不同燃烧条件下油气锅炉炉内烟尘的粒径分布及浓度外文翻译资料

 2022-11-28 14:24:45

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不同燃烧条件下油气锅炉炉内烟尘的粒径分布及浓度

要点
从住宅供暖单位的浓度和颗粒大小的烟尘进行了测量。

气体和液体燃料在不同条件下的燃烧（O2过量）。

烟尘总密度与直径的表达方法。

有烟尘和Bacharach透明度指数总质量有很强的相关性。

关键词：烟尘排放 家用锅炉 Bacharach透明度指数

概要

尽管住宅供热燃烧器在烟尘颗粒全球排放到大气中的相关性，文献中可以获得关于其性质（浓度，粒度分布）的相对较少的信息，甚至更少的关于这些性质对操作条件的依赖性。相反，用于表征这些排放物的通常程序是通过几种方法测量烟雾不透明度，其中在清除固定量的气体（Bacharach测试）后纸张变黑是主要的。在这项工作中，在配有商业燃烧器的实验室设备中，各种气体和液体燃料的燃烧产生的颗粒的尺寸分布已经在大范围的操作条件（airexcesses）中与粒子计数器耦合的尺寸分级器进行了测量， 同时确定了Bacharach指数。具有逐渐变小的氧气浓度的分布的形状和演变基本上取决于燃料的状态：而气体的燃烧导致单峰分布向更大的直径移动，在瓦斯油的情况下，总是观察到超细模式，并且二次模式的粗粒子相关性增长。在这两种情况下，总体质量浓度和Bacharach不透明度指数之间存在强烈的指数关系，两组燃料非常相似。提出的这些表征可能允许其他研究人员至少估计常规特征为烟雾不透明度的燃烧设备的排放。

1.介绍

来自燃烧设施的气体的不透明度可能引起了对大气污染的第一个普遍关注，特别是在大规模实施伴随着工业革命的煤矿红锅炉（Lestel，2012）之后。在十九世纪之前，这一关切导致了第一种技术的发展，旨在至少大致量化工业和家用燃烧器的颗粒物排放。其中，Ringelmann方法将烟羽的视觉方面与灰度进行比较，比较流行，并被欧洲的研究人员和机构采用，首先也是在美国（不久之后）在美国（1967年的矿业局; Lestel ，2012;环境保护局（EPA） - 方法9,1907-2014）。 Ringelmann的烟图是监测气体中颗粒物浓度的重要途径，但是需要更多的定量方法可以推动出新的程序，例如以下描述的馏出燃油机烟雾浓度测试（ASTM D2156,1965），重量法是美国EPA＃5（2014），或最近使用分散剂和/或计数器。

ASTM D2156（或其等同DIN51402）中引用的方法通过将标准滤纸条滤掉固定体积的这些气体，并将结果光斑的阴影与参考灰度进行比较来评估气体的“烟雾浓度”，这是由于Bacharach公司商业化的仪器的普及也被称为Bacharach规模。以往从0到9的整个单位的尺度与斑点进行视觉比较，但是使用光度计可以在最近的型号中进行高分辨率分辨率。根据原始的ASTM文本（1965），这种方法比当时可用的烟雾浓度更加敏感，特别地，整个Ringelmann尺度（从0到5）被认为对应于“新”方法中的点数9（即最大值）。这个测试是在二十世纪中叶引进的（例如Bacharach Inc.在1948年注册了“真正的现货”商标），很快在液化燃料燃烧领域的工程师和研究人员中很受欢迎（例如，它被称为标准方法在这个行业中，由于Barrett等人在1973年提交的EPA报告中）。

最有可能的原因是替代技术的复杂性（如上所述，主要是重量分析或粒子分析仪/计数器）（Offen等，1976），无限更精确和量化，Bacharach量表（甚至更惊人地）在许多关于家用和工业燃烧器的监管中，图表仍被提及作为参考。在西班牙法规（SPA，1972; SPA，2007a）以及其他国家（例如CH，1985; LUX）中仍然引用了一些价值不超过一些设施的启动或停止运行的一定价值，1987; UK，1993）。顺便提一下，这些规定中的一些规定是指与没有设计或直接不足的工艺有关的Bacharach量规，例如用于燃烧煤或其他固体燃料的工厂，其中气体不仅包括烟灰，而且主要包括灰烬粒子（SPA，1972; SPA，2007b）。尽管逐渐实施了关于质量的限制，最近也限制了固定和移动源的排放中的颗粒物浓度。在欧洲规范（EPC，2009年，2010年）中，基于thoset技术的缺乏便携式，经济实惠和易于使用的工具支持传统程序，特别是烟密度测试的相关性，作为主要和惯例各种燃气设施的运行正确，特别是家用锅炉。

过去有一些尝试将Bacharach和Ringelmann的经验尺度与所考虑的羽流中实际存在的质量浓度相关联。原则上，如果粒径分布和相应的折射指数是已知的（通常不是这种情况），则可以理论上通过米氏理论的方式，将以阳光为基础的阳光的分散作为朗格曼尺度的基础，或不详细）。这是随后的方法egPilat和Ensor（1970），他们提供方程式来估计一个具有一定的Ringelmann数的羽流中的主体浓度。在堆叠中引入测量仪（或不透光度计）可以减少与羽状物的视觉观察，因此预测光衰减与质量浓度之间更可靠的相关性;例如，Conner和同事有效地报道了质量浓度与不透明度之间的线性相关性，尽管系数在工厂之间显着变化（与工厂运行条件相关），从而限制了任何关系的一般应用（Conner，1974; Conner和Knapp，1988）。

相反，作者没有意识到任何使巴哈拉克指数与气溶胶质量浓度相关的任何尝试，或者换句话说，是在过滤纸中收集的颗粒的质量，这可能是由于沉积过程的固有复杂性在纸张上和内部以及表面上的后续光反射。在实验方面，仅发现了EPA报告（Barrett等，1974），其中“Bacharach烟数”与颗粒物质浓度（根据EPA方法＃5测得）的电位相关性得到了具体的检验。实验在具有商业燃料油＃2，高压燃烧器（〜3.8l /小时）的加热单元中进行，连续或循环运行，并且具有不同水平的过量空气。报告的结果大部分对应于Bacharach指数低于1，而且不超过6（这可能需要强制坏燃烧）。在他们的实验中使用的级联冲击器测量大小分布实际上不能区分不同的情况，大部分质量低于0.25毫米（即所使用的反应器的最后一块板）。作者得出结论，可以在连续操作下的单个单位之间建立两种测量之间的“实际”相关性（实际上，两个单位的系列相同）。 Leary等人（1987）研究了在过滤器（颗粒和有机“可萃取物”）中收集的材料的组成，但仅在两个固定的Bacharach烟号中;如预期的那样，随着这个参数的增加，粒子的质量增加，但没有得到准确的趋势。在最近的一项工作中，不同算法的能力使得Bacharach指数和上位机的操作参数相关联，然而其他研究人员却指出， Bacharach的不透明度与固体颗粒中的大量含量之间没有普遍的相关性，因为它们的大小对于过滤纸[...]被黑化的影响具有显着的影响“（Blanco等，2000），尽管没有引用参考为声明。所有这一切，本文作者的印象是，巴哈拉克烟雾测试常规用于燃油行业，作为主要指标，不仅是正确的燃烧，而且是细节物质排放。

在石油和天然气公司的几个项目的框架中，最近有一个对燃料油添加燃料的命运感兴趣的研究组织，在过去二十年里，一些测试系列已经在LIFTEC的燃烧特性之一中实现在这些方式中使用了Bacharach号码。在这些项目中，产生的烟灰颗粒已经被表征，首先是通过TEM网格上的热沉积沉积（以及随后在透射电子显微镜中的观察），并且在最近几年中还通过分子分类器和计数器。后者提供了关于气体采样中的粒子数分布和浓度的详细信息，并且总质量浓度可以从这些数据得出。本文的主要目的是介绍并同时测量气体中Bacharach数和烟灰浓度的数据，这两个参数的实际相关性（前者的好处，目前的流行和相当定性） 。

此外，本文介绍了对应于用于气化和液体燃料的两个商业燃烧器的排放物的详细的粒度分布（数量和质量称重）。 大型燃烧设备在正常运行下的排放量和车辆的排放量已经得到了很好的表征; 相反，尽管其实际相关性（例如，弗洛伊德占西班牙家庭主要能源消费的15％）（IDAE，2011年），但是也没有许多作品被用于国家规模，除了可能的木材红色设施 （例如Johansson等人，2004），作者知道，没有研究分配对操作条件的依赖性。 后者可能与那些对大气层气溶胶感兴趣的人有关，并提供有关烟囱聚集体形成的信息。

  1. 实验方法

燃料和试验实验已在水冷室中进行，如图1所示。旨在重现家用锅炉中发现的条件（高达100千瓦）。燃烧室为圆柱形，长度为0.8米，并由收敛部分和垂直管连续冷却。最后，气体沿着水平管流入烟囱。在本文中重新引入的实验中使用了两个燃烧器，商业型号为：Kadet-Tronic 3R，丹佛斯0.6GPH，燃料油用60？S喷嘴，气态燃料用Cuenod NC4。在所有情况下，燃油控制（燃烧器控制分别为〜2.3 kg / h和〜0.8 Nm3 / h）进行燃油消耗调节，空气从一个带有质量流量的压缩空气管线供给燃烧器控制器在这方面，可以在更加精确和稳定的制度下探索广泛的空气/燃料比，与通过燃烧器相当粗糙的空气调节可达到的相比。通过对水平管上的气体进行取样来监测O2，CO2，CO和NOx的浓度。在稳定条件下，锅炉出口处的氧浓度可以调整到分析仪的分辨率（0.1％）内。

烟雾不透明度测试应用于垂直管中的取样口。 所使用的仪器TESTO 308以恒定速率提取无定形气体，并将其通过滤纸条，其黑色随后通过在Bacharach标度（0e9）中精度为0.1的光度法测定。每次测试持续约60秒 ，除了仪器检测到纸张的压力下降的非常高的巴赫数（通常gt; 8.5）的情况下，中断测试并将结果外推到其标准持续时间。

在气体中测量颗粒的大小和浓度需要相当大的努力。二次线来自气体分析仪线，并导致二氧化硅 - 格尔德勒;后者的入口处的气体温度保持在90℃以上以防止水凝结。通过由气溶胶分类器（TSI 3081）和凝结颗粒计数器（TSI 3782）组成的扫描迁移率颗粒化器（SMPS，TSI 3936）将所得干燥气体重新取样（36L / h）。其余的气体被过滤，以保护设备向下并通过配有阀门的质量流量计在测试期间维持〜400Nl / h。使用二氧化硅干燥器以及管线中的管子会导致颗粒的一定损失，基本上通过扩散，其程度在很大程度上取决于其尺寸。为了评估这些损失，使用气溶胶发生器（TOPAS ATM226 干燥器570）产生稳定和广泛的Na Cl颗粒分布，并且测量有和没有干燥器和管从其到SMPS的入口。通过这些元素转移的效率如图2所示。 如预期的那样，对于相对较大的颗粒的影响非常小，对于最小的颗粒来说，效果非常小：10nm颗粒中高达50％的损失。由于干燥器的相对复杂的几何形状（由三氧化硅珠围绕的三个网格，全部在较大的石英管内），因此通过计算来估计这些损失;然而，在单个管的情况下，通过扩散沉积的一般方程式的数据的最佳数据（Baron和Willeke，2001）也包括在图1中。 2，显示损失与扩散的可能关联，并且被认为支持使用所示的相关性来校正测量。 SMPS软件还考虑到仪器内部的传输效率。

需要两个SMPS装置来覆盖在燃烧设备中产生的颗粒的分布，这取决于Bacharach指数（以下也称为BI），其导致两个范围的移动等效直径，10e400nm和15e700nm，两者在大约100个等级 案件 SMPS测量值是作为承载气体颗粒数量的浓度给出的; 以后会评论转为质量权重的分配。 每个移动扫描持续了两个小时; 在每个消费条件下平均三个独立结果。 对于-6以上的BI，在一段时间后观察到采样探头（旨在收集排气管道上的颗粒的代表性样品）的五个微小入口的堵塞，为了避免结果中的伪影，流量在测量之间反转; 在这些“清洁事件”期间，干燥机线被封闭，以防止设备中的脏污和超压

用于执行烟雾不透明度测试的端口也用于通过热电泳在通过覆盖有抄纸的TEM网格上收集颗粒，以便在200kV TEM中进行观察和分析。格栅被固定到1frac14;1厘米的钢板上，两个微小的银漆，确保良好的热接触。一个气动缸在一段受控的时间内插入热气流中，通常在高烟炱浓度为30s，低不透明度条件下为180s。虽然钢片用于减缓电网的加热，但较长的时间会导致电池的显着劣化（同样的原因，应避免使用Formvar薄膜）。该系统过去用于通过TEM表征颗粒分布图像分析;然而，这里仅提供几个图像来说明颗粒的形态。将报告来自两个系列实验的数据，分别关注使用丁烷/丁烯气体共混物以及Ce基催化剂的命运用于家用加热标准燃油（2号或C型）的燃烧。特别地，使用五种燃料：纯丁烷，丁烷/丁烯共混物（分别为40/60％），纯燃料油，后者掺杂有分散纳米颗粒形式的9和45ppmCeO 2（Envirox， 8e10 nm根据制造商）。在所有情况下，受控变量是空气流量比，通过调整空气流量速率，如上所述，对固定燃料消耗进行调节;这导致了气体中不同的气体和颗粒浓度，在这项工作中，这个工作将以相应的BI（其与气体中的氧气浓度密切相关，或换句话说，空气过剩）的特征为特征。

  1. 结果

图3-6分别表示在丁烷，丁烷，丁烷，燃料油和掺有9ppm CeO 2的燃料油燃烧中产生的颗粒的大小分布（数量称重），燃烧条件使得Bacharach覆盖范围为0.3eV ;掺杂有45 ppm CeO 2的燃料油的结果与9ppm的相比并不显着，在这些图中省略。数据表示为在SMPS下测量的，即在室温条件下（约20℃，1atm）下的干燥气体。相应的基于数量的平均直径和总颗粒浓度如图1所示。在气体和液体燃料的燃烧中分别产生的分布之间存在明显的相似性，两组之间存在明显的差异。首先，在丁烷和丁烷/丁烯的情况下，颗粒的总数随着极低BI的BI而略微增加，然后保持基本恒定，除了最高BI之外，其降低;相反，与液体燃料相对应的分布显示了用于增加Bacharach指数的颗粒总数的一致减少。其次，气体燃料的分布总是单调，并且通过BI逐渐向更大的直径“转移”，而在液体燃料的情况下观察到分布的更进一步的扩展，在双峰分布的趋势中

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