CN106929121A - 一种利用凹凸棒石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，并公开了一种利用凹凸棒石降低燃烧源颗粒物的方法，包括以下步骤：(1)将凹凸棒石与钙盐混合形成混合物；(2)将混合物在分散剂中润洗和搅拌混合，再在20℃～150℃温度下脱水干燥，然后研磨制成平均粒径小于45μm的颗粒，则形成吸附剂粉末；(3)将吸附剂粉末与燃料混合并且让两者在燃烧室内燃烧，从而减少燃烧源颗粒物的生成；(4)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。本方法可以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，实现细颗粒物和气态重金属的减排。

Description

一种利用凹凸棒石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，涉及一种利用凹凸棒石降低燃烧源颗粒物的方法。
背景技术
化石燃料(煤、石油、天然气)是当今社会的主要能源，然而化石燃料燃烧会产生大量的颗粒物，这是造成恶劣雾霾天气发生的重要因素。细颗粒物PM2.5和重金属是大气颗粒物的重要组成部分，由于粒径小，容易突破呼吸道的过滤作用，深入人体内部，对人及动物体的呼吸系统、心血管系统及神经系统等产生各种损害。鉴于此，实现燃烧过程中细颗粒和重金属的减排是减轻我国大气颗粒物污染的重要技术路径。
实现燃烧源细颗粒物和超细颗粒物的减排有两种技术策略。一种技术策略为生成后控制，即通过各种除尘设备对脱出已经生成的颗粒物，而不考虑颗粒物的生成过程；另一种技术策略为生成过程中控制，即通过技术方法对颗粒物的生成过程进行调控，通过对过程条件进行控制减少颗粒物的生成量。两种技术各有优缺点，既可以独立使用，又可以综合使用两种技术方法获得更高的颗粒物脱出效率。
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。
简而言之，燃料燃烧过程中颗粒温度升高，部分煤中携带的矿物随即发生气化或先通过各种反应形成中间产物然后再气化形成Na、S、Si等矿物蒸气。气化形成的矿物蒸气在降温过程中，一部分通过均相凝结成核，形成超细颗粒物，一部分在已有颗粒表面发生异相凝结，使颗粒逐渐长大。通过向燃烧过程添加吸附剂吸附固定矿物质蒸汽，达到减少吸附颗粒物和气态重金属生成的目的。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，减少该类物质向细颗粒物的迁移。日本中部大学的Ninomiya等(2009)研究开发了一种Mg基吸附剂，并在试验中表现出良好的作用效果。Chen等(2011)、Si等(2014)经研究指出，通过向燃烧过程添加Ca基、Si基吸附剂可以捕获燃烧形成的Na等碱金属蒸气，达到减少颗粒物生成量的目的。赵长遂等(2010)研究和报道了使用Fe基吸附剂控制控制燃煤颗粒物的方法。屈成锐等(2006)研究报道了使用Mn基和Ba基吸附剂控制燃煤超细颗粒物的方法。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。然而，目前已研发的燃煤吸附剂种类仍十分有限，存在作用效率低、吸附剂利用率低、价格昂贵、副产物有毒难以处理等缺点，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凹凸棒石降低燃烧源颗粒物的方法，通过向煤/油燃烧室中添加以凹凸棒石为主要活性成分的吸附剂可有效控制燃料燃烧产生的细颗粒物和重金属的排放，减轻PM2.5和重金属污染。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种利用凹凸棒石降低燃烧源颗粒物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒石与钙盐混合形成混合物，并且混合物中，按摩尔比Ca/Al＝0.15：1～0.35：1；
(2)将上述混合物在分散剂中润洗和搅拌混合，再在100℃～150℃温度下脱水干燥，然后研磨制成平均粒径小于45μm的颗粒，则形成吸附剂粉末；
(3)将步骤(2)获得的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；
(4)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，所述凹凸棒石为天然凹凸棒石，或者，所述凹凸棒石为经酸、碱、煅烧或插层改性处理后的凹凸棒石。
优选地，所述吸附剂粉末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。
优选地，所述钙盐为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、乙酸钙、甲酸钙、丙酸钙、酒石酸钙中的一种或多种。
优选地，所述分散剂为水或乙醇，以实现凹凸棒石与钙盐的充分混合及疏通凹凸棒石与钙盐内部通道并实现表面活化。
优选地，所述燃烧室为层燃炉、室燃炉、流化床炉、旋风炉或民用炉灶。
优选地，所述燃料为煤、生物质、固体废弃物、石油或天然气。
优选地，所述燃烧源颗粒物为碱金属、重金属矿物蒸汽或酸性矿物蒸汽。
优选地，所述重金属为As、Cr、Cd、Pb和/或Se。
优选地，所述酸性矿物蒸汽为含S和/或Cl的酸性矿物蒸汽。
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)该方法通过向燃烧室内添加适量以凹凸棒石为主要活性组分的吸附剂，可以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)该方法具有原料(凹凸棒石)储量丰富、价格低廉，制备方法简单环保，易于实现规模化生产，副产物绿色无污染等优点，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。
附图说明
图1是本发明的工作示意图。
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1，一种利用凹凸棒石降低燃烧源颗粒物的方法，包括以下步骤：
(1)选取天然凹凸棒石矿粉(索特尔粒径为10μm)与化学纯氢氧化钙粉末试剂(索特尔粒径为6μm)按摩尔比Ca/Al＝0.15/1混合；
(2)将上述混合物放入去离子水(固液体积比为1：3)中，以30转/分钟速度搅拌、润洗、混合10分钟，随后将悬浊液放入烘箱中在120℃下脱水干燥(20小时)，随后将固体磨碎制成粒径小于45μm的吸附剂粉末；
(3)将上述制取的吸附剂粉末按质量比1/1000与煤粉(60-90μm)混合均匀，随后送入沉降炉中燃烧，燃烧温度1500℃；
(4)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。
在上述实验条件下，结果表明，由凹凸棒石和氢氧化钙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PM0.3的减排效果高达23％。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等酸性矿物蒸汽反应，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10～32％，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1，一种利用凹凸棒石降低燃烧源颗粒物的方法，包括以下步骤：
(1)选取天然凹凸棒石矿粉(索特尔粒径为10μm)与化学纯氢氧化钙粉末试剂(索特尔粒径为6μm)按摩尔比Ca/Al＝0.35/1混合；
(2)将上述混合物放入去离子水(固液体积比为1：4)中，以30转/分钟速度搅拌、润洗、混合10分钟，随后将悬浊液放入烘箱中在150℃下脱水干燥(20小时)，随后将固体磨碎制成粒径小于45μm的吸附剂粉末；
(3)将上述制取的吸附剂粉末按质量比1/10与煤粉(60-90μm)混合均匀，随后送入沉降炉中燃烧，燃烧温度1500℃；
(4)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。
在上述实验条件下，结果表明，由凹凸棒石和氢氧化钙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PM0.3的减排效果高达63％。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等酸性矿物蒸汽反应，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34～62％，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1，一种利用凹凸棒石降低燃烧源颗粒物的方法，包括以下步骤：
(1)选取天然凹凸棒石矿粉(索特尔粒径为10μm)与化学纯氢氧化钙粉末试剂(索特尔粒径为6μm)按摩尔比Ca/Al＝0.25/1混合；
(2)将上述混合物放入去离子水(固液体积比为1：3)中，以30转/分钟速度搅拌、润洗、混合10分钟，随后将悬浊液放入烘箱中在100℃下脱水干燥(20小时)，随后将固体磨碎制成粒径小于45μm的吸附剂粉末；
(3)将上述制取的吸附剂粉末按质量比1/100与煤粉(60-90μm)混合均匀，随后送入沉降炉中燃烧，燃烧温度1500℃；
(4)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。
在上述实验条件下，结果表明，由凹凸棒石和氢氧化钙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37％。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PM0.3的减排效果高达53％。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等酸性矿物蒸汽反应，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22～48％，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 (10)

1.一种利用凹凸棒石降低燃烧源颗粒物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒石与钙盐混合形成混合物，并且混合物中，按摩尔比Ca/Al＝0.15：1～0.35：1；
(2)将上述混合物在分散剂中润洗和搅拌混合，再在100℃～150℃温度下脱水干燥，然后研磨制成平均粒径小于45μm的颗粒，则形成吸附剂粉末；
(3)将步骤(2)获得的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；
(4)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，所述凹凸棒石为天然凹凸棒石，或者，所述凹凸棒石为经酸、碱、煅烧或插层改性处理后的凹凸棒石。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸附剂粉末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。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钙盐为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、乙酸钙、甲酸钙、丙酸钙、酒石酸钙中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散剂为水或乙醇，以实现凹凸棒石与钙盐的充分混合及疏通凹凸棒石与钙盐内部通道并实现表面活化。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧室为层燃炉、室燃炉、流化床炉、旋风炉或民用炉灶。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料为煤、生物质、固体废弃物、石油或天然气。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧源颗粒物为碱金属、重金属矿物蒸汽或酸性矿物蒸汽。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述重金属为As、Cr、Cd、Pb和/或Se。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述酸性矿物蒸汽为含S和/或Cl的酸性矿物蒸汽。
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