CN101874963A - 一种富氧燃烧下脱除污染物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富氧燃烧下脱除污染物的方法，在O2/CO2燃烧方式下，在燃煤锅炉及垃圾焚烧炉高温尾部烟气喷入吸附剂，通过化学反应和物理吸附，实现多种污染物的联合脱除。烟气中的金属化合物和挥发的S被吸附剂所吸附，转化为空气动力学粒径大于1mm的固体颗粒物，易于被除尘器脱除，大量降低金属和S形成PM1的量，使PM1大量减少。不同燃料存在最有效的吸附剂及脱除的最佳温度段。当燃料中碱金属Na+K的含量大于1mg/g或重金属Pb+Cd的含量大于10ug/g时，采用高岭土等Si-Al基吸附剂，当燃料中硫的含量大于0.5％时则采用石灰石等Ca基吸附剂，当燃料中金属及硫含量都较高时混合吸附剂。在O2/CO2燃烧方式下，喷入吸附剂对多种污染物的联合脱除的最佳温度段为：1000℃-1200℃。
Description
技术领域
本发明属于洁净燃烧和污染物排放控制技术，具体涉及在新型O2/CO2富氧燃烧方式下，炉内喷射吸附剂对亚微米颗粒(PM1，即空气动力学直径小于1微米的颗粒物)、碱金属、重金属及硫等多种污染物的联合脱除方法。
背景技术
以CO2为代表的温室气体的大量排放是造成温室效应的主要原因，目前，大气中CO2浓度约385ppm，比工业革命前的水平(280ppm)增长了35％多，按照目前的增长速度，到21世纪中期，大气中CO2浓度将增加1倍。如果大气中CO2浓度增加1倍，气温将上升1.5～5.5℃。这样的温度可能导致海平面上升0.5～1m，这将对全球许多国家的经济、社会产生严重影响。因此必须采取有效措施控制CO2的排放，减缓温室效应的加剧。
CO2主要产生于化石燃料的燃烧过程，迄今为止，世界上的能源消费仍以化石燃料为主，而煤是世界上储量最多的化石燃料。根据国际能源署(IEA)的统计和预测，煤炭在全世界总的一次能源结构中的份额在今后几十年内不会有很大的变化，中国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，且这种能源结构在今后相当长的时期内不会改变。随着社会经济飞速发展而带来的能源需求不断增大，煤的燃烧利用也同时在不断增长，这样导致CO2排放量也在不断增长，因此控制CO2的排放主要应从煤燃烧考虑。
目前，采取捕集、储存和利用由矿物燃料燃烧产生的CO2的方法被认为是近期内减缓CO2排放较为可行的措施与技术，O2/CO2燃烧技术是应用纯氧气及大部分再循环烟气(约80％)一起代替空气参与燃烧，由于大部分烟气再循环参与燃烧，只有一小部分烟气排出，从而有效地减少排烟损失；同时，与N2相比CO2为具有较高比热的辐射性气体，从而可以强化传热。因此，O2/CO2燃烧技术能提高燃烧效率；另外，烟气中CO2浓度可以达到95％以上，从而回收CO2变得更容易；由于烟气再循环使NOx还原为N2，所以燃料-N转化为排放的NOx的转化率大大降低；除此之外它还可以使炉内喷钙脱硫效率达到90％以上。可以说O2/CO2燃烧技术是一种集高效低污染于一身的燃烧技术，鉴于此，O2/CO2燃烧技术正在受到世界许多国家研究者的关注。国内外正在对这种先进的燃烧技术下煤粉的着火特性和污染物NOx、SOx和PM的生成特性进行研究，然而O2/CO2燃烧下对碱金属重金属的排放特性的研究很少，且尚无O2/CO2下控制碱金属、重金属及细微颗粒物的技术。本发明即是提供一种有效的方法，实现O2/CO2燃烧下亚微米颗粒物、碱金属、重金属及硫的联合脱除。
煤燃烧过程中亚微米颗粒物(PM1)的形成是一个十分复杂的物理化学过程。首先，在高温和局部还原性气氛下，煤中原子态无机质及矿物中易挥发成分以原子或次氧化物的形式气化，气化产物在向焦炭颗粒外部环境扩散的过程中遇氧发生反应生成对应的氧化物，当燃烧烟气中的无机蒸汽达到过饱和状态时，会通过均相成核形成大量细小微粒(＜0.01μm)。这些细小微粒通过相互碰撞、凝并，形成较大颗粒；另外无机蒸汽在微粒表面发生非均相凝结，使颗粒长大。无机物的气化-凝结是亚微米颗粒最主要的形成机理。亚微米颗粒物的化学组成可分为4类：①难熔性氧化物，包括SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO；②碱金属氧化物，包括K2O和Na2O；③SO3，假定以碱金属和碱土金属的形式存在；④其它，包括MgO、P2O5等。
电厂除尘器对亚微米颗粒的捕获效率不高，部分PM1不可避免的穿透除尘器扩散到大气中，PM1中富集着大量的碱金属有毒有害的重金属和硫，以及PM1在大气中长时间停留及远距离飘浮，造成环境污染，并严重危害着人类的健康，研究表明，人类的各种癌症都与之有关。
过多的可吸入颗粒物沉积会损害肺部呼吸氧气的能力，使肺泡巨噬细胞的吞噬功能和生存能力下降，导致肺部排除污染物的能力降低。由颗粒物引起的心脏自主神经系统在心率、心率变异、血粘度等方面的改变能增加突发心肌梗死的危险。最新研究指出大气颗粒物对生殖系统的影响不仅表现为造成胎儿出生时形态畸形，而且会导致一些细微的功能缺陷。由于一些具有潜在毒性的元素，如铅、镉、镍、锰、钒、溴、锌和苯并(a)芘等多环芳烃(PAHs)，主要吸附在粒径小于2.5μm的颗粒物上，而这些小颗粒易沉积于肺泡区，容易被血液吸收，其对生殖系统的影响不容忽视。小于1μm的含铅颗粒物在肺内沉积后，极易进入血液系统，大部分与红细胞结合，小部分形成铅的磷酸盐和甘油磷酸盐，然后进入肝、肾、肺和脑，几周后进入骨内，导致高级神经系统紊乱和器官调解失能，表现为头疼、头晕、嗜睡和狂躁严重的中毒性脑病。烟气中的碱金属化合物导致锅炉的结渣和燃气轮机叶片的腐蚀；亚微米颗粒物中存在大量的硫，吸入人体严重危害人类的健康；大气中由于颗粒物的存在，能见度受到严重影响，在城市污染大气中能见度可在5km左右甚至更低，大气中主要是粒径为0.1～1μm的颗粒物通过对光的散射而降低物体与背景之间的对比度，从而降低能见度。在这一粒径范围的颗粒物中，含有硫酸根的粒子最易散射可见光。
发明内容
本发明的目的在于针对O2/CO2新型燃烧方式下的污染物控制问题，提供一种富氧燃烧下脱除污染物的方法，该方法可以实现O2/CO2燃烧下亚微米颗粒物、碱金属、重金属及硫的联合脱除，减少亚微米颗粒物的排放。
本发明提供的富氧燃烧下脱除污染物的方法，其特征在于：O2/CO2燃烧方式下，在燃烧炉的高温尾部烟气中喷入颗粒状的吸附剂，吸附剂与所吸附的烟气中有害元素的摩尔比为0.5∶1～10∶1，吸附剂为Si-Al基和Ca基吸附剂中的至少一种。
本发明通过吸附剂与元素间的化学反应和物理吸附作用，使烟气中的Na、K、Pb、Cd等金属化合物和挥发的S被吸附剂所吸附，转化为空气动力学粒径大于1mm的固体颗粒物，易于被除尘器脱除。这样可以大量降低金属Na、K、Pb、Cd等和S形成PM1的量，进而减少固体PM1的排放，有利于污染物的捕集与无害化、资源化处理。
附图说明
图1为O2/CO2气氛下吸附剂对燃煤烟气中元素的捕集效果示意图；
图2为不同温度下添加高岭土前后燃煤PM1的排放量变化示意图；
图3为不同温度下添加吸附剂后燃煤PM1的减少效果示意图。
具体实施方式
通过化学反应和物理吸附，实现多种污染物的联合脱除，通过不同的燃料及在800℃-1300℃温度下的实验效果，确定不同燃料的最有效的吸附剂，以及脱除的最佳温度段。
下面通过借助以下实施例将更加详细说明本发明，且以下实施例仅是说明性的，本发明并不受这些实施例的限制。本实例在实验室中进行，具体的实施步骤如下：
(1)制备吸附剂，吸附剂的粒径小于150mm，并在烘箱中45℃烘三个小时，本例所选的吸附剂为高岭土和石灰石。
(2)在O2/CO2燃烧方式下，将两种不同的褐煤在沉降炉中的燃烧，实验的燃烧温度分别为900℃、1100℃、1300℃，燃烧后分级收集不同工况下各级的灰并分析灰中的元素含量。
(3)在O2/CO2燃烧方式下，将上述两种褐煤在沉降炉中的燃烧，在燃后的高温尾部烟气喷入高岭土，实验的燃烧温度分别为900℃、1100℃、1300℃，燃烧后分级收集不同工况下各级的灰并分析灰中的元素含量。与(2)的实验结果比较。
(4)在O2/CO2燃烧方式下，将(2)中的两种褐煤在沉降炉中燃烧，在燃后的高温尾部烟气中喷入石灰石，实验的燃烧温度分别为900℃、1100℃、1300℃，燃烧后分级收集不同工况下各级的灰并分析灰中的元素含量。与2的实验结果比较。
步骤(2)、(3)和(4)的顺序可颠倒互换。
在O2/CO2气氛下，煤燃烧实验中分别添加高岭土和石灰石后各元素脱除效果见图1，W表示元素富集在PM1中的量，计算式如下：
PM1的排放量减少效果如图2。三个温度下PM1排放的减少率如图3。
图1结果表明O2/CO2气氛下，添加高岭土后，煤燃烧的碱金属重金属富集在PM1上的量大幅度下降，高岭土与煤中金属发生吸附反应，添加石灰石后，煤中的硫在PM1上的量也大幅度下降，石灰石吸附了大量的S。碱金属重金属和S由小于1μm的颗粒向大于1μm的颗粒中转移，便于除尘器的捕获。
图2、图3的结果表明O2/CO2气氛三个温度下PM1的减少效果，从图中可以看出，添加高岭土和石灰石后1100℃时PM1的减少效果最好，吸附效果最好。
本发明方法所用的吸附剂可以为高岭土等Si-Al基和石灰石等Ca基吸附剂中的一种或几种的混合物。在O2/CO2燃烧方式下，在燃煤锅炉及垃圾焚烧炉高温尾部烟气喷入吸附剂，同时脱除多种污染物。不同燃料存在最有效的吸附剂，以及脱除的最佳温度段。当燃料中碱金属Na+K的含量大于1mg/g或重金属Pb+Cd的含量大于10ug/g时，采用高岭土等Si-Al基吸附剂，当燃料中硫的含量大于0.5％时则采用石灰石等Ca基吸附剂，当燃料中金属及硫含量都较高时则采用两种或多种吸附剂的混合物。在O2/CO2燃烧方式下，喷入吸附剂对多种污染物的联合脱除的最佳温度段为1000℃-1200℃。吸附剂粒径小于150mm时对污染物脱除的效果更好。
总之，本发明通过炉内喷射吸附剂实现O2/CO2燃烧下亚微米颗粒物、碱金属、重金属及硫的联合脱除，由于O2/CO2燃烧方式下烟气的循环燃烧导致吸附反应时间增长以及吸附剂的再利用，因此这种技术特别在O2/CO2燃烧方式下非常有效。该方法通过将PM1中的碱金属、重金属及S转化为大于1微米的颗粒，进而减少亚微米颗粒物的排放。
Claims (6)
1.一种富氧燃烧下脱除污染物的方法，其特征在于：O2/CO2燃烧方式下，在燃烧炉的高温尾部烟气中喷入颗粒状的吸附剂，吸附剂与所吸附的烟气中有害元素的摩尔比为0.5∶1～10∶1，吸附剂为Si-Al基和Ca基吸附剂中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的富氧燃烧下脱除污染物的方法，其特征在于：喷入吸附剂的最佳温度段为：1000℃-1200℃。
3.根据权利要求1所述的富氧燃烧下脱除污染物的方法，其特征在于：吸附剂粒径小于150mm。
4.根据权利要求1所述的富氧燃烧下脱除污染物的方法，其特征在于：对于碱金属Na+K含量大于1mg/g或重金属Pb+Cd含量大于10ug/g的燃料，吸附剂为高岭土。
5.根据权利要求1所述的富氧燃烧下脱除污染物的方法，其特征在于：对于硫含量大于0.5％的燃料，吸附剂为石灰石。
6.根据权利要求1所述的富氧燃烧下脱除污染物的方法，其特征在于：对于碱金属Na+K含量大于1mg/g或重金属Pb+Cd含量大于10ug/g，同时硫的含量大于0.5％的燃料，吸附剂为高岭土和石灰石。
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