燃煤烟气中气溶胶颗粒形成及长大的机理研究

摘要

随着经济飞速发展，中国能源需求持续增长，燃煤电厂的颗粒物排放问题日益突出。燃煤烟气中的颗粒物分为可过滤颗粒物（飞灰等一次固体颗粒物）和可凝结颗粒物（H2SO4、NOX、NH3、VOCs等气体组分凝结形成的二次颗粒物）。目前已有的燃煤烟气颗粒物控制技术大多针对可过滤颗粒物，对可凝结颗粒物的研究较少。而可凝结颗粒物会在湿法脱硫塔及以后烟道内的高湿烟气中大量生成，难以被传统颗粒物控制技术高效脱除。 为解决这一问题，本文围绕燃煤烟气中颗粒的形成和长大展开研究。通过量子化学和动力学计算相结合的方法，研究了温度、湿度、荷电等因素影响下，烟气颗粒从分子到微粒的多个尺度下的形成及长大规律，获得了高湿烟气气氛中的气溶胶形核速率（单位时间单位体积的烟气气溶胶内新颗粒的生成量）和颗粒长大速率（单位时间内颗粒粒径的增长量）。在此基础上，研究了烟气气溶胶中颗粒长大对颗粒形成的抑制作用。本文结论可用于指导燃煤电厂中烟气二次颗粒控制技术。 第一，研究了烟气中气溶胶颗粒的形成及长大规律。研究发现，在高湿烟气气氛中硫酸分子能够通过凝结周围的水分子形成超过临界半径的气溶胶颗粒并自发长大，而环境温度和水汽过饱和度是影响气溶胶颗粒形成和长大的主要因素。对于气溶胶的形核速率，当水汽过饱和度为1.05，环境温度从50℃增长到100℃时，气溶胶的形核速率增长了5.7倍；当环境温度为50℃，水汽过饱和度从1.00增长到1.04时，气溶胶的形核速率增长了1.2倍。对于气溶胶中颗粒的长大速率，当颗粒粒径为0.5μm，温度为50℃时，将水汽过饱和度从1.001提高到1.003，颗粒的长大速率增长了2倍。当水汽过饱和度为1.005时，将温度从50℃提高到70℃，颗粒的长大速率增长了2.7倍。 第二，以带电的HSO4--H2O体系和中性的H2SO4-H2O体系作对比，研究荷电对气溶胶颗粒形成及长大的影响规律。研究结果表明，在相同条件下，HSO4-比H2SO4更容易结合水分子，使带电分子簇的临界分子数更小，因此带电气溶胶的形核速率更大。在环境温度为50℃、水汽过饱和度为1.05的条件下，带电气溶胶的形核速率是中性气溶胶的3.2倍。而荷电对颗粒长大速率的影响随着颗粒粒径的增加逐渐变得不明显。 第三，研究了烟气气溶胶中，颗粒长大对颗粒形成的抑制作用。一方面，颗粒长大通过吸收环境中的水分子，降低环境中水汽过饱和度的总体水平，抑制气溶胶形核。在降温速率恒定条件下，研究颗粒长大影响下气溶胶的形核规律。发现经过相同的时间，降温速率越大，累积生成的气溶胶颗粒越多。但将烟气冷却到相同的温度，降温速率越大，降温所需时间就越短，累积生成的气溶胶颗粒反而越少。另一方面，颗粒长大通过吸收周围的水分子改变了空间中的水汽分布，使水汽过饱和度从无限远处到颗粒表面逐渐减小，因此，越靠近颗粒的区域内形成新颗粒的难度越大。将颗粒附近形核速率足够小的区域定义为抑制形核发生的区域，该区域的区域半径越大，越有利于抑制二次颗粒的生成。在环境温度为50℃，水汽过饱和度为1.1，颗粒粒径为5nm的初始条件下，研究单一参数对区域半径的影响规律。发现当环境温度从95℃降低到50℃时，区域半径增加到原来的2.6倍。当环境的水汽过饱和度从1.19降低到1.1时，区域半径增加到原来的4.6倍。当气溶胶微粒粒径从5nm增长到15nm时，区域半径增加到原来的1.12倍。

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