1、大氣可吸入顆粒物(PMl0)已成為大氣環(huán)境污染的突出問題，日益引起世界各國的高度重視。PM<,10>主要來源之一是電站燃煤鍋爐的排放物。由于燃煤PM<,10>體積小、重量輕、數(shù)量多，采用常規(guī)除塵方法對其脫除難以奏效。本文率先提出采用磁聚并這一方法來脫除燃煤PM<,10>該方法通過外加磁場的作用使顆粒物發(fā)生碰撞聚并長大，便于常規(guī)除塵裝置的直接脫除，從而達到控制燃煤PM<,10>排放的目的。截至到目前為止，關(guān)于燃煤PM<,10>磁聚并的研究

2、，國內(nèi)外還是一個空白。因此，燃煤可吸入顆粒物的磁聚并研究已作為973項目而被啟動。 燃煤PM<,10>微觀形態(tài)和磁特性是研究其聚并的基礎(chǔ)，而當前國內(nèi)外對此沒有任何研究，所以，本文首先系統(tǒng)地研究了燃煤PM<,10>的微觀形態(tài)和磁特性。在此基礎(chǔ)上，作者自行設(shè)計并建立了均勻磁場、均勻磁場添加磁種、梯度磁場、梯度磁場添加磁種4個燃煤PMlo聚并實驗臺，首次對燃煤PM<,10>在這4個聚并裝置中的聚并動力學特性進行了系統(tǒng)的理論與實驗研究。

3、 燃煤PM<,10>微觀形態(tài)和磁特性研究表明，飛灰粒子為球形粒子，由O、Si、Al、Fe、K、Ca、Mg、Na等元素組成，對于不同粒徑的粒子，各種元素相對含量基本接近。隨鍋爐負荷的升高，粒子中Fe<,3>O<,4>含量減小，γ-Fe<,2>O<,3>含量增大，粒子飽和磁化強度減小。上述特性對于煤粉鍋爐比較顯著，而對于循環(huán)流化床鍋爐，其飽和磁化強度隨負荷的升高而減小的幅度較小。同一爐型不同容量的鍋爐，鍋爐容量越大，飛灰粒子中Fe<

4、,3>O<,4>含量越高，γ-Fe<,2>O<,3>含量越低，飛灰粒子飽和磁化強度越高。燃煤PM<,10>粒子的飽和磁化強度與粒子中γ-Fe<,2>O<,3>含量的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)僅為0.764，與粒子中Fe<,3>O<,4>含量相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)可達0.979，與磁性當量鐵含量(5.1 l×Fe<,2>O<,3>+γFe<,2>O<,3>)相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)可達0.985。 均勻磁場中燃煤PM<,10>聚并理論與實驗研

5、究中，提出了用于求解粒子間聚并系數(shù)的二元碰撞聚并模型和用于求解均勻磁場中粒子聚并動力學方程的雙分區(qū)算法，計算了粒子的聚并動力學方程，并與實驗結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明，粒子間聚并系數(shù)隨粒徑的增大而增大。布朗力對小粒徑粒子有一定的聚并加強作用，但對于粒徑較大的粒子，可忽略不計。增強外加磁場、提高氣流速度，粒子間聚并系數(shù)增大，當粒子達到飽和磁化后，粒子間聚并系數(shù)保持不變。氣流通道截面上粒子間聚并系數(shù)存在明顯差異，隨徑向距離的增大而增大，在通道

6、邊壁處，大幅減小。增強外加磁場強度、增大粒子總質(zhì)量濃度、提高氣流速度、延長粒子在磁場中的停留時間，均可提高粒子的分級聚并效率和總聚并效率，與此同時，粒子的數(shù)目中位直徑減小，當粒子達到飽和磁化后，繼續(xù)增強外磁場強度，粒子的聚并效率和數(shù)目中位直徑不再變化。對于幾何尺寸一定的磁場，提高氣流速度會減小粒子在磁場中的最大停留時間，從而減弱粒子的聚并，因而當粒子有效行程一定時，提高氣流速度會減小粒子聚并效率，而粒子數(shù)目中位直徑相應增大。不同粒徑粒子

7、的分級聚并效率不同，中間粒徑粒子的分級聚并效率高于小粒子和大粒子的分級聚并效率，隨總聚并效率的提高，分級效率最大值對應的粒徑減小，向小粒子方向偏移，這與飛灰粒子數(shù)目中位直徑的減小相對應。理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果相一致。對達旗電廠燃煤飛灰粒子在較高質(zhì)量濃度下的模型預測結(jié)果表明，在粒子總質(zhì)量濃度為30g/m<'3>時，總聚并效率為50％，粒子數(shù)目中位直徑為0.093μm。 均勻磁場中燃煤PM<,10>添加磁種聚并理論與實驗研究中，提出

8、了三組元雙分區(qū)算法求解燃煤PM<,10>磁種聚并動力學方程組，計算了飛灰粒子磁種聚并動力學過程，并與實驗結(jié)果進行了比較。對比添加磁種與不添加磁種條件下粒子間聚并系數(shù)，結(jié)果表明，磁種與飛灰粒子間聚并系數(shù)遠高于飛灰粒子間聚并系數(shù)，同一粒徑的磁種粒子與不同粒徑的飛灰粒子間聚并系數(shù)差異較小，不同粒徑的磁種粒子與飛灰粒子的聚并系數(shù)不同，磁種粒徑越大，聚并系數(shù)越大。盡管均勻磁場中燃煤PM<,10>添加磁種與不添加磁種兩種情況下粒子聚并動力學特征相類

9、似，但添加磁種可大幅提高粒子的聚并效率。對比添加磁種與不添加磁種兩種情況下飛灰粒子的聚并，添加磁種情況下飛灰粒子的聚并效率明顯高于不添加磁種情況，其中對小粒子聚并的增強效果更為明顯，且磁種粒子磁性越強，磁種對飛灰粒子聚并的增強作用越大。增大磁種添加量可提高飛灰粒子聚并效率，粒子數(shù)目中位直徑相應地增大。理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合。模型預測結(jié)果表明，在粒子總質(zhì)量濃度為30g/m<'3>時，達旗電廠飛灰粒子的總聚并效率可達80％，粒子數(shù)目中

10、位直徑為0.100μm。梯度磁場中燃煤PM<,10>聚并理論與實驗研究中，提出了求解梯度磁場中粒子聚并動力學方程的三分區(qū)算法，采用該算法求解了飛灰粒子在梯度磁場中的聚并動力學方程，并與實驗結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明，梯度磁場中飛灰粒子聚并動力學特征與均勻磁場中粒子的聚并類似，但相同條件下梯度磁場中飛灰粒子的聚并效率要高于均勻磁場添加磁種。模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果相一致。對較高質(zhì)量濃度下達旗飛灰粒子聚并的模型預測表明，質(zhì)量濃度為30g/m<'

11、3>時，飛灰粒子的總聚并效率可達87％，粒子數(shù)目中位直徑為0.079μm。 梯度磁場中燃煤PM<,10>磁種聚并理論與實驗研究中，提出了三組元三分區(qū)算法，以此來求解梯度磁場中燃煤PM<,10>磁種聚并動力學方程組，同時與實驗結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明，添加磁種后，隨粒徑的增大，粒子分級聚并效率先減小后增大，而后再次減小；隨總聚并效率的提高，中間粒徑分級效率最大值對應的粒徑以及粒子的數(shù)目中位直徑增大。模型理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合

12、。模型預測結(jié)果表明，在粒子總質(zhì)量濃度為30g/m<'3>時，達旗電廠燃煤飛灰粒子的總聚并效率可達94％，粒子數(shù)目中位直徑為0.184μm。 對比本文提出的燃煤可吸入顆粒物的4種聚并方法，以梯度磁場中添加磁種為最優(yōu)，主要優(yōu)點為：對人體危害最大的小粒子聚并效率較高，粒子的總聚并效率也保持在較高水平，且隨著粒子的聚并，0.023μm～9.3μm粒徑范圍內(nèi)飛灰粒子數(shù)目中位直徑增大，使該粒徑范圍內(nèi)未聚并長大到粒徑大于9.314μm的粒子向