CN104147890B

CN104147890B - 利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤pm2.5的方法

Info

Publication number: CN104147890B
Application number: CN201410432544.5A
Authority: CN
Inventors: 陈惠超; 吴玮; 梁财
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: CN104147890A

Abstract

本发明公开了一种利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法，将凹凸棒粘土磨制成粒径小于200目筛的颗粒，以0.1~1%的质量百分比浓度添加到水中形成悬浊液，同时在悬浊液中添加表面活性剂，并控制悬浊液pH值为5~7，不断搅拌悬浊液。由液体泵按悬浊液体积流量占烟气流量体积百分比为0.01%~0.1%，将悬浊液泵入除尘器前110~350℃的烟道，雾化空气与凹凸棒粘土悬浊液的质量比为0.25~0.5，双流体喷嘴将悬浊液雾化为20~50μm的雾滴，所述雾滴再与燃煤烟气混合使烟气中的细颗粒物团聚长大，有利于后续常规除尘器捕集，从而大大减少烟气中PM_2.5的排放量。

Description

利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM2.5的方法

技术领域

本发明涉及一种利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法，属于环境污染防治与洁净煤燃烧技术领域。

背景技术

煤粉燃烧为我们提供热源和电力，同时也会产生细颗粒物污染。电厂现有的除尘设备对占质量份额较大的粒径大于2.5微米的颗粒捕集效率很高，但是对烟气中数量份额较大而粒径小于等于2.5微米（PM_2.5）的颗粒捕集效率并不高，尤其对PM₁的收集效率则更低，导致大量细颗粒进入到环境中。电厂排入大气的PM_2.5富集着有毒的有机污染物和各种痕量元素，会提高人类发病率和死亡率，严重影响人们的健康，而且还会诱发全球气候变化、大气能见度降低、灰霾天气等重大事件。因此降低PM_2.5排放量具有十分重要的意义。

现有对PM_2.5排放的控制技术主要有电团聚、声团聚、磁团聚、热团聚、湍流（边界层）流动团聚和化学团聚等。其中，使用固体吸附剂捕获亚微米颗粒的方法称为化学团聚，其团聚机理主要是物理吸附和化学反应。目前，国内外对燃煤细颗粒物采用化学团聚方法研究内容主要集中在使用高岭石、铝土矿等常用吸附剂对颗粒物团聚的影响作用及其对一种或几种重金属的脱除作用，使用新型团聚剂进行化学团聚捕集的研究并不多。寻找经济有效的团聚剂是化学团聚法促使颗粒物团聚捕集的关键。凹凸棒粘土别名绿凹凸棒石、坡缕缟石，是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐稀有黏土矿物，其较大的比较面积及其表面存在的吸附中心使其适于应用在燃煤PM_2.5的控制中。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可以解决烟气中细颗粒含量大，难以被后续除尘设备捕集的问题，从而实现燃煤PM_2.5减排，降低对大气环境污染的利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法。

技术方案：本发明的利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法，包括以下步骤：

1）将凹凸棒粘土磨制成粒径小于200目筛的颗粒，以0.1~1 %的质量百分比浓度添加到水中形成悬浊液，同时在悬浊液中添加表面活性剂，并控制悬浊液pH值为5~7，不断搅拌悬浊液；

2）按烟气体积流量的0.01%~0.1%，泵入所述步骤1）得到的悬浊液，按照空气与凹凸棒粘土悬浊液的质量比为0.25~0.5，经由双流体喷嘴将悬浊液雾化为20~50 μm的雾滴后，喷射入除尘器前110~350℃的烟道，所述雾滴与燃煤烟气混合使烟气中的细颗粒物团聚长大，有利于后续常规除尘器捕集，从而大大减少烟气中PM_2.5的排放量。

本发明的优选方案中，步骤1）中，表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠，其添加量为0.481g/L。

本发明的优选方案中，步骤1）中，调节悬浊液pH值的物质为磷酸、盐酸、硫酸或三者的混合物。

本发明的优选方案中，步骤2）中的除尘器为静电除尘器、布袋除尘器、多管除尘器或旋风除尘器。

本发明的优选方案中，燃煤烟气为锅炉在空气气氛或O₂/CO₂气氛下燃烧产生的烟气。

本发明的优选方案中，将凹凸棒粘土磨制成粒径小于200目筛的颗粒，以0.1~1 %的质量百分比浓度添加到水中形成悬浊液，同时在悬浊液中添加表面活性剂，并控制悬浊液pH值为5~7，不断搅拌悬浊液。由液体泵按悬浊液体积流量占烟气流量体积百分比为0.01%~0.1%，将悬浊液泵入除尘器前110~350℃的烟道，雾化空气与凹凸棒粘土悬浊液的质量比为0.25~0.5，双流体喷嘴将悬浊液雾化为20~50 μm的雾滴，所述雾滴再与燃煤烟气混合使烟气中的细颗粒物团聚长大，有利于后续常规除尘器捕集，从而大大减少烟气中PM_2.5的排放量。

所述的凹凸棒粘土为天然矿物质，比表面积大，每克土可达350㎡以上，吸水性强，一般可达150%以上，化学性质较稳定。其巨大的比较面积及其表面存在的吸附中心使其适于应用在燃煤PM_2.5的控制。凹凸棒粘土悬浊液经过喷嘴雾化与烟气混合后使细颗粒物团聚长大的过程表现为：凹凸棒粘土悬浊液被雾化为细小液滴将烟气中的颗粒物润湿，在烟道中流动碰撞过程中易于使更多的颗粒物吸附于液滴表面，而后颗粒表面的液滴被高温蒸发，颗粒物在吸附架桥作用下团聚长大。其原理是凹凸棒粘土分子链以架桥的形式将分散的颗粒物连接在一起，形成团状或链状，随着悬浊液的蒸发，颗粒间的液桥力逐渐转化为固桥力，颗粒间的团聚力得到加强。产生架桥的主要原因是凹凸棒粘土悬浊液具有的吸附絮凝性。此外，由于燃煤细颗粒中主要的可溶性离子Cl^2-、SO₄ ^2-的水化自由能低，细颗粒物被湿润后优先转入水中，阳离子将停留于颗粒表面提高了颗粒的表面电位，有利于细颗粒发生团聚。

悬浊液为中性，利用磷酸或盐酸或硫酸或其混合物来调节其pH值，使其处于酸性环境有利于降低PM_2.5排放量，其主要原因是凹凸棒粘土处于酸性环境下，能去除粘土中的杂质，可以使凹凸棒粘土在水中表面电荷的和结构电荷发生改变，从而改变凹凸棒土悬浊液的带电性，聚集态的晶束也被分散，八面体阳离子逐渐溶解，微孔孔道扩大，达到了纯化凹凸棒石粘土和提高离子交换能力的作用，同时也提高了其比表面积，从而提高了其物理吸附性能。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1）采用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法，由于凹凸棒粘土较氧化钙等其他添加剂比表面积大，其表面存在多种吸附中心，使得凹凸棒粘土分子链以架桥的形式将烟气中分散的颗粒物连接在一起，颗粒间的团聚得到强化。烟气中细颗粒物吸附在凹凸棒粘土的表面，并降低了烟气中PM_2.5数量密度和质量浓度，颗粒粒径有从亚微米向超微米转移的趋势，有效降低燃煤细颗粒物的排放，本方法较其他添加高岭石等常用添加剂的方法对细颗粒物的脱除率较高，对细颗粒物捕集率可达80%以上。

2）凹凸棒粘土以0.1~1 %的质量百分比浓度添加到水中形成悬浊液。经测试得出，使用凹凸棒粘土以小于0.1 %的质量百分比浓度添加到水中形成悬浊液对燃煤PM_2.5的减排效果不佳，而大于1 %的质量百分比浓度一方面不经济，另一方面会恶化雾化喷嘴的运行工况，使得雾化效果不佳，影响本方法对细颗粒物的捕集率。

3）悬浊液喷入除尘器前温度为110-350℃的烟道。电厂排烟温度一般不低于110℃，否则烟气中水蒸气将会冷凝影响除尘器正常运行，若悬浊液喷入除尘器前温度高于350℃，通过测试得出烟气中细颗粒物的浓度将显著上升。

4）雾化空气与凹凸棒粘土悬浊液的质量比为0.25-0.5。试验证明若质量比小于0.25，则雾化效果不佳，影响本方法对细颗粒物的捕集率，,质量比大于0.5后，虽然雾化更加均匀，但相对能耗的增加，此时效果提升并不经济。

5）凹凸棒粘土来源广泛，价格经济，环境友好，团聚工艺流程简单，易操作，不污染环境，本方法较其他添加氧化钛等添加剂的方法经济性较高。

附图说明

图1为凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5装置系统图；

图2为凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的性能图，其中图2（a）为数量密度随粒径的分布，图2（b）为PM_2.5的捕集率；

图3为凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5方法示意图。

图中有：1-CFB炉膛本体； 2-给料系统； 3-冷却水； 4-风室； 5-除油除湿器； 6-缓冲罐； 7-流量计； 8-尾部烟道；9-喷嘴； 10-团聚室； 11-蠕动泵； 12-悬浊液池； 13- ELPI； 14-烟气分析仪； 15-采样器.；16-真空泵。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

图1所示为凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5装置系统图，主要由循环流化床本体、送风系统、给料系统、返料系统、电控系统、团聚室和喷雾系统等部分组成。实验用燃料为美国烟煤，入炉煤粒径为0.6-1.5mm。实验过程中控制燃烧温度为900℃，实验在空气气氛下进行，将1kg/h美国烟煤由螺旋加料器送入炉内，空压机向炉膛提供一二次风助燃料充分燃烧。未燃尽煤颗粒经旋风分离器、料腿、返料器返回炉膛继续燃烧。采用烟气分析仪在线检测烟气中O₂、CO、CO₂、SO₂、NO、NO₂等成分，辅助监测燃料燃烧情况。将凹凸棒粘土磨制成粒径小于200目筛的颗粒，分别以0%、0.1%、0.5%和1%的质量百分比浓度添加到水中形成悬浊液，同时在悬浊液中添加表面活性剂，并控制悬浊液pH值为7，不断搅拌悬浊液，按悬浊液体积流量占烟气流量体积百分比为0.05%，将悬浊液泵入除尘器前150℃的烟道，雾化空气与凹凸棒粘土悬浊液的质量比为0.5，双流体喷嘴将悬浊液雾化为20~50 μm的雾滴，所述雾滴再与燃煤烟气混合使烟气中的细颗粒物团聚长大，有利于后续常规除尘器捕集，从而大大减少烟气中PM_2.5的排放量。通过团聚室的烟气经过切割粒径为10μm的旋风分离器后由荷电低压冲击器（ELPI）对烟气中的颗粒物粒径与数量浓度分布等进行监测，同时将颗粒物收集并进行扫描电镜-能谱分析（SEM-EDX）分析，基于ELPI在线检测数据可获得烟气中PM_2.5的数量与质量分布。

实验结果如图2所示，喷入凹凸棒粘土悬浊液后，烟气中颗粒物数量密度呈现下降趋势。如图2（a），当凹凸棒粘土悬浊液浓度从0.1 % 增加到1% 后，PM₁数量密度减小，而粒径在1 μm到2.5 μm间的颗粒数量密度较凹凸棒粘土质量分数为0.1 wt.%的工况略有上升，这说明小颗粒数量所占比例减小，大颗粒所占比例相应增大，即添加凹凸棒粘土悬浊液后，颗粒粒径有从亚微米向超微米转移的趋势。与原始烟气相比，在团聚室中喷入质量分数为1%的凹凸棒粘土悬浊液时，烟气中PM₁数量密度降低84%左右，粒径在1 μm到2.5 μm间的颗粒数量密度降低63%左右。如图2（b）所示为PM_2.5的捕集率，喷入清水对烟气中PM_2.5的捕集率为44%，而喷入质量分数为0.1%的凹凸棒粘土悬浊液对烟气中PM_2.5的捕集率达65%，比喷入清水时高出21%；随着凹凸棒粘土悬浊液流量增大，PM_2.5的捕集率进一步增加，当凹凸棒粘土质量分数为1%时捕集率达82%。由此可见，凹凸棒粘土悬浊液可促进细颗粒物的团聚长大，从而有利于其被后续除尘设备捕集。

以上实施例仅是对本发明方案的进一步具体说明，在阅读了本发明实施例之后，本领域普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对本发明权利要求的各种等同形式的修改和替换后的技术方案，均属于本发明申请权利要求所限定的保护范围。

Claims

1.一种利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将凹凸棒粘土磨制成粒径小于200目筛的颗粒，以0.1～1％的质量百分比浓度添加到水中形成悬浊液，同时在悬浊液中添加表面活性剂，并控制悬浊液pH值为5～7，不断搅拌悬浊液；

2)按烟气体积流量的0.01％～0.1％，泵入所述步骤1)得到的悬浊液，按照空气与凹凸棒粘土悬浊液的质量比为0.25～0.5，经由双流体喷嘴将悬浊液雾化为20～50μm的雾滴后，喷射入除尘器前110～350℃的烟道，所述雾滴与燃煤烟气混合使烟气中的细颗粒物团聚长大，有利于后续常规除尘器捕集，从而大大减少烟气中PM_2.5的排放量。

2.按权利要求1所述的利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法，其特征在于，所述步骤1)中，表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠，其添加量为0.481g/L。

3.按权利要求1所述的利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法，其特征在于，所述步骤1)中，调节悬浊液pH值的物质为磷酸、盐酸、硫酸或三者的混合物。

4.按权利要求1、2或3所述的利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法，其特征在于，所述步骤2)中的除尘器为静电除尘器、布袋除尘器、多管除尘器或旋风除尘器。

5.按权利要求1、2或3所述的利用凹凸棒粘土悬浊液团聚捕集燃煤PM_2.5的方法，其特征在于，所述的燃煤烟气为锅炉在空气气氛或O₂和CO₂混合物气氛下燃烧产生的烟气。