小 及 雾滴分布的均匀性都 与气 流 速度及旋流 强 度有关 。 图论是油雾化燃烧的实验结 果 。 由 图 可以看出 , 存在一个 最 佳 的 的旋流 强度 图 中 0 二。 5 时 为最佳工 况 。 旋流强度过 小 , 燃 料与空气不能均匀 混
20、 合 6 过 大 , 将使油 滴 与 空气 分 离 , 烟尘生 成 量也 会急速增 加 。 过 复空气油雾化燃烧 一一一一一一一一一 一一 、 一 5“匕羚羚 / / / = = = 、不。 汀 8 7 7 7 矛矛 飞飞飞飞 、 77 7 7 、 、 议议 , 幸幸 5 5 5 5 5 5 5 5 5 、 5 尹尹尹 一一报竟上 上 肠肠 了/ / / 切切向速度度度 / / / 7 7 77 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 、, , , 心心心 秘 垫垫垫汉件 量空” 。, 入入入 ”、 一一一一州 州 7 7 7 气气气 乙乙 二 八 = = =
21、= =7 7 7 7 7 7 7 图玲 惰性气体的影响 ?欲 并书 不洲婆 握翻令歼稼 ? 吕 切已 侧经翻轶 5 5 5 七 添加剂 的影 响 如图 ? , 惰性气体有抑 制烟 尘 生成 的 作 用 = 、 、 7 、 碱金属盐类 气溶 胶及乙醇等 含氧 化合物也有抑 制烟 尘 生成 的作 用 。 卤族 化 合物有促进烟尘生成 的 作 用 。 氮作为情性 气 体 亦有抑 制烟 尘的作 用 , 但 高温时 却有 促 进烟尘生 成 的作用 。 气 体燃 料 渗 水蒸 汽或 喷 水燃 烧 , 有减少 烟尘 的 作 用 。 油加氢 燃烧 , 可以减少 烟 尘 , 但添加 不 当亦会 出现相反的结果
22、油渗 水调制 成乳 化油 , 或 使用表面活性 剂 , 均有 改善燃 烧 和 减少烟 尘 的 作用 。 图拼 是 向重 油 中添加碱土金属 阴离 子表面 活性剂 作燃 烧实验 的结 果 , 可以看 到有明显的抑 制 烟 尘 生成的效 果 。 烟 尘 排 出量 是 随添加 剂 添 加量 增加 而减少 的 , 但添 加 量大到一定程度 后 , 其 变 化速 度 变得平缓 。 金属盐 及 碱土 金属添 加剂 , 在燃烧反应 过程 中具有 催化 作 用 , 能促 使 燃 料 水煤气化 , 有使 燃料 表 面张 力降低 , 使雾 化 粒径变 细 的 作用 。 燃料 加 水 或蒸 汽 , 含 水 油滴在水
23、分蒸 发时可进一步雾 化变细 , 并 有利 于混合 , 从 表 烟尘生成率 ;% 的变化趋势 预混合 燃烧 扩散 燃 烧液滴燃烧 喷 雾燃 烧 燃料 的 碳原于 数人 匕一 从3、 戈 尸 63 ,; ,# 。 森 康 夫弓 , 日技术资料 , 嫩烧忆伴今环境污 染物质 刃举动 , ; !# 。 + 一! , 6 ? (3 , 6 ( . 4 9: 0 (1( , 6 , = 6 . 2 9 ! 6 # , ! 6 川口弓 , 日中部电力研 究资料 , 第 # !# 。 ; ! #! 6 # 6 # 收稿 + ) 1 ( 20+ . (. 3(1 口儿: 八公儿 儿切召) 03 , 八公.尸.列 8 2)( & 2 0 _(_&) 0 & 22&_)0.&0_3& +, +2_)+9& 0. _ )+ & & + , & +1 920+ . (.(.(3 & 2& ,( 2+ ) 2(22& 0.,39 &.& & + , +2 ,+ ) 1 (20+ . 6 (2 ,+ ) _ )+ / 0 & . & & & () ( & ,+ ) ) +0.: 0.2+ 1 & ( .+ , +2 &+. 2) +3 6