[發明專利]一種對固體燃料顆粒物單顆粒識別與分析的方法

有效

• 申請號: 201510020202.7
• 申請日: 2015-01-15
• 公開（公告）號: CN104697916B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 溫昶;徐明厚;于敦喜
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N15/10
• 分類號: G01N15/10
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于潔凈燃燒和污染物排放控制技術領域，具體涉及一種對固體燃料燃燒產生的灰顆粒進行單顆粒分析，以識別顆粒物與分析其單顆粒物化性質的方法，尤其適用于灰分含Fe量低于5％的煙煤、無煙煤及其它揮發分含量低于30％的固體燃料。

背景技術

大氣中可吸入顆粒物(PM₁₀，空氣動力學當量直徑≤10μm的顆粒物的總稱)，尤其是細顆粒物(PM_2.5，空氣動力學直徑≤2.5μm)的高含量被認為是造成我國都市霧霾的罪魁禍首。動力煤等固體燃料的燃燒是我國顆粒物污染的重要源頭之一，對以煤為代表的固體燃料燃燒后顆粒物治理技術的深度開發已是關系到國計民生的重要問題。

對顆粒物進行單顆粒粒徑、元素成分等物化性質的分析是有效識別其來源、空氣傳播特征、元素賦存形態及致病性等的重要前提，但實現顆粒物的單顆粒分析還存在較大困難。借助先進的PM₁₀分析技術手段，如低壓撞擊器(Low Pressure Impactor,LPI)，能得到各粒徑段顆粒物總的質量、元素成分等物化性質，借助配有能譜的掃描電鏡(SEM-EDS)能夠對PM₁₀進行單顆粒化學成分分析。但是，得到大量顆粒的物化性質才能實現統計學意義上單顆粒物化性質的表征。傳統的SEM-EDS技術由于手動操作、肉眼識別顆粒等劣勢，效率很低。而計算機控制掃描電鏡技術(Computer-Controlled Scanned Electron Microscope，CCSEM)能夠在較短時間內對同一樣品2000-3000個顆粒進行單顆粒分析，因此有能力實現PM₁₀高效的、統計學意義上的單顆粒分析。

發明內容

本發明針對目前顆粒物單顆粒分析技術的不足，提供一種對固體燃料顆粒物單顆粒識別與分析的方法，實現對PM₁₀的礦物組成、礦物分布、元素賦存形態等特征的分析，該方法可以極大深化對以煤為代表的固體燃料燃燒后顆粒物物化性質的認識。

為了實現上述目的，本發明提供的一種對固體燃料顆粒物單顆粒識別與分析的方法，包括以下步驟：

(1)收集固體燃料燃燒后的灰樣，利用計算機控制掃描電鏡分析每個灰顆粒的幾何粒徑、元素成分、礦物種類與含量；

(2)采用幾何粒徑與空氣動力學直徑的換算公式，將步驟(1)得到的每個灰顆粒的幾何粒徑換算為空氣動力學直徑；

(3)識別出空氣動力學直徑在各粒徑段的灰顆粒；

(4)將步驟(3)識別出的各粒徑段的灰顆粒與基于空氣動力學原理的低壓撞擊器收集的對應粒徑段的灰顆粒作質量粒徑分布的對比，或采用掃描電鏡分析對應粒徑段內灰胞顆粒的數目比例，驗證粒徑換算方法是否有效，對于有效的固體燃料樣品進入第(5)步；

(5)利用步驟(3)的統計結果對各粒徑段的單顆粒進行物化性質分析，包括分析各粒徑段顆粒物的礦物組成與含量；分析特定的礦物成分在各粒徑段顆粒物中的賦存情況；分析主要成灰元素在顆粒物各粒徑段、各礦物成分中的賦存情況。

本發明針對灰分含Fe量低于5％的高階煤或其它揮發分含量低于30％的固體燃料，收集燃燒后的灰樣；通過粒徑換算公式，將CCSEM分析所得灰樣的幾何粒徑換算為空氣動力學直徑，實現顆粒物的識別，即識別出多個粒徑段的顆粒物，如具有代表性的空氣動力學直徑0.5-10μm粒徑段的PM_0.5-10，以及PM_0.5-2.5和PM_2.5-10等；對PM_0.5-10進行單顆粒分析，實現對各粒徑段顆粒物的礦物組成，特定礦物成分在各粒徑段顆粒物中賦存情況，主要成灰元素在顆粒物各粒徑段、各礦物成分中賦存形態等分析。

總之，本發明借助CCSEM技術識別固體燃料燃燒后顆粒物與分析其物化性質，對燃燒生成的飛灰進行單顆粒分析，實現對PM_0.5-10單顆粒的識別及物化特性的分析，充分了解固體燃料燃燒生成顆粒物統計學意義上的物化特征，為固體燃料顆粒物的來源、元素賦存形態等重要參數的建立與分析提供理論與技術指導。

附圖說明

圖1為CCSEM識別與LPI收集的PM_0.5-10質量粒徑分布示意圖；

圖2為PM_0.5-2.5、PM_2.5-10和全灰各自的礦物組成示意圖；

圖3為PM_0.5-10及典型礦物成分在10μm內各粒徑段質量分布示意圖；