燃烧火焰中初始成核颗粒耦合富集重金属元素的过程及机理研究

燃料燃烧后的亚微米颗粒易富集重金属元素，且该类颗粒逃逸除尘设备的能力较强，是大气环境的重要污染物，一直备受国际能源环境研究领域的高度重视。目前很多研究表明了富集这种现象，但对微细颗粒耦合重金属元素的过程及机理鲜有研究。本项目将克服在燃煤系统火焰中直接采样、在线检测操作性难的弊端，以乙烯为燃料产生稳定火焰，从碳烟粒子初始成核着手，采用非侵入无干扰针孔采样器在火焰外缘不同位置处采样，对采集的核态颗粒进行粒度、组分、形貌结构、光学特性等检测及理化特性分析；此外，在燃料中分别按比例混入汞、砷、硒、镉、铅、锌等重金属元素蒸气燃烧，通过改变火焰温度、混合浓度、使用氯、硫添加剂等，比较混入这些重金属元素前后核态颗粒理化特性的变化，获取重金属元素在燃烧火焰中的化学形态转化及富集纳米颗粒的规律、影响因素等信息，并建立颗粒成核、富集过程的组分输运模型，探究燃烧火焰中初始核态颗粒耦合富集重金属元素的过程及机理。

燃料燃烧后的亚微米颗粒易富集重金属元素，且该类颗粒逃逸除尘设备的能力较强，是大气环境的重要污染物。本项目克服在燃煤系统火焰中直接采样、在线检测操作性难的弊端，以乙烯为燃料产生稳定火焰，采用非侵入无干扰针孔采样器在火焰外缘不同位置处采样，对采集的核态颗粒进行检测及理化特性分析；此外，在燃料中分别按比例混入汞、硒等重金属元素蒸气燃烧，通过改变燃烧工况，获取重金属元素在燃烧火焰中的化学形态转化及富集纳米颗粒的规律、影响因素等，并建立颗粒成核、富集过程的组分输运模型，探究燃烧火焰中初始核态颗粒耦合富集重金属元素的过程及机理。. 研究结果表明：燃烧火焰的温度随着火焰高度的上升呈下降的趋势，碳烟颗粒的浓度随火焰高度的变化先升高后下降； 碳烟的形貌特征随着火焰高度的变化而呈现出不同的形状，火焰下部碳烟的形状呈现片状且形状不规则，火焰中上部颗粒分层状堆积，且有明显的链状结构；碳烟主要化学成分是烷烃、环烷烃、烯烃、苯、蒽、芘等；对于乙烯燃烧火焰中碳烟的形成过程可以概括成：1）乙烯热解后与火焰中存在的H和OH基反应，形成烷基、C4和其他基团，以及苯基。2）一些基团聚合以及小颗粒之间的碰撞凝结使碳烟不断成长。3）颗粒物质氧化成稳定的基团。. 燃烧火焰中汞的形态转化及富集微细颗粒物的研究结果表明，空燃比和HCl浓度增大均会提高颗粒态汞的生成率；SO2对颗粒态汞生成的作用是双向的。燃烧过程中颗粒态汞的生成率是碳烟颗粒的浓度、火焰温度、空燃比、燃烧氛围等多种因素共同作用的结果。模拟结果表明，（1）Cl的存在促进了Hg0向HgCl2的转化；（2）S元素对Hg2+生成既有促进又有抑制作用，高S-Cl比抑制Hg2+的形成；（3）O元素对汞的促进作用远不如Cl，也不及SO2；（4）C元素对汞的氧化有抑制作用，飞灰通过物理吸附和化学吸附两种形式对汞进行吸附。. 对火焰中不同形态的硒进行采样测定与分析，结果表明，硒主要以气态的形式从火焰中释放。火焰温度越高，颗粒态与气态硒的浓度越大。硒倾向于富集在尺寸较细、比表面积较大的微细颗粒物中。空燃比增大，颗粒态硒与气态硒的生成速率均增大；提高燃烧温度、采用较大的空燃比能增大颗粒态硒的浓度。低浓度的二氧化硫气氛会同时增大颗粒态硒与气态硒的浓度，对硒的释放起促进作用，但较高浓度的二氧化硫反而会减小硒的释放量。