CN109939561A - 一种用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭及其制备方法 - Google Patents

一种用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭及其制备方法 Download PDF

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姜浩浩
刘新亮
张�浩
刘秀玉
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Abstract

本发明公开了一种用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭及其制备方法，属于固废资源利用领域。该烧结法赤泥改性生物质活性炭包括生物质废弃物、赤泥、磷酸、无水乙醇、盐酸和水。所述生物质废弃物为果壳、果核、秸秆中的一种或多种；所述赤泥为烧结法赤泥。本发明利用烧结法赤泥与生物质废弃材料进行复合制备用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭，利用烧结法赤泥中含有的碱性物质、金属氧化物对生物质废弃材料进行改性处理，降低了改性活性炭的生产成本40％～50％，提高了其市场竞争力与应用范围，拓展了烧结法赤泥与生物质废弃材料的高附加值应用，实现“以废治废”的新思路。

Description

一种用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭及其 制备方法
技术领域
本发明属于固废资源利用领域，具体涉及一种将生物质废弃物与烧结法赤泥进行粉磨后，并且利用烧结法赤泥微粉对生物质废弃物微粉进行改性获得用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭及其制备方法。
背景技术
钢铁工业既是国家经济建设的支撑产业，也是对环境影响重大的高污染产业。钢铁工业中SO2排放量、氮氧化物排放量分别占全国排放量的9.3％于5.6％，其中烧结工序是主要的SO2、氮氧化物排放环节。近年来，随着我国对污染物(如：SO2、氮氧化物等)排放限值的进一步控制，迫使钢铁企业设计开发或引进先进污染物控制技术用于烧结烟气净化，如将火电厂烟气脱硫脱硝工艺用于钢铁企业烧结烟气净化，但是由于钢铁企业烧结烟气排放特点的原因并且取得理想效果。因此研发适合烧结烟气排放特点的联合脱硫脱硝一体化工艺已经成为钢铁企业关注的焦点，其中利用活性炭用于烧结烟气的脱硫脱硝已经在国内大型钢铁公司得到成功应用，但是在运行过程中所用活性炭的运行成本高、机械强度低且易粉化、燃点低存在烧塔风险，同时活性炭对氮氧化物的吸附效果受到SO2的影响，上述问题的存在极大的限制了活性炭干法烟气净化技术在钢铁企业烧结烟气净化技术中的推广。
活性炭是一种具有发达多孔结构与丰富比表面积的碳质材料，其普遍采用木材、竹子进行制备，导致成本高且不利于生态环境的可持续发展；利用活性炭负载金属活性位进行改性是提高活性炭对硫化物、氮氧化物转化效率的有效手段，但是活性炭负载金属多为金属氧化物，导致活性炭生产与失活后处理的成本较高。烧结法赤泥是氧化铝生产过程中产生的废渣，其主要组份是SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、Na2O、TiO2、MgO等，还含有灼碱成份和微量有色金属，其中CaO(37.2％～51.8％)、Al2O3(4.5％～8.5％)与Fe2O3(7.8％～14.4％)的含量较高。如果利用烧结法赤泥与生物质废弃材料(如：果壳、果核、秸秆等)进行复合制备烧结法赤泥改性生物质活性炭，利用烧结法赤泥中含有的碱性物质与金属氧化物对活性炭进行改性处理，不仅解决了改性活性炭成本高、环境破坏大的问题，而且拓展了烧结法赤泥与生物质废弃材料的高附加值应用，实现“以废治废”的新思路。
发明内容
为了解决普遍采用木材、竹子进行制备，导致成本高且不利于生态环境的可持续发展；利用活性炭负载金属活性位进行改性是提高活性炭对硫化物、氮氧化物转化效率的有效手段，但是活性炭负载金属多为金属氧化物，导致活性炭生产与失活后处理成本较高的问题。本发明将生物质废弃物与烧结法赤泥进行粉磨后，并且利用烧结法赤泥微粉对生物质废弃物微粉进行改性获得烧结法赤泥改性生物质活性炭，同时对粉磨速度、粉磨时间、超声功率、超声分散时间、烘干温度、煅烧温度、焙烧时间等进行控制，以期实现生物质废弃物与烧结法赤泥的高附加值循环利用，获得烟气脱硫脱硝性能优越且成本低廉的改性生物质活性炭。
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供了一种用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭，该活性炭按重量百分比原料如下：
所述生物质废弃物为果壳、果核、秸秆中的一种或多种；所述赤泥为烧结法赤泥；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。
本发明同时提供了上述用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭的制备方法，具体包括如下步骤：
首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速400r/min～600r/min粉磨45min～90min，获得生物质微粉；将赤泥利用变频行星式球磨机以转速400r/min～600r/min粉磨45min～90min，获得赤泥微粉。
其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为400W～600W的超声波细胞破碎仪超声分散30min～60min，获得生物质废弃物微粉溶液；将赤泥微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为400W～600W的超声波细胞破碎仪超声分散30min～60min，获得赤泥微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与赤泥微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为600W～800W的超声波细胞破碎仪超声分散60min～120min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体。
最后将烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-O.08MPa～-0.04MPa和温度为70℃～90℃的真空干燥箱进行活化120min～240min后，利用煅烧温度为200℃～300℃的实验炉焙烧15min～45min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭。
本发明的科学原理：
(1)烧结法赤泥主要化学成分为SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、Na2O、TiO2、MgO等其中CaO具有高碱性，CaO与烧结烟气中SO2发生CaO+SO2→CaSO3反应有利于提高脱硫效率，Fe2O3具有催化还原性能，可以与活性炭协同作用对烧结烟气中NO进行催化还原有利于提高脱硝效率。
(2)利用含有炭成分的生物质废弃材料(如：果壳、果核、秸秆等)取代木材、竹子制备生物质活性炭，不仅降低了活性炭生产成本，而且促进了生态环境的可持续发展。
(3)烧结法赤泥改性生物质活性炭利用活性炭的高吸附性能，以及烧结法赤泥对烟气中硫化物、氮氧化物具有碱性吸收作用与催化还原作用，实现生物质活性炭与烧结法赤泥的协同，从而提高烧结法赤泥改性生物质活性炭的烟气脱硫脱硝性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明解决了现有技术普遍采用木材、竹子进行制备，导致成本高且不利于生态环境的可持续发展；利用活性炭负载金属活性位进行改性是提高活性炭对硫化物、氮氧化物转化效率的有效手段，但是活性炭负载金属多为金属氧化物，导致活性炭生产与失活后处理成本较高的问题，降低了改性活性炭的生产成本40％～50％，提高了其市场竞争力与应用范围。
2、本发明利用烧结法赤泥与生物质废弃材料(如：果壳、果核、秸秆等)进行复合制备用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭，利用烧结法赤泥中含有的碱性物质、金属氧化物对生物质废弃材料进行改性处理，拓展了烧结法赤泥与生物质废弃材料的高附加值应用，实现“以废治废”的新思路。
3、本发明一种用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭及其制备方法符合相关节能环保、循环经济的政策要求。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述生物质废弃物为果壳；所述赤泥为烧结法赤泥；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。
首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速400r/min粉磨60min，获得生物质废弃物微粉；将赤泥利用变频行星式球磨机以转速600r/min粉磨90min，获得赤泥微粉。
其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为500W的超声波细胞破碎仪超声分散50min，获得生物质废弃物微粉溶液；将赤泥微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为400W的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得赤泥微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与赤泥微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为800W的超声波细胞破碎仪超声分散60min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体。
最后将烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.04MPa和温度为80℃的真空干燥箱进行活化150min后，利用煅烧温度为300℃的实验炉焙烧15min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭。
实施例2
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述生物质废弃物为果核；所述赤泥为烧结法赤泥；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。
首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速600r/min粉磨90min，获得生物质废弃物微粉；将赤泥利用变频行星式球磨机以转速400r/min粉磨60min，获得赤泥微粉。
其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为400W的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得生物质废弃物微粉溶液；将赤泥微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为600W的超声波细胞破碎仪超声分散50min，获得赤泥微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与赤泥微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为600W的超声波细胞破碎仪超声分散100min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体。
最后将烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.08MPa和温度为90℃的真空干燥箱进行活化240min后，利用煅烧温度为200℃的实验炉焙烧30min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭。
实施例3
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述生物质废弃物为秸秆；所述赤泥为烧结法赤泥；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。
首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速500r/min粉磨45min，获得生物质废弃物微粉；将赤泥利用变频行星式球磨机以转速500r/min粉磨75min，获得赤泥微粉。
其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为600W的超声波细胞破碎仪超声分散60min，获得生物质废弃物微粉溶液；将赤泥微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为500W的超声波细胞破碎仪超声分散30min，获得赤泥微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与赤泥微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为700W的超声波细胞破碎仪超声分散120min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体。
最后将烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.06MPa和温度为70℃的真空干燥箱进行活化180min后，利用煅烧温度为250℃的实验炉焙烧45min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭。
实施例4
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述生物质废弃物为秸秆；所述赤泥为烧结法赤泥；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。
首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速600r/min粉磨75min，获得生物质废弃物微粉；将赤泥利用变频行星式球磨机以转速500r/min粉磨45min，获得赤泥微粉。
其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为400W的超声波细胞破碎仪超声分散30min，获得生物质废弃物微粉溶液；将赤泥微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为500W的超声波细胞破碎仪超声分散60min，获得赤泥微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与赤泥微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为800W的超声波细胞破碎仪超声分散80min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体。
最后将烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.04MPa和温度为70℃的真空干燥箱进行活化210min后，利用煅烧温度为200℃的实验炉焙烧15min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭。
实施例5
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述生物质废弃物为果核；所述赤泥为烧结法赤泥；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。
首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速400r/min粉磨90min，获得生物质废弃物微粉；将赤泥利用变频行星式球磨机以转速600r/min粉磨60min，获得赤泥微粉。
其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为500W的超声波细胞破碎仪超声分散30min，获得生物质废弃物微粉溶液；将赤泥微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为600W的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得赤泥微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与赤泥微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为600W的超声波细胞破碎仪超声分散60min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体。
最后将烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.08MPa和温度为90℃的真空干燥箱进行活化120min后，利用煅烧温度为250℃的实验炉焙烧30min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭。
实施例6
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述生物质废弃物为果壳；所述赤泥为烧结法赤泥；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。
首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速500r/min粉磨60min，获得生物质废弃物微粉；将赤泥利用变频行星式球磨机以转速400r/min粉磨90min，获得赤泥微粉。
其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为600W的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得生物质废弃物微粉溶液；将赤泥微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为400W的超声波细胞破碎仪超声分散50min，获得赤泥微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与赤泥微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为600W的超声波细胞破碎仪超声分散100min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体。
最后将烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.06MPa和温度为80℃的真空干燥箱进行活化180min后，利用煅烧温度为300℃的实验炉焙烧45min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭。
对比例1
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
所述生物质废弃物为果壳；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。
首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速500r/min粉磨60min，获得生物质废弃物微粉。
其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为600W的超声波细胞破碎仪超声分散40min，获得生物质废弃物微粉溶液；将水与盐酸混合后，利用超声功率为400W的超声波细胞破碎仪超声分散50min，获得盐酸溶液；将生物质废弃物微粉溶液与盐酸溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为600W的超声波细胞破碎仪超声分散100min，获得生物质活性炭前躯体。
最后将生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.06MPa和温度为80℃的真空干燥箱进行活化180min后，利用煅烧温度为300℃的实验炉焙烧45min，获得生物质活性炭。
制备实施例1～6及对比例1，其性能检测过程如下：
石英管固定床反应器内径Φ35mm，实验过程中将6g烧结法赤泥改性生物质活性炭固定在反应床中部，并利可编程控制器对反应温度进行控制。实验气氛采用N2、NO、NH3、SO2和O2在混气瓶中按[N2]为84.8％、[NO]为0.05％、[NH3]为0.05％、[SO2]为0.10％和[O2]为15％混合均匀后进入固定床反应器中模拟工业烧结烟气，其中入口气体总流量为600mL/min、体积空速为3600h-1、反应温度为120℃和反应时间为8h。采用烟气分析仪对模拟工业烧结烟气与尾气中的SO2浓度、NO浓度进行测试。
表1烧结法赤泥改性生物质活性炭的脱硫效率与脱硝效率
序号 脱硫效率/％ 脱硝效率/％
实施例1 100 48.1
实施例2 100 53.6
实施例3 100 55.5
实施例4 100 58.2
实施例5 100 51.9
实施例6 100 53.4
对比例1 88 42.1

Claims (2)

1.一种用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭，其特征在于，该活性炭按重量百分比原料如下：
所述生物质废弃物为果壳、果核、秸秆中的一种或多种；所述赤泥为烧结法赤泥；所述磷酸为分析纯；所述无水乙醇为分析纯；所述盐酸为分析纯；所述水为去离子水。
2.一种如权利要求1所述用于烟气脱硫脱硝的烧结法赤泥改性生物质活性炭的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
首先将生物质废弃物洗净且干燥后，利用变频行星式球磨机以转速400r/min～600r/min粉磨45min～90min，获得生物质废弃物微粉；将赤泥利用变频行星式球磨机以转速400r/min～600r/min粉磨45min～90min，获得赤泥微粉；
其次将生物质废弃物微粉与磷酸进行混合后，利用超声功率为400W～600W的超声波细胞破碎仪超声分散30min～60min，获得生物质废弃物微粉溶液；将赤泥微粉与水进行混合且滴加盐酸后，利用超声功率为400W～600W的超声波细胞破碎仪超声分散30min～60min，获得赤泥微粉溶液；将生物质废弃物微粉溶液与赤泥微粉溶液进行混合且加入无水乙醇后，利用超声功率为600W～800W的超声波细胞破碎仪超声分散60min～120min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体；
最后将烧结法赤泥改性生物质活性炭前躯体放置于真空压强为-0.08MPa～-0.04MPa和温度为70℃～90℃的真空干燥箱进行活化120min～240min后，利用煅烧温度为200℃～300℃的实验炉焙烧15min～45min，获得烧结法赤泥改性生物质活性炭。
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