CN106893614B - 一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃烧烟气净化处理技术领域，并公开了一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法，包括以下步骤：(1)将粉煤灰加入酸溶液中形成固液混合物；(2)将固液混合物在微波炉内加热；(3)将上述微波处理过的固液混合物在滤网上进行过滤；(4)将滤渣烘干；(5)将上述样品中加入钛酸酯溶液中改性；(6)将上述改性样品烘干，然后磨碎筛分；(7)将吸附剂粉末加入燃烧室并与燃料混合燃烧；(8)反应后的一部分吸附剂粉末随烟气排出燃烧室后经过除尘器分离和捕集。本方法通过向燃烧室内添加适量以粉煤灰为主要原料制备的吸附剂，有效减少燃烧过程中细颗粒物、气态重金属以及SOx、HCl等酸性气态污染物的生成和排放。

Description

一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法
技术领域
本发明属于燃烧烟气净化处理技术领域，更具体地，涉及一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法。
背景技术
化石燃料燃烧排放的大量颗粒物和重金属，诱发了恶劣的雾霾天气，对环境和人类健康构成严重威胁。因此，实现燃烧源细颗粒物减排意义重大。现行工业锅炉、电站锅炉等燃烧设备应用的除尘技术以电除尘、布袋除尘技术为主，总体除尘效率达到98％以上。但静电除尘技术对0.1～1μm粒径段颗粒物存在“穿透”窗口，不能有效捕集产生的该粒径段的细颗粒物及超细颗粒物。若单纯通过增加电场或提升运行参数等手段来提高该粒径段的脱出效率，以满足日益严格的灰尘排放浓度要求，则经济性较低。而布袋除尘技术应用成本偏高，使用寿命短。因此，研究者基于颗粒物的生成过程提出了通过向燃烧室添加吸附剂捕集颗粒物的燃烧中颗粒物减排技术，用以补充、增强或替代现有除尘技术。
美国犹他大学Wendt等(2000)研究指出高岭土可以捕获燃烧过程中形成的碱金属及重金属蒸气，减少细颗粒物的排放。日本中部大学的Ninomiya等(2009)、中国华中科技大学的Chen等(2011)、Si等(2014)报道了基于高岭土和石灰石的颗粒物吸附剂，同样具有减少颗粒物排放的效果。同时，赵长遂等(2010)、屈成锐等(2006)研究和报道了几种Fe基、Mn基和Ba基吸附剂对燃煤超细颗粒物的控制方法。尹无忌(2013)也报道了一种蒙脱石-硅溶胶改性膨润土制备PM2.5捕集剂的制备及使用方法。总而言之，已研发的燃煤吸附剂或为自然矿物，或为昂贵的化学试剂，存在资源有限、来源分散、使用过程中往往需要长距离运输、价格昂贵等缺点，不能充分满足使用要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法，利用制成的吸附剂与燃料混合、燃烧，通过吸附剂在燃烧室中与颗粒物的反应，减少燃烧源的颗粒物和重金属排放。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将粉煤灰加入摩尔浓度为0.1M～2M的酸溶液中形成固液混合物，其中粉煤灰的质量与酸溶液的体积的比例为1g：1.5mL～1g：20mL进行混合；
(2)将上述固液混合物在微波炉内加热10分钟～20分钟，其中微波炉的微波功率按照与粉煤灰质量的比值为25W：1g～60W：1g进行设定；
(3)将上述微波处理过的固液混合物在滤网上进行过滤，并采用去离子水多次冲洗混合物，直至滤网上的滤渣的pH值为6～7；
(4)将滤渣在100℃～150℃烘干形成样品；
(5)将上述样品中加入摩尔浓度为0.1M～5M的钛酸酯溶液中，搅拌10分钟～30分钟进行改性处理，从而获得改性样品；
(6)将上述改性样品在100℃～120℃温度下烘干，然后磨碎筛分至30μm以下，获得吸附剂粉末；
(7)将吸附剂粉末加入燃烧室并与燃料混合燃烧，其中吸附剂粉末与燃料的质量比为1：1000～1：10，则吸附剂粉末与燃烧源颗粒物反应，从而减少燃烧源颗粒物的生成；
(8)反应后的一部分吸附剂粉末随烟气排出燃烧室后经过除尘器分离和捕集。
优选地，所述粉煤灰为燃用褐煤、烟煤、无烟煤或生物质在煤粉炉或流化床锅炉内燃烧产生的副产物飞灰，以实现低成本制备及废物利用。
优选地，所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、甲酸、乙酸、柠檬酸中的一种或多种。
优选地，所述钛酸酯溶液为钛酸酯溶于分散剂中形成。
优选地，所述钛酸酯为钛酸丁酯、钛酸甲酯、钛酸乙酯、钛酸丙酯中的一种或多种。
优选地，所述钛酸酯为钛酸丁酯。
优选地，所述分散剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙酮、苯、四氯化碳中的一种或多种。
优选地，所述分散剂为乙醇。
优选地，所述吸附剂在进入燃烧室前与燃料混合，或者单独喷射进入燃烧室，在燃烧室内与燃料混合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本方法通过向燃烧室内添加适量以粉煤灰为主要原料制备的吸附剂，有效减少燃烧过程中细颗粒物、气态重金属以及SOx、HCl等酸性气态污染物的生成，同时失活吸附剂可通过下游除尘过程中分离脱除，最终实现细颗粒物和气态重金属的减排；
(2)本方法以电厂自身产生的固体废弃物-粉煤灰为主要原料，实现固体废弃物的资源化利用，并且实现吸附剂的原位制备，降低运输和制造成本；
(3)本方法可广泛应用于以煤、生物质、固体废弃物、石油、天然气等为燃料的层燃炉、室燃炉、流化床炉、旋风炉以及民用炉灶等不同燃烧源的细颗粒物和重金属排放控制，适用性强，应用范围广泛，具有较高的经济价值。
附图说明
图1是本方法的工作流程示意图；
图2是向煤粉中添加吸附剂前后产生颗粒物的质量粒径分布对比。
具体实施方式
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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
参照图1、图2，一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法，包括以下步骤：
(1)选取100g煤粉锅炉粉煤灰于烧杯中，加入0.1M浓度的硝酸溶液150mL，搅拌混合；
(2)将上述混合物放入去微波炉中微波加热20分钟，微波加热功率2500W；
(3)将上述微波处理样品过滤、去离子水多次冲洗-过滤直至pH值为7，将上述样品在120℃下烘干，获得微波处理粉煤灰；
(4)将上述样品中加入200mL浓度为0.1M的钛酸丁酯溶液，搅拌10分钟进行改性处理；
(5)将上述改性样品在120℃烘干，磨碎筛分至30μm以下获得所述颗粒物吸附剂；
(6)将上述吸附剂按一定质量比1/1000与煤粉混合，在沉降炉中燃烧(1500℃下燃烧)；
(7)利用低压颗粒物采样仪(LPI)收集燃烧产生的颗粒物，并计算PM1、PM2.5和PM10的质量浓度；利用承重式颗粒物采样仪(DGI)收集颗粒物并通过微波消解、ICP-MS测试分析细颗粒物中重金属含量，用以表征气态重金属排放程度。
结果表明，微波活化处理和钛酸酯改性是粉煤灰颗粒具有利于吸附反应的镂空结构，反应活性位充分暴露(见图2)。在上述实验条件下，由粉煤灰为原料制备的吸附剂可显著减少细颗粒物PM2.5，其质量浓度降低16％。同时，结果表明该吸附剂对颗粒物的控制效果随颗粒物粒径减小而增大，其对超细颗粒物PM1的减排效果高达21％。这主要是由于，吸附剂与燃烧产生的碱金属(Na、K、Ca)蒸汽以及S、Cl等颗粒物反应，减少矿物蒸汽均相成核生成细颗粒物的过程，从而减少了细颗粒物特别是超细颗粒物的生成量。同时，结果表明，加入吸附剂后细颗粒物PM2.5中As、Cd、Pb等重金属浓度降低11％～23％，表明该吸附剂可同时捕获固定重金属，减少重金属以气态或细颗粒物形式排放。
实施例2
参照图1、图2，一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法，包括以下步骤：
(1)选取100g循环流化床锅炉粉煤灰于烧杯中，加入2M浓度的硝酸溶液2000mL，搅拌混合；
(2)将上述混合物放入去微波炉中微波加热15分钟，微波加热功率2600W；
(3)将上述微波处理样品过滤、去离子水多次冲洗-过滤直至pH值为6，将上述样品在100℃下烘干，获得微波处理粉煤灰；
(4)将上述样品中加入200mL浓度为5M的钛酸丁酯溶液，搅拌30分钟进行改性处理；
(5)将上述改性样品在100℃烘干，磨碎筛分至30μm以下获得所述颗粒物吸附剂；
(6)将上述吸附剂按一定质量比1/10与煤粉混合，在沉降炉中燃烧(1500℃下燃烧)；
(7)利用低压颗粒物采样仪(LPI)收集燃烧产生的颗粒物，并计算PM1、PM2.5和PM10的质量浓度；利用承重式颗粒物采样仪(DGI)收集颗粒物并通过微波消解、ICP-MS测试分析细颗粒物中重金属含量，用以表征气态重金属排放程度。
结果表明，微波活化处理和钛酸酯改性是粉煤灰颗粒具有利于吸附反应的镂空结构，反应活性位充分暴露(见图2)。在上述实验条件下，由粉煤灰为原料制备的吸附剂可显著减少细颗粒物PM2.5，其质量浓度降低56％。同时，结果表明该吸附剂对颗粒物的控制效果随颗粒物粒径减小而增大，其对超细颗粒物PM1的减排效果高达71％。这主要是由于，吸附剂与燃烧产生的碱金属(Na、K、Ca)蒸汽以及S、Cl等颗粒物反应，减少矿物蒸汽均相成核生成细颗粒物的过程，从而减少了细颗粒物特别是超细颗粒物的生成量。同时，结果表明，加入吸附剂后细颗粒物PM2.5中As、Cd、Pb等重金属浓度降低31％～63％，表明该吸附剂可同时捕获固定重金属，减少重金属以气态或细颗粒物形式排放。
实施例3
参照图1、图2，一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法，包括以下步骤：
(1)选取100g煤粉锅炉粉煤灰于烧杯中，加入1M浓度的硝酸溶液500mL，搅拌混合；
(2)将上述混合物放入去微波炉中微波加热10分钟，微波加热功率6000W；
(3)将上述微波处理样品过滤、去离子水多次冲洗-过滤直至pH值为6.5，将上述样品在150℃下烘干，获得微波处理粉煤灰；
(4)将上述样品中加入200mL浓度为1M的钛酸丁酯溶液，搅拌15分钟进行改性处理；
(5)将上述改性样品在110℃烘干，磨碎筛分至30μm以下获得所述颗粒物吸附剂；
(6)将上述吸附剂按一定质量比1/100与煤粉混合，在沉降炉中燃烧(1500℃下燃烧)；
(7)利用低压颗粒物采样仪(LPI)收集燃烧产生的颗粒物，并计算PM1、PM2.5和PM10的质量浓度；利用承重式颗粒物采样仪(DGI)收集颗粒物并通过微波消解、ICP-MS测试分析细颗粒物中重金属含量，用以表征气态重金属排放程度。
结果表明，微波活化处理和钛酸酯改性是粉煤灰颗粒具有利于吸附反应的镂空结构，反应活性位充分暴露(见图2)。在上述实验条件下，由粉煤灰为原料制备的吸附剂可显著减少细颗粒物PM2.5，其质量浓度降低36％。同时，结果表明该吸附剂对颗粒物的控制效果随颗粒物粒径减小而增大，其对超细颗粒物PM1的减排效果高达51％。这主要是由于，吸附剂与燃烧产生的碱金属(Na、K、Ca)蒸汽以及S、Cl等颗粒物反应，减少矿物蒸汽均相成核生成细颗粒物的过程，从而减少了细颗粒物特别是超细颗粒物的生成量。同时，结果表明，加入吸附剂后细颗粒物PM2.5中As、Cd、Pb等重金属浓度降低19％～43％，表明该吸附剂可同时捕获固定重金属，减少重金属以气态或细颗粒物形式排放。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用粉煤灰降低燃烧源颗粒物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将粉煤灰加入摩尔浓度为0.1M～2M的酸溶液中形成固液混合物，其中粉煤灰的质量与酸溶液的体积的比例为1g：1.5mL～1g：20mL进行混合；
(2)将上述固液混合物在微波炉内加热10分钟～20分钟，其中微波炉的微波功率按照与粉煤灰质量的比值为25W：1g～60W：1g进行设定；
(3)将上述微波处理过的固液混合物在滤网上进行过滤，并采用去离子水多次冲洗混合物，直至滤网上的滤渣的pH值为6～7；
(4)将滤渣在60℃～150℃烘干形成样品；
(5)将上述样品中加入摩尔浓度为0.1M～5M的钛酸酯溶液中，搅拌10分钟～30分钟进行改性处理，从而获得改性样品；
(6)将上述改性样品在100℃～120℃温度下烘干，然后磨碎筛分至30μm以下，获得吸附剂粉末；
(7)将吸附剂粉末与燃料混合并且让两者在燃烧室内燃烧，其中吸附剂粉末与燃料的质量比为1：1000～1：10，则吸附剂粉末与燃烧源颗粒物反应，从而减少燃烧源颗粒物的生成；
(8)反应后的一部分吸附剂粉末随烟气排出燃烧室后经过除尘器分离和捕集。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉煤灰为燃用褐煤、烟煤、无烟煤或生物质在煤粉炉或流化床锅炉内燃烧产生的副产物飞灰，以实现低成本制备及废物利用。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、甲酸、乙酸、柠檬酸中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钛酸酯溶液为钛酸酯溶于分散剂中形成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述钛酸酯为钛酸丁酯、钛酸甲酯、钛酸乙酯、钛酸丙酯中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述钛酸酯为钛酸丁酯。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述分散剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙酮、苯、四氯化碳中的一种或多种。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述分散剂为乙醇。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸附剂在进入燃烧室前与燃料混合，或者单独喷射进入燃烧室，在燃烧室内与燃料混合。
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