H2O(g)对富氧燃烧超细颗粒物生成特性影响

雷 雨，牛艳青，王亨通，温丽萍，王光耀，惠世恩

(西安交通大学 能源与动力工程学院 动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049)

0 引 言

2019年我国煤炭能源消费占比57.7%，原煤产量同比增加4%，达38.5亿t，“富煤、贫油、少气”的资源禀赋决定了我国的能源结构长期仍以煤炭为主[1]。煤炭燃烧会产生大量SOx、NOx和颗粒物[2-3]等，严重污染环境，对人类健康造成威胁[4]。相比成熟的脱硫脱硝技术，颗粒物尤其是超细颗粒物(空气动力学粒径<0.3 μm[5])的控制面临很多困难[5-6]。超细颗粒物粒径小、比表面积大的特性使其无法被传统除尘设备有效捕集，且极易富集痕量重金属元素[6-7]；超细颗粒物大量排放还会导致雾霾[8]。我国制定了严格的控制标准，规定颗粒物排放质量浓度需低于30 mg/m3，重点地区颗粒物排放质量浓度低于20 mg/m3，超细颗粒物排放低于5 mg/m3(GB 3095—2012),使燃煤电厂在超细颗粒物排放控制方面面临更加严峻的挑战[9-10]。

富氧燃烧因在碳捕集和储存方面的优势而受到广泛关注，但其用CO2替换N2可能引入大量H2O(g)，影响煤焦燃烧特性[11-13]。超细颗粒物由煤中矿物质通过蒸发-冷凝-成核-凝并机理形成，燃烧气氛和燃烧温度对其形成影响显著[14]。水分会导致炉内气氛和燃烧温度改变，进而影响超细颗粒物的生成。一般来说，煤燃烧过程中的H2O(g)主要来自煤中的氢和水分，煤中水分一般不超过10%，但褐煤中的水分可能超过70%[15-16]。此外，烟气再循环作为工业锅炉常用的降低NOx的方法，也会增加炉内H2O(g)量，部分新型燃烧技术中H2O(g)被用于调节火焰温度以降低NOx和SOx排放[17]，因此富氧条件下H2O(g)对超细颗粒物生成特性的研究非常必要。文献[18]研究表明，超细颗粒物形成初期对H2O(g)非常敏感，H2O(g)会促进颗粒物的生成。Xu等[19]通过研究湿富氧气氛下超细颗粒物生成和SiO2的气化特性，证明了H2O(g)促进SiO2的气化和超细颗粒物的生成。文献[20]研究表明，H2O(g)能促进微粒的成核、团聚和凝并，还能增加粒径小于0.1 μm的超细颗粒物的排放量和平均粒径。……