第27卷第17期中国电机工程学报V ol.27 No.17 Jun. 2007 2007年6月Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013 (2007) 17-0011-07 中图分类号：TK228 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40燃煤锅炉可吸入颗粒物排放特性及其形成机理的试验研究高翔鹏1，徐明厚1，姚洪1，韩旭2，李雄浩2，隋建才1，刘小伟1 (1．华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北省武汉市430074；2．武汉凯迪电力环保有限公司，湖北省武汉市430223)Experimental Study on Emission Characteristics and Formation Mechanisms ofPM10 From a Coal-fired BoilerGAO Xiang-peng1, XU Ming-hou1, YAO Hong1, HAN Xu2, LI Xiong-hao2, SUI Jian-cai1, LIU Xiao-wei1(1. State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Sci. & Tech, Wuhan 430074, Hubei Province, China;2. Wuhan Kaidi Electric Power Environmental Protection Co., Ltd ,Wuhan 430223, Hubei Province, China)ABSTRACT: By using low pressure impactor(LPI), fly ash was sampled at the inlet and outlet of dust cleaning equipments in a 50MW and a 300MW utility boiler. The emission characteristics, elemental size distribution, morphology and formation mechanisms of inhalerable particulate matter (PM10) were studied. The results show that PM10 of the two boilers has a similar bimodel distribution, in which the small and large mode are formed at 0.1um and 4.0um respectively; The efficiency of dust cleaning equipments decreases with the ash size decreasing; The elemental size distribution is also bimodal which is similar with the PM10 mass distribution. Mn、Cr、Cu and Zn obvious enrichment in submicron ash. The formation of submicron PM is suggested via vaporization and subsequent condensation of inorganic matter, while the supermicron ash is formed via char fragmentation, excluded mineral fragmentation and included mineral coalescence.KEY WORDS:inhalerable particulate matter; formation mechanisms; fly ash摘要：采用低压撞击器(LPI)对某燃煤电厂的1台50MW和1台300MW燃煤锅炉除尘器前后的飞灰颗粒进行采样，研究可吸入颗粒物(PM10)的排放特性、元素分布特性以及形貌特征，并探讨其形成机理。
研究表明，2台锅炉产生的PM10均呈双峰分布，其峰值分别在0.1µm和4µm左右；2台除基金项目：国家自然科学基金项目(50325621)；国家重点基础研究专项经费项目(2002CB211602)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50325621); Project Supported by Special Fund of the National Priority Basic Research of China (2002CB211602). 尘器的除尘效率随着颗粒粒径的减小而降低，静电除尘器对小颗粒的脱除效率要明显优于文丘里水膜除尘器；PM10中元素的质量粒径也呈双峰分布，元素Mn、Cr、Cu、Zn在亚微米颗粒中有明显的富集趋势；亚微米颗粒可能是通过煤中矿物质的气化–凝结形成的，而超微米颗粒可能是通过煤焦和矿物质的破碎以及内部矿物质的聚合形成的。
关键词：可吸入颗粒物；形成机理；飞灰0 引言煤炭是我国电力的主要来源，燃煤电站在发电的同时，也向大气中排放了大量的可吸入颗粒物(PM10)，据1996年的统计资料显示，全国功率大于6MW的所有燃煤机组向大气中排放的颗粒物总量为 3.97Mt，占各种颗粒物源排放总量(14.4Mt)的28%[1]。
这些颗粒物可以长时间停留在大气中，它们不仅影响气候和空气质量、破坏生态环境，而且严重危害人体健康[2-4]，特别是其中的亚微米颗粒物(PM1.0)，由于其比表面积很大，所以其表面富集了大量有毒的重金属元素(如铅、锑、镉等)，它们很容易通过肺部吸入人体，引起人体神经和呼吸系统的严重疾病。
据研究表明，人类的各种癌症都与之有关[5]。
因此，燃煤过程中可吸入颗粒物特别是亚微米颗粒物的排放特性及其形成机理已经成为当前研究的热点。
早在20世纪80年代，国外学者就进行了这方面的研究，认为煤燃烧过程中形成的颗粒物是以下4种机理联合作用的结果：①内在矿物质的聚结；12 中 国 电 机 工 程 学 报 第27卷②煤焦的破碎；③外在矿物质的破碎；④无机矿物的气化–凝结。
并认为前3种机理主要生成粒径大于1µm 的超微米颗粒物，而第4种机理主要生成粒径小于1µm 的亚微米颗粒物[6-9]。
我国煤粉炉中痕量元素的排放特性有了一定的研究[10]，本课题组关于燃煤过程中矿物质变化、颗粒物的排放特性、焦炭的膨胀特性以及无机元素在颗粒物中的形态与分布等方面也有了大量的积累[11-15]，但是通过低压撞击器(LPI)研究燃煤电站锅炉颗粒物的排放特性和形成机理，国内却鲜有报道。
本文对某热电厂1台50MW 和1台300MW 锅炉机组除尘器入口和出口的飞灰用LPI 采样后，通过对不同粒径飞灰颗粒的质量、成分以及形貌进行分析，研究了燃煤锅炉飞灰中颗粒物的排放特性和形成机理。
1 试验1.1 燃煤特性与试验工况50MW 和300MW 锅炉分别燃用河南烟煤和四川无烟煤，煤的工业分析和元素分析见表1，其灰化学成分分析见表2。
50MW 锅炉是苏联生产的，型号为∏–230–2的单汽包自然循环、固态排渣锅炉，采用轴向可调旋流燃烧器，制粉系统采用中间仓储式热风送粉系统，除尘装置为文丘里水膜式除尘器；300MW 锅炉是型号为HG –1025/18.2–PM7的亚临界压力一次中间再热自然循环、固态排渣汽包炉，燃烧器采用CE 公司的WR 型燃烧器，正四角切圆分布，制粉系统采用中间仓储式热风送粉系统，除尘装置采用四电场静电除尘器。
整个取样过程是在恒定负荷下进行，试验时机组的一些运行参数见表3。
表1 煤的工业分析和元素分析Tab. 1 Proximate analysis and ultimateanalysis of studied coal工业分析/%元素分析/% 锅炉 M ar A ar V ar FC ar C ar H ar N ar S ar 50MW1.4 35.5 21.2 43.3 43.62.3 0.7 2.5 300MW1.150.911.037.940.12.20.72.1表2 煤灰的化学成分Tab. 2 Ash composition %锅炉 SiO 2 Al 2O 3 Fe 2O 3 CaO MgO Na 2O K 2O 50MW 56.7 33.8 3.9 3.9 0.5 1.1 1.0 300MW60.330.43.61.21.11.61.7表3 锅炉运行参数Tab. 3 Operational parameter of boilers锅炉 运行 负荷/MW蒸汽 流量/(t/h) 排烟 温度/℃ 出口 烟温/℃ 出口 氧量/％ 50MW 45 230 178 1090 3.5 300MW25091115010135.41.2 灰样采集飞灰采样位置分别设在除尘器入口和出口烟道，见图1。
试验时除尘器入口和出口各分2次采样。
取样系统主要由取样枪、旋风分离器、低压撞击器及真空泵组成，见图2。
为防止烟气中的水蒸汽在取样系统内凝结，沿取样管路缠绕电加热带，并控制其温度在150℃左右。
为防止水蒸汽在真空泵内冷凝，在真空泵前加冷却瓶冷凝水蒸汽。
在LPI 前面接切割粒径为10µm 的旋风分离器，旋风分离器的主要作用是除掉粒径大于10µm 的颗粒，防止LPI 每级样品质量超重。
飞灰颗粒随着烟气流经取样枪进入旋风分离器，然后进入LPI 并将飞灰颗粒按空气动力学直径大小分成13级，其粒径范围分别为：0~0.0281，0.0281~0.0565，0.0565~0.0944，0.0944~0.154，0.154~0.258， 0.258~0.377，0.377~0.605，0.605~0.936，0.936~1.58， 1.58~2.36，2.36~3.95，3.95~6.6，6.6~9.8µm 。
取样时末级膜片处压力维持在10kPa 左右，真空泵流量为10L/min 。
取样前用皮托管测量烟气流速，然后根据真空泵流量及烟气流速选择取样枪喷嘴，以保证等速取样。
溢流槽联样位置 至大气联样位置 文丘里管烟气脱水器至沉淀池 (a)50MW图1 锅炉飞灰的取样位置Fig. 1 Sample election position of boiler玻璃瓶真空泵旋风分离器烟道LPI图2 取样系统示意图Fig. 2 Schematic diagram of sampling system第17期 高翔鹏等： 燃煤锅炉可吸入颗粒物排放特性及其形成机理的试验研究 131.3 分析方法试验中LPI 内的膜片为有机膜，为了防止颗粒反弹，在有机膜上涂上用四氯化碳稀释后的阿匹松油。