流化床增压富氧条件下生物质与煤混燃细颗粒物生成、排放与沉积特性研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

1 引言

根据背景分析可知，生物质、煤燃烧生成的细颗粒物一方面对大气环境以及人类健康有很大影响，另一方面沉积在尾部对流换热面上将会减少受热面换热量影响机组效率并影响锅炉安全运行。在流化床增压富氧条件下开展关于生物质、煤燃烧颗粒物的生成、排放以及沉积特性的研究几乎是空白。因此在这种背景下，开展对生物质、煤燃烧过程中颗粒物的排放及沉积特性具有重大意义，为燃煤电厂PM_2.5的控制排放和锅炉积灰结渣问题的解决提供了一定的初步理论基础和技术支持。

2 国内外研究现状

2.1 生物质/煤燃烧颗粒物生成、排放特性研究

当前关于颗粒物生成、排放特性的研究主要在常压条件下沉降炉上开展。Zeng等²⁷在沉降炉上对逐级提取的准东煤开展颗粒物生成特性实验，发现颗粒PSD呈现典型的双峰分布，水溶性Na对PM₁影响较大，Ca，Mg主要以无规则颗粒影响PM_1-10。Li等²⁶进一步发现低阶煤中富含的水溶态和离子可交换态矿物成分是亚微米颗粒的主要来源，而内在矿物质通过还原反应形成的易挥发亚氧化物/金属单质是高阶烟煤亚微米颗粒的主要来源。Zhao等²⁸发现反应温度直接影响PM₁的生成：温度升高，PM₁生成量下降，粒径减小。Xiao等²⁹在一维沉降炉中探究了亚微米颗粒中的组成成分，发现亚微米颗粒物不仅由在燃烧过程中气化的AAEM元素组成，还有可能掺杂了炭黑。Huang等³⁰利用模型与实验探究了准东煤在燃烧过程中Na在颗粒物中的分布，推测当烟气中Na的含量较高时，可能发生Na自身的均相成核过程。

沉降炉中得出的实验结果虽然丰富，但实验中的燃烧温度也远高于流化床反应器中的燃烧温度，因此在流化床上开展燃煤颗粒物生成、排放特性的研究是有必要的。然而在流化床试验台中进行的颗粒物实验报道相对较少，目前仅Wang等³¹在实验室规模的流化床中，研究了烟煤在空气和富氧气氛下的颗粒物特性，认为氧浓度的提高对PM₁₀的排放有促进作用。关于循环流化床生成细颗粒物的粒径分布问题，Fei等³²在440 t/h循环流化床锅炉上检测了除尘器前后的细颗粒物，发现颗粒物的PSD呈单峰分布。而Ma等³³在310 t/h循环流化床锅炉中却发现PM₁₀细颗粒物呈现于沉降炉实验结果一致的三模态分布。在Qu等³⁴在带有烟气循环的50 kW_th循环流化床试验台上，研究了烟煤燃烧所生成颗粒物的粒径分布与元素分布特性。然而，这些研究者对颗粒物的微观形貌、元素分布等报道还不够详细，实验也是在常压下进行的。虽然有部分学者在早期曾经利用滴管炉和增压流化床反应器研究压力对燃煤细颗粒物的影响，但这些研究除了模拟研究^35,36之外，大部分的实验研究^37-39由于当时检测仪器的精度不高的原因，无法对PM₁₀以下的细颗粒物进行分级检测与分析，得到的数据结果也不精确，仅有一定的参考价值。Chandrasekaran等⁴⁰揭示了生物质燃料固有元素（如灰分、氮、硫和氯化物）与污染物排放（如PM、 SO_X 和 NO_X）之间的关系。生物质钾盐、氯化物和钠成分的含量较高，超细颗粒的排放量高于煤，阻碍其市场接受度^41-43。Yani等⁴⁴提出通过生物质的烘干去除Cl元素，进而显著降低PM_0.1，Na和K，同时烘干后生物质的热值基本不变。

2.2 生物质/煤燃烧积灰结渣特性研究

生物质具有可再生性，能减排CO₂的优点，目前可供利用开发的资源主要为生物质废弃物，包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工业有机废弃物和城市固体有机垃圾等⁴⁵。农业废弃物如秸秆通常含有高碱性物质和Cl，在燃烧利用过程中会面临受热面积灰、结渣和腐蚀的问题。生物质灰分来源两部分⁴⁶：一是固有灰分，其中Si，K，Na，S，Cl，P，Ca，Mg，Fe 是导致结渣积灰的主要元素；二是加工处理过程中带入的杂质（如砂子、土壤颗粒），这往往是生物质燃料灰分的主要组成部分。Sun等⁴⁷针对积灰初始沉积层形成的两种主要机理即凝结和热泳机理，建立了含 K 成分形成初始沉积层的数学模型，发现初期两种机理都可能占据主导地位，而后期热泳沉积占据主导。Bapat等⁴⁸在研究高碱金属含量生物质在流化床上的燃烧时发现碱金属能够造成流化床燃烧中床料颗粒的严重烧结。而Liu等⁴⁹发现富磷添加剂可以将烟气中的碱金属（主要是钾）和氯元素固定于底灰中并使灰松软不易烧结，减轻碱金属熔融结渣和氯腐蚀。Yin等⁵⁰模拟炉膛气氛实验时发现温度和HCl浓度越高对受热器腐蚀作用越强。

国内外对燃煤的积灰结渣研究已经详尽极致。如Tao等⁵¹发现燃烧过程中Na和Ca析出，最终生成钙铁铝石、斜硅钙石等，积灰结渣随烟气流程有明显变化。Gao等⁵²对Na的行为做了更细致的研究，同时发现富磷添加剂能减轻结渣。Zhou等⁵³用一维炉对陕煤的积灰结渣的厚度及导热系数进行了在线测量，同时考察了炉膛温度和探针表面温度对积灰结渣的影响。