煤在空气和氧气环境下燃烧释放出的烟未燃烧的煤炭及其细小颗粒摘要：本实验用100kW的顶式实验室燃烧器，测试粉煤在空气与氧气下燃烧所排放烟气、未燃烧的煤炭和细小颗粒数目的区别。

在煤粒的紊流燃烧中用CO2代替N2所发挥的潜在作用是很有趣的。

氧煤气焰研究装置中用单程CO2流来模拟除去水分和污物的纯净烟道循环气。

两种煤分别在：a空气，b27% O2/73% CO2和32% O2/68% CO2三种状态下燃烧。

煤干基灰分测试中排放烟气中的O2余量有3%、2%、1%、或0%四种情况。

在每种氧余量下，特定煤样都等速的从辐射区经过，用声光测试仪（PA）分析“黑炭”，用流动离子扫描仪（SMPS）分析细微粒子，用样本燃烧总损失（LOI）分析煤灰中未燃烧的煤炭。

用声光测试仪和流动粒子扫描仪得出的粒子分布状况在数值上是一致的，结果表明在低化学计量比下微小粒子主要由黑炭组成。

并且对于烟煤而言，即使是在火焰温度相同的情况下，氧烟燃烧下产生的“黑炭”或烟气也比在空气燃烧下产生的少。

然而，烟道气在3%氧气剩余情况下，氧焰燃烧剩余的灰分比空气燃烧多，并且其他相关项目只有烟道气少些。

因为火焰温度低，所以煤炭气化的相关问题没有分析。

所有的结果都是在可视设备中测定的。

关键词：氧焰燃烧，烟道气，未燃烧的炭，细小颗粒1.引言为了预测由空气燃烧转变到氧焰燃烧改进后的好处，我们必须预测氧燃烧下热转变和细小颗粒排放状况，这些在污物处理和对流热转换中都起到一定的作用。

热辐射转换不仅和现在主要研究的CO2增加水平有关，并且烟气中的氧含量水平也是个重要的因素。

以前的研究表明在相同的氧气通入量下丙烷在氧气下燃烧比在空气中燃烧产生的废气少。

煤气烟气的产生机理和丙烷的不同，煤燃烧的烟气主要来自煤分界产生的焦油。

氧焰燃烧对焦油产量和烟道气产量的影响到现在还没搞清楚。

从循环流中分离出细小颗粒是很困难的，然而它们在氧焰燃烧中所发挥的作用是也许是很大的。

有关氧焰燃烧对细微颗粒影响的相关文献是很少的。

本实验前提就是要用纯净的单程循环CO2而不是部分清洁的烟道气做实验气。

用这种方法，来研究氧焰燃烧对烟气和细小颗粒的影响。

粉煤燃烧的煤烟可能是由细小颗粒和未燃烧的碳粒组成。

本论文的另一个目的就是探讨煤在不同配比下于气焰燃烧、氧焰燃烧两种情况下烟道气中排放黑炭、细小颗粒聚集和未燃烧碳粒的区别。

2.方法和器材2.1.富氧助燃玻璃熔炉本实验在一个顶式富氧助燃玻璃熔炉中进行自给的单程CO2条件下的氧焰和空气焰的实验。

锅炉的实际数据在下表中列出，说明锅炉对于氧化剂输入的系统化变化足够灵敏，对于模拟粉煤自给的紊流燃烧又是足够的容量，特别是考虑到升温时间和煤颗粒的集中和混合的这一条件下，这种锅炉的就更为适合了。

所有的这些对于模拟粉/粉和气/粉之间的相互作用是很重要的。

本装置是通过设定壁温来点火的，经常设置的恒温是1283K。

通过内部的再循环来保证类型一和类型二涡流火焰的稳定燃烧。

最初的氧化气流是不预热的，后来除了PBR的煤测试实验因为气流比很低预热会引起磁感线圈更热而受到破坏，其他的情况氧化流都被预热到530K。

氧焰燃烧的氧化剂和单程CO2由户外的储备器提供。

2.2 煤燃烧和操作条件用来测试的两种煤就是1.西部烟煤2.西部次烟煤。

其中次烟煤包含超过23%的水分，在未除去水分的湿润状态下放进炉内进行试验。

为了防止高水分引起的支流堵塞，次烟煤必须在低比率下燃烧，因而如同表一列出的那样燃烧器将在较低温度配置下运行。

每种煤都在三种状态下进行了实验。

罗列如下：（1）A：空气燃烧21% O2,79% N2（2）B：氧焰燃烧27% O2 ,3%CO2，与状态一有相同的气体辐射热流（3）C：氧焰燃烧32% O2 ,68% CO2，与状态一有相同的火焰温度三种煤分别在四种不同的化学计量比下进行试验，来模拟氧气在烟道气中的不同体积百分比：即3%O2（比率≈状态1:1.16;状态2:1.12；状态3:1.1。

下文也是这个顺序列出比例），2%O2（SR≈1.1,1.08和1.06）和1%O2（SR≈1.05，1.04和1.03），0%O2（所有的都是SR≈1.0）。

本实验的基本要求就是要固定烟道气中O2体积比，而不是SR比，因为烟气和碳粒主要由焰后区的氧气压力造成的。

所有的样品都从离点火区2.3米的9号出口排出。

煤灰应该避开任何可能发生沉淀的拐角。

对于烟煤，当氧余量固定在3%时样品出口前主要颗粒停留实验分别是2.3s，3s，3.6s。

对于次烟煤分别是4.8s，6.2s，7.1s。

相对于状态二的高氧量，状态三由于停留时间短，在墙壁上的热损失更低，所以在低出口段温度更高。

2.3抽样/分散系统和分析方法在表1中列出了两种收集粉煤数据的方法。

系统（I）用提取和分散样品的方法用声光测试仪（PA）和流动离子扫描仪（SMPS）同时分析烟道气中的黑炭和细微颗粒。

在仪器顶部用一个不锈钢氮水夹套来作为熄火气体使稀释比达到3/1，为防止样品颗粒过多的相互作用。

分离出来的颗粒通过一个喷射孔进一步稀释到50/1~60/1的比例，来防止细小颗粒在进入PA和SMPS分析仪之前过分聚结。

颗粒在炉膛中的停留时间约3秒远远大于在SMPS分析仪中的0.2秒。

二次稀释样品分为相等的两份，分别进行SMPS和PA测试。

之后增加20/1的稀释率在入口处进行额外的颗粒分析实验，结果分析次级颗粒数据和SMPS的数据一致，说明粉尘颗粒的聚沉在入口处已基本停止。

系统（II）；就是要收集燃烧中损失的灰样，来测定在灰中的未燃烧炭。

这些样品不用稀释并且通过水夹带送到过滤器。

上流蒸汽能够使水夹套的水保持气态。

这套仪器没有连用不锈钢稀释入口，而是用了90mm过滤器。

流体由真空泵导入，并由转子流量计控制比例。

在过滤试纸上分析由燃烧过程引起的重量变化。

PA分析仪用1047nm的激光波在细小颗粒周围造成热气氛来进行黑炭（BC）分析。

主要的膨胀气送到声波测试仪中进行测试。

气体被分为6个等级，其密度小于40ng/m3，这样的话气体和原煤的相互作用就可以忽略了。

黑炭应该是由烟组成的，而不是未燃烧的炭。

用SMPS仪器来分析15-615nm细颗粒分布类型。

通常用四台扫描仪来分析在氧焰和空气燃烧的灰分。

HFLOI重量分析仪精确度达到0.1mg。

3.结果3.1 黑炭在表2中列出了烟煤基本数据。

其中有些由于在临界流量控制孔聚集的纳米粒子引起的假峰因该被忽略。

在表3种列出了平均黑炭值。

表2和表3的数据表明在低烟道氧气下氧焰燃烧的黑炭比起空气燃烧下的产率要低。

然而，当烟道气氧余量在3%状态下，状态C和B没有什么区别。

一些SMPS和LOI的分析结果下面给出。

烟煤在氧焰燃烧下的低黑炭数据，不适合次烟煤，由于篇幅限制，这里不再列出。

在SR≈1是，空气燃烧黑炭产量和氧焰接近。

另外，当烟道氧含量较高时，状态B和C黑炭产量接近，都低于高氧气输送量的C状态。

3.2 细小微粒分析在表4列出了细小颗粒分布情况。

表明在氧焰燃烧和空气燃烧是两种颗粒模式。

在SMPS分析仪中氧焰燃烧颗粒剂集中在30nm而空气燃烧颗粒分布在100~615nm左右。

当烟道气中氧含量降低时氧焰微小颗粒减少而气焰恰恰相反。

氧焰燃烧的黑炭可能由会在低氧下分解的硫化物组成，或是由未聚集的烟气组成。

两种烟道气都可用二者的凝聚理论或氧化理论解释。

凝聚理论认为在烟道气氧含量低的时候细小颗粒会增多，这样聚沉的就多，因而在100nm以上的颗粒就更多，这一点在表4列出。

大颗粒增加相应的小颗粒就减小，证明成核和聚结是同等重要的。

氧化理论认为氧化剂会使烟道气中的大颗粒破碎为细小粉末，这样就是第一类粉末数目增加，同时减少了第二类粉末的数量。

不论是氧化剂理论还是聚沉理论，它们都认为烟道气中含有大量的细小颗粒。

然而，数据表明30nm 左右的颗粒不是主要成分。

另外，表格4进一步表明即使在低氧余量下，氧焰燃烧产生的黑炭也比空气燃烧的少。

表4是细小颗粒分析仪的数据，它的分析范围和SMPS分析仪相似，表5列出了细小颗粒的聚沉物数据，就是从15~615nm的细小颗粒。

报表5记录的数据和表3的数据相同，这再次印证了细小颗粒有大量的烟尘组成。

由于30nm的颗粒也占一部分，所以30nm的硫化物也是不能忽略的。

3.3 LOI分析仪烟煤和次烟煤的LOI数据在表6中列出。

需要说明的是因为氧余量为零时的数据不在测量范围，所以未列出。

表6a中烟煤的数据和黑炭的数据差不多，并且燃火时因为氧含量大，损失更小。

状况Ｃ是个例外，到氧余量由2％～3％提升时，点火损失反而上升，这和表３列出的黑炭数据是一致的。

也可以看出，在3％氧余量下，氧焰燃烧的点火损失总比气焰燃烧的大。

表6b列出了次烟煤的点火损失，它的数值远比烟煤的高。

这是因为次烟煤燃烧的温度低，水分高，传热性低引起的。

这里有必要指出，在3％氧余量下，氧焰燃烧总比气焰燃烧的点火损失大。

点火损包括所有的未燃烧炭和烟尘。

因此，如表7列出的那样用PA测试仪进一步矫正是必要的，其结果与单独测烟气和未燃烧的炭数值上联系不大，并且数值更分散。

次烟煤表现的更明显，因为多度的水分和低的燃烧温度。

4 结果和讨论PA和SMPS的数据都表明，在实验条件下燃烧烟煤排放的细小颗粒大部分是可以用声光测试仪观察的黑炭。

随着氧余量的减少，既会引起细小颗粒的聚沉也会让减少烟气氧化剂的聚集。

尽管如此，30nm左右的硫化物和无机物不能被忽略。

表3说明氧焰燃烧比空气燃烧更清洁，排放的烟尘更少。

这和氧焰燃烧会阻止氧分子的分子传播，或者推迟氧化产出产产生的理论是一致的。

这样就引起了煤的低温裂解，进而由煤焦油转变成烟气的量就少了。

这在完全燃烧区更加明显。

因为烟气的氧化主要在于O2比率，所以增加氧气的量就必然引起黑炭数量的减少。

完全燃烧的烟道气来自于低氧区，碳氢化合物在低氧区不会氧化为CO，H2，CO2和H2O，而是碰撞聚集为细小颗粒。

李详细研究了层状火焰燃烧下烟道气与氧含量比率的关系。

在3%的氧余量下，在空气中点火损失的量比在氧焰中的少。

这一结果和马琳与沙丁的理论一致，他们都认为氧焰燃烧会阻滞O2的扩散。

然而氧余量在2%时，状态C的点火损失却更少这是个例外。

然而SMPS和PA的数据却是肯定的，同样黑炭和点火损失的联系却是未定的。

烟煤的烟气和点火损失的联系很少，理论上烟煤的点火损失应该是很低的。

然而对于次烟煤，烟气和黑炭之间的关系还是一致的。

本实验第一次表明了在低化学计量比下，氧焰燃烧排放的烟道气比气焰燃烧的少。

另外，结果表明细小颗粒大多数是由烟道气或黑炭组成。

这些黑炭排放到大气中会产生很大影响，这些微粒对人的身体也有很大影响。