燃煤可吸入顆粒物在高梯度磁場(chǎng)中的捕集研究.pdf

1、可吸入顆粒物易附集有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人體都有較大危害。煤的燃燒是可吸入顆粒物污染的重要來(lái)源。由于燃煤可吸入顆粒物體積小、數(shù)目多，常規(guī)的除塵方式對(duì)其缺乏有效控制。在中國(guó)，以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)使得這一問(wèn)題更加突出。根據(jù)燃煤可吸入顆粒物具有一定鐵磁性這一特點(diǎn)，采用高梯度磁分離技術(shù)控制燃煤細(xì)顆粒的排放是一個(gè)有價(jià)值的研究方向，被列為國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(973計(jì)劃)的研究?jī)?nèi)容。 本文首次提出采用高梯度磁場(chǎng)捕集燃煤可吸入顆粒物的方法，在對(duì)

2、大氣可吸入顆粒物特征及燃煤可吸入顆粒物磁特性系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，建立了顆粒捕集動(dòng)力學(xué)模型及高梯度磁場(chǎng)下磁介質(zhì)捕集燃煤可吸入顆粒物的宏觀和微觀實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以理論分析、宏觀和微觀實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，從多方面對(duì)顆粒捕集規(guī)律及機(jī)理進(jìn)行了深入探討，旨在為該技術(shù)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)參考。 首先對(duì)大氣可吸入顆粒物特征和燃煤可吸入顆粒物磁特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)了大氣可吸入顆粒物數(shù)目濃度日變化特征，大氣中PM<,2.5>數(shù)目濃度較高，比表

3、面積大，濕度對(duì)可吸入顆粒物分布特征影響較大；顆粒形態(tài)中球狀實(shí)體顆粒占有較大的數(shù)目份額，絮狀體和簇狀聚集體次之，多孔顆粒和條狀晶體含量較少，通過(guò)SEM-EDX分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這些球狀實(shí)體多為煤燃燒產(chǎn)生。利用VSM對(duì)典型的燃煤可吸入顆粒物樣品進(jìn)行了磁性測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn)燃煤可吸入顆粒物具有鐵磁特性，飽和磁化強(qiáng)度范圍為0.7×10<'3>～4.5×10<'3>A/m；利用XRD對(duì)燃煤可吸入顆粒物中磁性物質(zhì)含量進(jìn)行了測(cè)試分析，γ-Fe<,2>O<,3

4、>和Fe<,3>O<,4>的存在是引起粒子鐵磁特性的主要原因，引入磁性當(dāng)量鐵含量來(lái)表征粒子中磁性物質(zhì)的含量，粒子飽和磁化強(qiáng)度與磁性當(dāng)量鐵含量線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.985。 基于Euler/Lagrange方法建立了高梯度磁場(chǎng)捕集燃煤可吸入顆粒物的動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)、流場(chǎng)的解析，結(jié)合燃煤可吸入顆粒物磁化特性，在考慮磁場(chǎng)梯度力、流體曳力、布朗作用力等情況下，通過(guò)對(duì)顆粒軌跡的計(jì)算，研究了流場(chǎng)、磁場(chǎng)、顆粒磁性、磁介質(zhì)材料以及磁介

5、質(zhì)尺寸等因素對(duì)顆粒軌跡的影響，得到了高梯度磁場(chǎng)捕集燃煤可吸入顆粒物的理論基礎(chǔ)。高梯度磁場(chǎng)下磁介質(zhì)捕集燃煤可吸入顆粒物的過(guò)程中，磁場(chǎng)作用力、流體曳力是主導(dǎo)作用力。磁性較強(qiáng)及粒徑較大的粒子所受磁場(chǎng)作用力較大，其顆粒軌跡變化明顯；隨著粒徑的減小，布朗作用逐漸增強(qiáng)，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡相應(yīng)隨之變化。 在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)自制高梯度磁場(chǎng)捕集燃煤可吸入顆粒物宏觀實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了高梯度磁場(chǎng)下磁介質(zhì)捕集燃煤可吸入顆粒物的宏觀實(shí)驗(yàn)，利用ELPI分析了

6、顆粒濃度變化。分析發(fā)現(xiàn)了顆粒捕集的三個(gè)典型階段；粒徑在1.0μm～3.0μm內(nèi)的顆粒捕集效率相對(duì)較低，其余粒徑顆粒捕集效率相對(duì)較高；磁性較強(qiáng)的樣品，其捕集效率較高；增大顆粒濃度、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度可以有效提高顆粒的捕集效率，在一定行程內(nèi)增大氣體流速則會(huì)導(dǎo)致顆粒捕集效率降低，較高的磁介質(zhì)磁化強(qiáng)度、磁介質(zhì)填充率以及較小的磁介質(zhì)直徑都會(huì)有利于顆粒捕集效率的提高；增大外磁場(chǎng)強(qiáng)度和采用較小直徑的磁介質(zhì)，對(duì)于中間檔粒徑段顆粒捕集效率影響相對(duì)較低，而對(duì)其余

7、粒徑段顆粒影響相對(duì)較為顯著；增大磁介質(zhì)磁化強(qiáng)度對(duì)各級(jí)顆粒捕集效率均有較大提高；增大磁介質(zhì)填充率對(duì)于小粒徑顆粒捕集效率影響相對(duì)較低，而對(duì)大粒徑顆粒捕集效率影響相對(duì)較高；添加磁種后，顆粒捕集效率有明顯增加，粒徑在0.1μm～1μm的顆粒捕集效率增幅高于其余粒徑的顆粒。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，顆粒捕集效率可高達(dá)70.2％。通過(guò)顯微攝像可視化技術(shù)研究了高梯度磁場(chǎng)下燃煤可吸入顆粒物在磁介質(zhì)表面附集狀態(tài)。微觀下燃煤可吸入顆粒物在磁介質(zhì)表面附集狀態(tài)的動(dòng)態(tài)研

8、究，進(jìn)一步揭示了顆粒捕集的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了顆粒捕集過(guò)程中磁介質(zhì)表面顆粒鏈的形成及斷裂的現(xiàn)象。顆粒附集的過(guò)程中，顆粒鏈在不斷的成長(zhǎng)與坍塌，往復(fù)更迭：顆粒的捕集效果主要是由磁介質(zhì)的吸引、在磁介質(zhì)表面形成的顆粒鏈的截留以及流體的夾帶作用控制；顆粒磁性較強(qiáng)的樣品，受磁場(chǎng)作用明顯，顆粒鏈的成長(zhǎng)速度較快；磁介質(zhì)磁性較強(qiáng)及直徑較小時(shí)，對(duì)顆粒鏈的成長(zhǎng)有促進(jìn)作用；顆粒濃度越高，顆粒鏈的成長(zhǎng)速度越快。微觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果與宏觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，并很好的揭示了宏觀實(shí)驗(yàn)所得的