一种对固体燃料颗粒物单颗粒识别与分析的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于洁净燃烧和污染物排放控制技术领域，具体涉及一种对固体燃料燃烧 产生的灰颗粒进行单颗粒分析，以识别颗粒物与分析其单颗粒物化性质的方法，尤其适用 于灰分含Fe量低于5%的烟煤、无烟煤及其它挥发分含量低于30%的固体燃料。
【背景技术】
[0002] 大气中可吸入颗粒物（PM1Q，空气动力学当量直径彡10ym的颗粒物的总称），尤其 是细颗粒物（PM 2.5，空气动力学直径<2.5 ym)的高含量被认为是造成我国都市雾霾的罪 魁祸首。动力煤等固体燃料的燃烧是我国颗粒物污染的重要源头之一，对以煤为代表的固 体燃料燃烧后颗粒物治理技术的深度开发已是关系到国计民生的重要问题。
[0003] 对颗粒物进行单颗粒粒径、元素成分等物化性质的分析是有效识别其来源、空气 传播特征、元素赋存形态及致病性等的重要前提，但实现颗粒物的单颗粒分析还存在较大 困难。借助先进的PM 1(I分析技术手段，如低压撞击器（Low Pressure Impactor，LPI)，能 得到各粒径段颗粒物总的质量、元素成分等物化性质，借助配有能谱的扫描电镜（SEM-EDS) 能够对PM 1(I进行单颗粒化学成分分析。但是，得到大量颗粒的物化性质才能实现统计学 意义上单颗粒物化性质的表征。传统的SEM-EDS技术由于手动操作、肉眼识别颗粒等劣 势，效率很低。而计算机控制扫描电镜技术（Computer-Controlled Scanned Electron Microscope，CCSEM)能够在较短时间内对同一样品2000-3000个颗粒进行单颗粒分析，因 此有能力实现PM 1(I高效的、统计学意义上的单颗粒分析。
【发明内容】
[0004] 本发明针对目前颗粒物单颗粒分析技术的不足，提供一种对固体燃料颗粒物单颗 粒识别与分析的方法，实现对PM 1(I的矿物组成、矿物分布、元素赋存形态等特征的分析，该 方法可以极大深化对以煤为代表的固体燃料燃烧后颗粒物物化性质的认识。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供的一种对固体燃料颗粒物单颗粒识别与分析的方 法，包括以下步骤：
[0006] (1)收集固体燃料燃烧后的灰样，利用计算机控制扫描电镜分析每个灰颗粒的几 何粒径、元素成分、矿物种类与含量；
[0007] (2)采用几何粒径与空气动力学直径的换算公式，将步骤（1)得到的每个灰颗粒 的几何粒径换算为空气动力学直径；
[0008] (3)识别出空气动力学直径在各粒径段的灰颗粒；
[0009] (4)将步骤（3)识别出的各粒径段的灰颗粒与基于空气动力学原理的低压撞击器 收集的对应粒径段的灰颗粒作质量粒径分布的对比，或采用扫描电镜分析对应粒径段内灰 胞颗粒的数目比例，验证粒径换算方法是否有效，对于有效的固体燃料样品进入第（5)步；
[0010] (5)利用步骤（3)的统计结果对各粒径段的单颗粒进行物化性质分析，包括分析 各粒径段颗粒物的矿物组成与含量；分析特定的矿物成分在各粒径段颗粒物中的赋存情 况；分析主要成灰元素在颗粒物各粒径段、各矿物成分中的赋存情况。
[0011] 本发明针对灰分含Fe量低于5%的高阶煤或其它挥发分含量低于30%的固体燃 料，收集燃烧后的灰样；通过粒径换算公式，将CCSEM分析所得灰样的几何粒径换算为空气 动力学直径，实现颗粒物的识别，即识别出多个粒径段的颗粒物，如具有代表性的空气动力 学直径0. 5-10 y m粒径段的PMa 5_1Q，以及PMQ. 5_2.5和PM 2.5_1Q等；对PM Q. 5_1Q进行单颗粒分析， 实现对各粒径段颗粒物的矿物组成，特定矿物成分在各粒径段颗粒物中赋存情况，主要成 灰元素在颗粒物各粒径段、各矿物成分中赋存形态等分析。
[0012] 总之，本发明借助CCSHM技术识别固体燃料燃烧后颗粒物与分析其物化性质，对 燃烧生成的飞灰进行单颗粒分析，实现对PM a5_1(l单颗粒的识别及物化特性的分析，充分了 解固体燃料燃烧生成颗粒物统计学意义上的物化特征，为固体燃料颗粒物的来源、元素赋 存形态等重要参数的建立与分析提供理论与技术指导。
【附图说明】
[0013] 图1为CCSEM识别与LPI收集的PMQ. 5_1(|质量粒径分布示意图；
[0014] 图2为PMQ.5_2.5、PM 2.5_1Q和全灰各自的矿物组成示意图；
[0015] 图3为PMa5_1(l及典型矿物成分在10 y m内各粒径段质量分布示意图；
[0016] 图4为Fe元素在灰（颗粒物）各矿物成分中的质量分布示意图。
【具体实施方式】
[0017] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对 本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，但本发明 并不受此实施例的限制。
[0018] 本发明提供的一种对固体燃料燃烧后颗粒物单颗粒识别与分析的方法，其步骤包 括：
[0019] (1)收集固体燃料燃烧后的灰样，利用计算机控制扫描电镜（CCSEM)技术分析每 个灰颗粒的几何粒径、元素成分、矿物种类与含量；
[0020] 将飞灰与巴西棕榈蜡均匀混合后经熔融、冷却、研磨、抛光，制得分散度良好的样 品，在环境扫描电镜中得到样品的背散射图像；选取足量的图像数目获取2000-3000个灰 颗粒的数据，以满足统计学意义的分析；在能谱"Particles"功能中分析得到每个灰颗粒 的几何粒径和无机元素组成；将每个灰颗粒按元素组成划分至具体的灰矿物种类，该种类 所有颗粒的质量和即为该矿物成分在灰中的含量。
[0021] (2)利用步骤（1)的分析结果，采用几何粒径与空气动力学直径的换算公式将将 每个灰颗粒的几何粒径换算为空气动力学直径；几何粒径d与空气动力学直径d aOT的换算 公式为d"u'=d.yf^灰颗粒密度P取步骤（1)所定义矿物种类对应的密度值。 9
[0022] (3)利用步骤（2)可识别出各粒径段的颗粒物，如空气动力学直径0. 5-10 ym粒径 段的颗粒物，记为PMa5_1(l，以及多种典型粒径段的颗粒物，如？]^. 5_2.5、？]\12.5_ 1(|等。
[0023] 应当说明的是，受扫描电镜的技术精度所限，目前无法实现0. 5 ym以内超细颗粒 物的单颗粒分析。
[0024] (4)可采用两种方式证实粒径换算结果的有效性：一为采用基于空气动力学原理 的LPI收集PM1(I，其与步骤（3)所识别的PMuh#质量粒径分布的对比以验证CCSEM测试 与颗粒粒径换算的有效性；二为观察扫描电镜形貌图中灰胞颗粒的存在情况，灰胞的存在 会导致灰颗粒密度与换算公式输入值有差别。
[0025] "验证方式一"中质量粒径分布内每级颗粒物数据偏差小于20%