本發(fā)明屬于燃燒煙氣凈化處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種利用凹凸棒石降低燃燒源顆粒物的方法。
背景技術(shù)：
化石燃料(煤、石油、天然氣)是當(dāng)今社會(huì)的主要能源，然而化石燃料燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒物，這是造成惡劣霧霾天氣發(fā)生的重要因素。細(xì)顆粒物pm2.5和重金屬是大氣顆粒物的重要組成部分，由于粒徑小，容易突破呼吸道的過濾作用，深入人體內(nèi)部，對(duì)人及動(dòng)物體的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)等產(chǎn)生各種損害。鑒于此，實(shí)現(xiàn)燃燒過程中細(xì)顆粒和重金屬的減排是減輕我國大氣顆粒物污染的重要技術(shù)路徑。
實(shí)現(xiàn)燃燒源細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物的減排有兩種技術(shù)策略。一種技術(shù)策略為生成后控制，即通過各種除塵設(shè)備對(duì)脫出已經(jīng)生成的顆粒物，而不考慮顆粒物的生成過程；另一種技術(shù)策略為生成過程中控制，即通過技術(shù)方法對(duì)顆粒物的生成過程進(jìn)行調(diào)控，通過對(duì)過程條件進(jìn)行控制減少顆粒物的生成量。兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，既可以獨(dú)立使用，又可以綜合使用兩種技術(shù)方法獲得更高的顆粒物脫出效率。
現(xiàn)行工業(yè)鍋爐、電站鍋爐等燃燒設(shè)備應(yīng)用的除塵技術(shù)以電除塵、布袋除塵技術(shù)為主，總體除塵效率達(dá)到98％以上。但靜電除塵技術(shù)對(duì)0.1～1μm粒徑段顆粒物存在“穿透”窗口，不能有效捕集產(chǎn)生的該粒徑段的細(xì)顆粒物及超細(xì)顆粒物。若單純通過增加電場或提升運(yùn)行參數(shù)等手段來提高該粒徑段的脫出效率，以滿足日益嚴(yán)格的灰塵排放濃度要求，則經(jīng)濟(jì)性較低。而布袋除塵技術(shù)應(yīng)用成本偏高，使用壽命短。因此，研究者基于顆粒物的生成過程提出了通過向燃燒室添加吸附劑的燃燒中顆粒物減排技術(shù)，用以補(bǔ)充、增強(qiáng)或替代現(xiàn)有除塵技術(shù)。
簡而言之，燃料燃燒過程中顆粒溫度升高，部分煤中攜帶的礦物隨即發(fā)生氣化或先通過各種反應(yīng)形成中間產(chǎn)物然后再氣化形成na、s、si等礦物蒸氣。氣化形成的礦物蒸氣在降溫過程中，一部分通過均相凝結(jié)成核，形成超細(xì)顆粒物，一部分在已有顆粒表面發(fā)生異相凝結(jié)，使顆粒逐漸長大。通過向燃燒過程添加吸附劑吸附固定礦物質(zhì)蒸汽，達(dá)到減少吸附顆粒物和氣態(tài)重金屬生成的目的。美國猶他大學(xué)wendt等(2000)研究指出高嶺土可以捕獲燃燒過程中形成的堿金屬及重金屬蒸氣，減少該類物質(zhì)向細(xì)顆粒物的遷移。日本中部大學(xué)的ninomiya等(2009)研究開發(fā)了一種mg基吸附劑，并在試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的作用效果。chen等(2011)、si等(2014)經(jīng)研究指出，通過向燃燒過程添加ca基、si基吸附劑可以捕獲燃燒形成的na等堿金屬蒸氣，達(dá)到減少顆粒物生成量的目的。趙長遂等(2010)研究和報(bào)道了使用fe基吸附劑控制控制燃煤顆粒物的方法。屈成銳等(2006)研究報(bào)道了使用mn基和ba基吸附劑控制燃煤超細(xì)顆粒物的方法。尹無忌(2013)也報(bào)道了一種蒙脫石-硅溶膠改性膨潤土制備pm2.5捕集劑的制備及使用方法。然而，目前已研發(fā)的燃煤吸附劑種類仍十分有限，存在作用效率低、吸附劑利用率低、價(jià)格昂貴、副產(chǎn)物有毒難以處理等缺點(diǎn)，不能充分滿足使用要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種利用凹凸棒石降低燃燒源顆粒物的方法，通過向煤/油燃燒室中添加以凹凸棒石為主要活性成分的吸附劑可有效控制燃料燃燒產(chǎn)生的細(xì)顆粒物和重金屬的排放，減輕pm2.5和重金屬污染。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種利用凹凸棒石降低燃燒源顆粒物的方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)將凹凸棒石與鈣鹽混合形成混合物，并且混合物中，按摩爾比ca/al＝0.15：1～0.35：1；
(2)將上述混合物在分散劑中潤洗和攪拌混合，再在100℃～150℃溫度下脫水干燥，然后研磨制成平均粒徑小于45μm的顆粒，則形成吸附劑粉末；
(3)將步驟(2)獲得的吸附劑粉末與燃料混合并且讓兩者在燃燒室內(nèi)燃燒，其中吸附劑粉末與燃料的質(zhì)量比為1：1000～1：10，則吸附劑粉末與燃燒源顆粒物反應(yīng)，從而減少燃燒源顆粒物的生成；
(4)反應(yīng)后的一部分吸附劑粉末隨煙氣排出燃燒室后經(jīng)過除塵器分離和捕集。
優(yōu)選地，所述凹凸棒石為天然凹凸棒石，或者，所述凹凸棒石為經(jīng)酸、堿、煅燒或插層改性處理后的凹凸棒石。
優(yōu)選地，所述吸附劑粉末在進(jìn)入燃燒室前與燃料混合，或者單獨(dú)噴射進(jìn)入燃燒室，在燃燒室內(nèi)與燃料混合。
優(yōu)選地，所述鈣鹽為碳酸鈣、氧化鈣、氫氧化鈣、乙酸鈣、甲酸鈣、丙酸鈣、酒石酸鈣中的一種或多種。
優(yōu)選地，所述分散劑為水或乙醇，以實(shí)現(xiàn)凹凸棒石與鈣鹽的充分混合及疏通凹凸棒石與鈣鹽內(nèi)部通道并實(shí)現(xiàn)表面活化。
優(yōu)選地，所述燃燒室為層燃爐、室燃爐、流化床爐、旋風(fēng)爐或民用爐灶。
優(yōu)選地，所述燃料為煤、生物質(zhì)、固體廢棄物、石油或天然氣。
優(yōu)選地，所述燃燒源顆粒物為堿金屬、重金屬礦物蒸汽或酸性礦物蒸汽。
優(yōu)選地，所述重金屬為as、cr、cd、pb和/或se。
優(yōu)選地，所述酸性礦物蒸汽為含s和/或cl的酸性礦物蒸汽。
總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：
1)該方法通過向燃燒室內(nèi)添加適量以凹凸棒石為主要活性組分的吸附劑，可以有效減少燃燒過程中細(xì)顆粒物、氣態(tài)重金屬以及sox、hcl等酸性氣態(tài)污染物的生成。同時(shí)失活吸附劑可通過下游除塵過程中分離脫除，最終實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物和氣態(tài)重金屬的減排；
2)該方法具有原料(凹凸棒石)儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，制備方法簡單環(huán)保，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，副產(chǎn)物綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于以煤、生物質(zhì)、固體廢棄物、石油、天然氣等為燃料的層燃爐、室燃爐、流化床爐、旋風(fēng)爐以及民用爐灶等不同燃燒源的細(xì)顆粒物和重金屬排放控制。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的工作示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
實(shí)施例1
參照?qǐng)D1，一種利用凹凸棒石降低燃燒源顆粒物的方法，包括以下步驟：
(1)選取天然凹凸棒石礦粉(索特爾粒徑為10μm)與化學(xué)純氫氧化鈣粉末試劑(索特爾粒徑為6μm)按摩爾比ca/al＝0.15/1混合；
(2)將上述混合物放入去離子水(固液體積比為1：3)中，以30轉(zhuǎn)/分鐘速度攪拌、潤洗、混合10分鐘，隨后將懸濁液放入烘箱中在120℃下脫水干燥(20小時(shí))，隨后將固體磨碎制成粒徑小于45μm的吸附劑粉末；
(3)將上述制取的吸附劑粉末按質(zhì)量比1/1000與煤粉(60-90μm)混合均勻，隨后送入沉降爐中燃燒，燃燒溫度1500℃；
(4)利用低壓顆粒物采樣儀(lpi)收集燃燒產(chǎn)生的顆粒物，并計(jì)算pm1、pm2.5和pm10的質(zhì)量濃度；利用承重式顆粒物采樣儀(dgi)收集顆粒物并通過微波消解、icp-ms測試分析細(xì)顆粒物中重金屬含量，用以表征氣態(tài)重金屬排放程度。
在上述實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)果表明，由凹凸棒石和氫氧化鈣為原料制備的吸附劑可顯著減少細(xì)顆粒物pm2.5，其質(zhì)量濃度降低16％。同時(shí)，結(jié)果表明該吸附劑對(duì)顆粒物的控制效果隨顆粒物粒徑減小而增大，其對(duì)超細(xì)顆粒物pm0.3的減排效果高達(dá)23％。這主要是由于，吸附劑與燃燒產(chǎn)生的堿金屬(na、k、ca)蒸汽以及s、cl等酸性礦物蒸汽反應(yīng)，減少礦物蒸汽均相成核生成細(xì)顆粒物的過程，從而減少了細(xì)顆粒物特別是超細(xì)顆粒物的生成量。同時(shí)，結(jié)果表明，加入吸附劑后細(xì)顆粒物pm2.5中as、cd、pb等重金屬濃度降低10～32％，表明該吸附劑可同時(shí)捕獲固定重金屬，減少重金屬以氣態(tài)或細(xì)顆粒物形式排放。
實(shí)施例2
參照?qǐng)D1，一種利用凹凸棒石降低燃燒源顆粒物的方法，包括以下步驟：
(1)選取天然凹凸棒石礦粉(索特爾粒徑為10μm)與化學(xué)純氫氧化鈣粉末試劑(索特爾粒徑為6μm)按摩爾比ca/al＝0.35/1混合；
(2)將上述混合物放入去離子水(固液體積比為1：4)中，以30轉(zhuǎn)/分鐘速度攪拌、潤洗、混合10分鐘，隨后將懸濁液放入烘箱中在150℃下脫水干燥(20小時(shí))，隨后將固體磨碎制成粒徑小于45μm的吸附劑粉末；
(3)將上述制取的吸附劑粉末按質(zhì)量比1/10與煤粉(60-90μm)混合均勻，隨后送入沉降爐中燃燒，燃燒溫度1500℃；
(4)利用低壓顆粒物采樣儀(lpi)收集燃燒產(chǎn)生的顆粒物，并計(jì)算pm1、pm2.5和pm10的質(zhì)量濃度；利用承重式顆粒物采樣儀(dgi)收集顆粒物并通過微波消解、icp-ms測試分析細(xì)顆粒物中重金屬含量，用以表征氣態(tài)重金屬排放程度。
在上述實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)果表明，由凹凸棒石和氫氧化鈣為原料制備的吸附劑可顯著減少細(xì)顆粒物pm2.5，其質(zhì)量濃度降低56％。同時(shí)，結(jié)果表明該吸附劑對(duì)顆粒物的控制效果隨顆粒物粒徑減小而增大，其對(duì)超細(xì)顆粒物pm0.3的減排效果高達(dá)63％。這主要是由于，吸附劑與燃燒產(chǎn)生的堿金屬(na、k、ca)蒸汽以及s、cl等酸性礦物蒸汽反應(yīng)，減少礦物蒸汽均相成核生成細(xì)顆粒物的過程，從而減少了細(xì)顆粒物特別是超細(xì)顆粒物的生成量。同時(shí)，結(jié)果表明，加入吸附劑后細(xì)顆粒物pm2.5中as、cd、pb等重金屬濃度降低34～62％，表明該吸附劑可同時(shí)捕獲固定重金屬，減少重金屬以氣態(tài)或細(xì)顆粒物形式排放。
實(shí)施例3
參照?qǐng)D1，一種利用凹凸棒石降低燃燒源顆粒物的方法，包括以下步驟：
(1)選取天然凹凸棒石礦粉(索特爾粒徑為10μm)與化學(xué)純氫氧化鈣粉末試劑(索特爾粒徑為6μm)按摩爾比ca/al＝0.25/1混合；
(2)將上述混合物放入去離子水(固液體積比為1：3)中，以30轉(zhuǎn)/分鐘速度攪拌、潤洗、混合10分鐘，隨后將懸濁液放入烘箱中在100℃下脫水干燥(20小時(shí))，隨后將固體磨碎制成粒徑小于45μm的吸附劑粉末；
(3)將上述制取的吸附劑粉末按質(zhì)量比1/100與煤粉(60-90μm)混合均勻，隨后送入沉降爐中燃燒，燃燒溫度1500℃；
(4)利用低壓顆粒物采樣儀(lpi)收集燃燒產(chǎn)生的顆粒物，并計(jì)算pm1、pm2.5和pm10的質(zhì)量濃度；利用承重式顆粒物采樣儀(dgi)收集顆粒物并通過微波消解、icp-ms測試分析細(xì)顆粒物中重金屬含量，用以表征氣態(tài)重金屬排放程度。
在上述實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)果表明，由凹凸棒石和氫氧化鈣為原料制備的吸附劑可顯著減少細(xì)顆粒物pm2.5，其質(zhì)量濃度降低37％。同時(shí)，結(jié)果表明該吸附劑對(duì)顆粒物的控制效果隨顆粒物粒徑減小而增大，其對(duì)超細(xì)顆粒物pm0.3的減排效果高達(dá)53％。這主要是由于，吸附劑與燃燒產(chǎn)生的堿金屬(na、k、ca)蒸汽以及s、cl等酸性礦物蒸汽反應(yīng)，減少礦物蒸汽均相成核生成細(xì)顆粒物的過程，從而減少了細(xì)顆粒物特別是超細(xì)顆粒物的生成量。同時(shí)，結(jié)果表明，加入吸附劑后細(xì)顆粒物pm2.5中as、cd、pb等重金屬濃度降低22～48％，表明該吸附劑可同時(shí)捕獲固定重金屬，減少重金屬以氣態(tài)或細(xì)顆粒物形式排放。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。