CN115171798A - 一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法 - Google Patents

一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于研究并发现煤中Na含量和活性炭低温脱硫和/或脱硝之间的关系，提供一种快速预测活性炭低温脱硫脱硝性能的方法及其应用，属于活性炭制备及应用技术领域，具体步骤包含：a.对活性炭制备原料煤分组取样并分析得到各组煤样中Na含量；b.测定对应煤样制备活性炭脱硫硫容和/或脱硝脱硝率/硝容；c.分别建立煤中Na含量与活性炭脱硫和/或脱硝活性的预测模型。本发明建立了煤中Na含量与活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的预测模型，从而直接、高效的判断煤样制备活性炭并用于低温烟气治理的潜力，进一步推动利用高钠煤制备活性炭和煤基活性炭的工业化应用。

Description

一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的 方法
技术领域
本发明属于活性炭制备及应用技术领域，具体涉及一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法。
背景技术
钢铁行业中烧结烟气由于具有较低的烟温（120~180℃）和复杂的烟气组成等特点，燃煤电厂的成熟的污染物控制技术不能直接应用到钢铁行业。同时，面对超低排放的挑战，活性炭脱硫脱硝一体化脱除技术不但可以实现多污染物协同脱除，而且还具有节约水资源、副产品易于回收等优点，被认为是一种简单有效、经济、环保、有巨大应用潜力的污染物净化技术。由于成本较低，储量丰富等原因，煤是目前生产活性炭的主要原料并且已经得到了大规模的工业化应用。研究表明，煤主要由有机质和无机矿物质组成，其组成对制备活性炭的结构和性能有显著的影响。煤阶的差异造成了活性炭孔结构发育方向不同；煤中无机矿物质黄铁矿和方解石可以调控活性炭理化结构发育和促进脱硫脱硝的作用。进一步构建煤中Na含量与活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的预测模型对促进煤炭资源的综合利用和推动煤基活性炭的工业化应用具有重要的指导意义。
准噶尔煤田位于中国西北新疆省由东部、南部和北部，煤储量达到390 Gt，被认为是典型的高钠煤，灰中氧化钠含量甚至可以达到4 %。钠的赋形式主要有水溶Na，醋酸铵溶Na，盐酸溶Na和不溶形式Na。目前利用高钠煤主要方式作为动力煤直接燃烧，但是在燃烧过程中其易形成沾污，结垢，腐蚀和结块，阻碍了其大规模的利用。
基于针对上述瓶颈，利用高钠煤制备活性炭有利于实现高钠煤的高值化利用和煤炭资源的综合利用，其中需要提供简单、快速、有效的通过煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法。
发明内容
本发明的目的在于研究并发现煤中Na含量和活性炭低温脱硫和/或脱硝之间的关系，提供一种快速预测活性炭低温脱硫脱硝性能的方法及其应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法，包括如下步骤：
a.对活性炭制备原料煤分组取样并进行X射线荧光分析仪（XRF）分析、电感耦合等离子分析光谱（ICP）分析以及EVA等定量软件确定各组煤样中Na含量；
b.测试各组煤样制备活性炭单独脱硫硫容、单独脱硝脱硝率、同时脱硫脱硝的硫容和硝容；
c.分别建立活性炭低温脱硫和/或脱硝的预测模型。
根据本发明的一个方面，在所述步骤a中，至少取三组原料煤样品。
根据本发明的一个方面，所述步骤c中Na含量对活性炭低温脱硫和/或脱硝模型的建立采用非线性回归分析的方法。
根据本发明的一个方面，在所述步骤c中，还包含所述预测模型进行优化和验证。
根据本发明的一个方面，对预测模型的验证和优化包括以下步骤：
S1.根据上述步骤a、b的操作方法，任取一组煤样和用该煤样制备的活性炭，分别测试得到煤中Na的含量和活性炭低温单独脱硫脱硝时的硫容和脱硝率和同时脱硫脱硝时的硫容和硝容；
S2. 将所述Na含量输入所述预测模型，分别计算得到活性炭的硫容和脱硝率/硝容；
S3. 将硫容和脱硝率/硝容的计算值与真实值进行比较，计算偏差，确定偏差最小的预测模型
活性炭低温脱硫和/或脱硝活性的测试方法包含以下步骤：
T1.测定活性炭原料煤中Na含量并记为C；
T2.通过以下公式将煤中Na含量转换为活性炭硫容（S）和脱硝率（Re）/硝容（N）：
单独脱硫时：S=A1C2+B1C+D1；其中A1=-94.46，B1=40.29，D1=80.90；
单独脱硝时：Re=A2C2+B2C+D2；其中A2=94.64，B2=-26.78，D2=37.14；
同时脱硫脱硝时：S=A3C2+B3C+D3；N=A4C2+B4C+D4；其中A3=-89.82，B3=31.80，D3=32.37；A4=-11.61，B4=7.80，D4=2.15。
基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法，对促进利用高钠煤制备活性炭、实现高钠煤高值化利用以及进一步推动煤基活性炭的工业化应用具有重要的指导意义。
本发明的有益效果如下：
根据本发明的一个方案，基于通过多元分析方法建立了煤中Na含量与活性炭脱硫（硫容）和脱硝（脱硝率/硝容）的预测模型，为后续利用高钠煤制备活性炭并用于非电行业烟气治理时通过煤中Na含量，并将Na含量直接带入预测模型直接计算得到活性炭样品的脱硫（硫容）和/或脱硝（脱硝率/硝容）活性。而本发明的煤中Na含量与活性炭单独脱硫硫容和单独脱硝的脱硝率的拟合度均大于0.98；同时脱硫脱硝时煤中Na含量与硫容的拟合度大于0.95，与硝容的拟合度大于0.80，可见通过预测模型计算值与真实值较为接近，可以很好的替代直接检测的方法。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式建立预测模型方法的流程图；
图2为煤中Na含量与活性炭单独脱硫硫容的散点图及预测模型；
图3为煤中Na含量与活性炭单独脱硝脱硝率的散点图及预测模型；
图4为煤中Na含量与活性炭同时脱硫脱硝硫容的散点图及预测模型；
图5为煤中Na含量与活性炭同时脱硫脱硝硝容的散点图及预测模型。
具体实施方式
为了达到更清楚地说明本发明的实施方式的目的，下面将简单的介绍实施方式中所需要使用的附图。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域相关人员，还可以根据这些附图获得其它的附图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不能因此限定于以下实施方式。
1、基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能方法构思。
活性炭结构决定其脱除污染物的活性。对于脱硫脱硝而言，硫容和脱硝率/硝容是主要的考察指标。本发明的构思在于活性炭作为孔结构丰富和表面化学性质活跃的吸附多孔材料，其性能很大程度上受到原料煤组成的影响。因此，通过建立煤中Na含量直接预测活性炭低温脱硫和/或脱硝的预测模型，对后续利用高钠煤生产活性炭提供可预见性分析，避免盲目尝试。如果煤中Na含量对制备的活性炭具有固定的非线性关系，通过简单检测原料煤中Na含量，而后，根据Na含量快速、高效地判断活性炭低温脱硫和/或脱硝活性，从而更好的指导实际生产和工业化应用。
本发明选取典型的准东红沙泉和二将军庙高Na煤为原料通过XRF和ICP得到煤样中Na含量分别为分别0.4%和0.1%。
2、活性炭样品的制备
参照图1示出的本发明的关键是活性炭样品的制备，具体的制备方法是将上述煤样与23%粘结剂（沥青和煤焦油的混合物）充分混合，继而在75℃成型5 min、600℃在N2保护下炭化/热解1h和900℃水蒸气条件下活化30 min即制备得到活性炭样品并记为AC-XNa，其中X分别为红沙泉煤和二将军煤样中Na含量。
通过发明内容中的预测模型计算得到对应煤样制备活性炭的脱硫硫容和/或脱硝脱硝率/硝容，如下所示。
单独脱硫脱硝：
表1 单独脱硫硫容和单独脱硝脱硝率计算值
Figure 148266DEST_PATH_IMAGE001
同时脱硫脱硝：
表2 同时脱硫脱硝硫容和硝容计算值
Figure 534248DEST_PATH_IMAGE002
将上述制备的活性炭样品参考GB/T 35254-2017 进行低温脱硫脱硝活性测试，得到硫容（S）和脱硝率（Re）/硝容（N），测量过程如公式（1,2,3）所示，结果如表3和4所示。
公式（1，2，3）用于活性炭样品硫容和脱硝率/硝容，气体流量为200 mL/min，单独脱硫时的空速为12000 h-1，单独脱硝和同时脱硫脱硝时的空速为4000 h-1。
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中F为模拟烟气总流量（mL/min）；M为活性炭样品质量（g）；tq为吸附的化学计量时间，本发明中选取60 min对所有活性炭样品进行硫容/硝容的计算；Cin，Cout分别为SO2和NO在进口和出口的浓度，本发明中当活性炭样品脱硝速率达到平衡时计算得到该活性炭样品的脱硝率。
表3和4，不同Na含量活性炭硫容和脱硝率/硝容的测定值。
单独脱硫脱硝：
表3单独脱硫硫容和单独脱硝脱硝率测定值
Figure 127034DEST_PATH_IMAGE004
同时脱硫脱硝：
表4 同时脱硫脱硝硫容和硝容测定值
Figure 115719DEST_PATH_IMAGE005
对比表1、2和3、4，计算值较为接近真实值，其偏差在±0.3以内。计算值能直接、准确、可靠的反应活性炭低温脱硫和/或脱硝活性。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
a，对活性炭制备用煤分组取样并分析得到各组煤样中Na含量；
b，测定对应煤样制备活性炭脱硫硫容和/或脱硝脱硝率/硝容；
c，分别建立煤中Na含量与活性炭脱硫和/或脱硝活性的预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法，其特征在于：步骤a中，取样至少取三组原料煤样品，Na含量的测定方法包括X射线荧光分析仪分析、电感耦合等离子分析光谱分析或EVA中的任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法，其特征在于：步骤c中所述脱硫和/或脱硝活性的预测模型通过非线性回归分析的方法。
4.根据权利要求1所述的一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法，其特征在于步骤c中还包括对所述预测模型进行优化和验证。
5.根据权利要求4所述的一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法，其特征在于：对所述预测模型进行优化和验证，包括如下步骤：
S1.按照所述步骤a、b的操作方法，取一组煤样和用该煤样制备得到活性炭，分别测试得到煤中Na含量和活性炭单独脱硫脱硝时的硫容和脱硝率和同时脱硫脱硝时的硫容和硝容；
S2. 将测试得到的Na含量输入所述预测模型，分别计算得到活性炭的硫容和脱硝率/硝容；
S3. 将硫容和脱硝率/硝容的计算值与真实值进行比较，计算偏差，确定偏差最小的预测模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于煤中Na含量预测活性炭低温脱硫和/或脱硝性能的方法，其特征在于：步骤c中煤中Na含量与活性炭脱硫和/或脱硝活性的预测模型如下：
T1.分析得到煤样中Na的含量记为C，C＜0.5%；
T2.利用以下公式将煤中Na含量转换为活性炭硫容S和/或脱硝率Re/硝容N：单独脱硫时：S=A1C2+B1C+D1；其中A1=-94.46，B1=40.29，D1=80.90；
单独脱硝时：Re=A2C2+B2C+D2；其中A2=94.64，B2=-26.78，D2=37.14；
同时脱硫脱硝时：S=A3C2+B3C+D3；N=A4C2+B4C+D4；其中A3=-89.82，B3=31.80，D3=32.37；A4=-11.61，B4=7.80，D4=2.15。
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