燃煤PM2.5在过饱和水汽中核化机理和水汽竞争作用机制的研究

Using water-vapor phase transformation to promote fine particles grow up is one of the effective and economic pretreatment measures for improving the removal of PM2.5 with the conventional dedusting equipments. In this project the PM2.5 coming from coal-fired power plant boilers is to be as the research object. Using the ESEM platform, with a single particle as an object, researching embryos formation and growth characteristics, the factors and law of affecting the formation of embryos, the mechamism of the embryos formation, and numerical model of the nucleation; with particle group as the object, researching the conditions for the water-vapor competition generation, the law and mechanism of the water-vapor competition effects on the formation and growth of the embryos,and the numerical model of the nucleation. Using the growth tube platform, researching the condition of competition between water and vapor in flowed gas; the characteristics of particle growth in the presence of water-vapor competition; the relationship between the characteristics and the particle properties and concentration, the degree of supersaturation, or the flow state of gas; the growth dynamics of the particle group;, the numerical simulation of growth process; the effect of wetting agent on water-vapor competition. Through the study it is expected to obtain the nucleation mechanism of coal fine particulate matter and the water-vapor competition mechanism for the particle nucleation and growth, and realizing more effective prediction to the growth process.

采用水汽相变促进细颗粒长大是提高常规除尘设备脱除PM2.5的有效且经济的预处理措施之一。本项目以燃煤电站锅炉排放的PM2.5为研究对象，利用ESEM平台，以单颗为对象，研究晶胚形成及生长特征，研究影响晶胚形成的因素及影响规律，研究晶胚形成机制和核化过程数学模型；以颗粒群为对象，研究水汽竞争发生的条件，研究水汽竞争对晶胚形成及生长影响的规律和作用机制，研究群颗粒核化过程数值模型。采用生长管平台，研究流动气流中水汽竞争发生的条件，研究存在水汽竞争时颗粒长大的特征及其与颗粒性质、浓度、过饱和度、流动状态等的关系，研究润湿剂对水汽竞争作用的影响，研究颗粒群长大过程动力学模型和数值预测。通过本项目的研究可望获得燃煤细颗粒物核化的机理和颗粒核化及生长过程中水汽竞争作用的机制，实现长大过程更有效的预测。

水汽凝结预处理技术过程简单，颗粒长大效果明显，是极具应用前景的燃煤PM2.5控制预处理技术。项目主要围绕细颗粒水汽凝结长大的两个关键科学问题核化机理和水汽竞争机制展开了研究：. 提出了核化过程可视化研究的方法，初步确定了单细颗粒和颗粒群在过饱和水汽条件下的核化模型。研究结果加深了对微观条件下水汽在微米级细颗粒表面核化凝结机理的理解和认识；. 针对影响核化的关键因素之一过饱和度，研究了过饱和场的构建方式以及主要参数对过饱和场特征的影响，获得了两种典型构建方式下生长管中过饱和环境的特征。研究结果为过饱和系统的构建提供了理论依据；.创新地设计了直接测量细颗粒核化凝结长大后粒径分布的实验平台，研究了不同源细颗粒在水汽条件下的长大特性，明确了影响颗粒长大的主要因素；. 从过饱和场的数值计算和颗粒长大实验两个方面研究了水汽竞争对颗粒长大的影响。结果表明，水汽竞争会导致生长管中的过饱和水平下降；细颗粒小于0.1µm时，水汽竞争对小粒径段细颗粒长大影响非常大；. 研究了润湿剂Tween20对颗粒长大特性的影响，发现润湿剂浓度并非越高越好。实际应用润湿剂时需要结合除尘器的脱除特性并考虑润湿剂浓度与颗粒的物性、颗粒群之间水汽竞争；. 基于建立的液滴在单个燃煤细颗粒表面的长大动力学模型，讨论了颗粒直径、蒸汽温度、液滴粒径、颗粒润湿性能对液滴在细颗粒表面长大的影响。研究结果加深了对颗粒核化过程的认识；. 建立了颗粒在水汽环境中长大的动力学模型，研究了过饱和水平、初始粒径、颗粒润湿性、颗粒数量浓度、气流速度等对颗粒最终长大粒径影响。研究结果加深了对水汽竞争和颗粒润湿性影响的认识；. 提出了烟气回流耦合水汽相变促进细颗粒长大的方法，研究结果表明，在最佳的实验条件下，初始平均粒径为0.130 µm的细颗粒平均粒径可以长大至6.156 µm，显示出该技术良好的应用前景。