基于柱撐法改性蒙脫石的燃煤超細(xì)顆粒物控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤燃燒污染物控制領(lǐng)域，具體為基于柱撐法改性蒙脫石的燃煤超細(xì)顆粒物控制方法。
技術(shù)背景
[0002]煤炭是我國(guó)目前最重要的一次能源，占一次能源總量的60%以上，隨著新能源的開發(fā)和利用，這一比例將會(huì)有所下降。但是由于我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以及資源分布問題，在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭在一次能源中的主導(dǎo)地位將不會(huì)改變。煤炭在我國(guó)的應(yīng)用主要用于發(fā)電和化工，其中又以燃煤發(fā)電最為普遍。煤在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生許多污染物，如S0x、N0x、CO2以及顆粒物等，同時(shí)會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)、形成酸雨破壞建筑物和農(nóng)作物、污染大氣影響環(huán)境以及人體健康等。燃煤產(chǎn)生的顆粒物是大氣污染物的重要組成部分，是霧霾的重要成因之一，這部分顆粒物極易富集一些重金屬以及有機(jī)污染物，對(duì)人體健康有極大的威脅。而且我國(guó)煤炭灰分普遍偏高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)灰分小于10%的特低灰分煤僅占煤儲(chǔ)量的17%，大部分煤炭的灰分為10%_30%，這就對(duì)燃煤電廠控制粉塵等污染物的排放提出了較高的技術(shù)要求。
[0003]顆粒直徑小于等于10 μ m的顆粒物(PMiq )被稱為人體可吸入顆粒物，氣象專家和醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，由細(xì)顆粒物造成的灰霾天氣對(duì)人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。粒徑10 μ m以上的顆粒物，會(huì)被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5 μπι-10 μ m之間的顆粒物，能夠進(jìn)入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會(huì)被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對(duì)人體健康危害相對(duì)較小；而粒徑在2.5 μπι以下的細(xì)顆粒物，直徑相當(dāng)于人類頭發(fā)的1/10大小，不易被阻擋。被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。每個(gè)人每天平均要吸入約I萬升的空氣，進(jìn)入肺泡的微塵可迅速被吸收、不經(jīng)過肝臟解毒直接進(jìn)入血液循環(huán)分布到全身；其次，會(huì)損害血紅蛋白輸送氧的能力，喪失血液。對(duì)貧血和血液循環(huán)障礙的病人來說，可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。例如可以加重呼吸系統(tǒng)疾病，甚至引起充血性心力衰竭和冠狀動(dòng)脈等心臟疾病?？傊@些顆粒還可以通過支氣管和肺泡進(jìn)入血液，其中的有害氣體、重金屬等溶解在血液中，對(duì)人體健康的傷害更大。人體的生理結(jié)構(gòu)決定了對(duì)ΡΜ2.5沒有任何過濾、阻攔能力，而PM2.5對(duì)人類健康的危害卻隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，逐步暴露出其恐怖的一面。另外，PM極易吸附一些重金屬及有機(jī)污染物，進(jìn)入人體后會(huì)對(duì)人體健康造成巨大危害。世界衛(wèi)生組織下屬國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)2013年10月發(fā)布報(bào)告，確認(rèn)大氣污染物對(duì)人類致癌，而固體顆粒物ΡΜ2.5為大氣污染物的主要組成部分。
[0004]目前國(guó)內(nèi)外對(duì)煤燃燒顆粒物的減排大體有燃燒前控制、燃燒中抑制與燃燒后收集三種方式。燃燒前控制主要是對(duì)煤粉進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，包括控制煤粉粒度、去除煤粉中特定礦物質(zhì)等；燃燒中抑制主要是在燃燒過程中加入添加劑，通過物理吸附或者復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)是顆粒物向大粒徑轉(zhuǎn)移，常用的添加劑包括高嶺土、石灰石等；燃燒后收集是目前我國(guó)電廠普遍采用的一種技術(shù)手段，通常有靜電除塵、濕式除塵、電袋除塵等技術(shù)手段。目前的研究表明，燃煤超細(xì)顆粒物主要由氣化凝結(jié)、礦物直接轉(zhuǎn)化、煤焦破碎以及異相凝結(jié)等作用產(chǎn)生，通過吸附劑表面反應(yīng)以及熔融的機(jī)理，能夠阻止超細(xì)模態(tài)顆粒形成或使得超細(xì)顆粒物(空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于0.5 μπι的顆粒物)朝著細(xì)顆粒物轉(zhuǎn)變，從而有效的控制超細(xì)顆粒物的排放。目前，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的有效的爐內(nèi)添加劑主要包括硅鋁基吸附劑、鎂基吸附劑、鈣基吸附劑和硅基吸附劑，其中以硅鋁基吸附劑對(duì)細(xì)顆粒物的抑制效果最好，最具代表性的為高嶺土，但是總體而言，目前開發(fā)研究的可供選擇的硅鋁基吸附劑種類極少，有待進(jìn)一步開發(fā)研究。
[0005]現(xiàn)有的爐內(nèi)顆粒物減排技術(shù)專利中，CN200910273086.4《一種富氧燃燒下脫除污染物的方法》中提出利用高嶺土作為吸附劑，在o2/co2燃燒條件下通過物理吸附或者復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)將亞微米顆粒(PM1X重金屬和堿金屬等多種污染物進(jìn)行聯(lián)合脫除，從而減少細(xì)顆粒物的排放。CN201010109820.6《燃煤超細(xì)顆粒物的脫除方法》中將Mg基吸附劑與煤粉混合后進(jìn)行燃燒，通過吸附作用，有效的減少了燃煤超細(xì)顆粒物的排放。但是，目前研究表明，對(duì)超細(xì)顆粒物脫除效果最好的高嶺土的脫除顆粒物效率在30%左右，仍然會(huì)有大量的超細(xì)顆粒物排放到環(huán)境中，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成巨大危害。
[0006]通過廣泛的實(shí)驗(yàn)室新型添加劑篩選工作，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)絕大部分礦物對(duì)超細(xì)顆粒物的捕獲效果要弱于高嶺土，因此發(fā)明人選擇對(duì)部分吸附劑進(jìn)行改性處理，改變吸附劑本身的物理和化學(xué)特性，來增加其對(duì)超細(xì)顆粒物的捕獲能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)目前除塵裝置以及現(xiàn)有礦物添加劑對(duì)超細(xì)顆粒物的捕獲率不高問題，本發(fā)明目的在于提供一種基于柱撐法改性蒙脫石的燃煤超細(xì)顆粒物控制方法，通過添加改性蒙脫石脫除超細(xì)顆粒物，能夠明顯提高原蒙脫石對(duì)超細(xì)顆粒物的捕獲率，有效地減少超細(xì)顆粒物的排放。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):基于柱撐法改性蒙脫石的燃煤超細(xì)顆粒物控制方法，在煤粉中添加改性蒙脫石添加劑，混合均勻后，將摻有改性蒙脫石添加劑的煤粉送入鍋爐內(nèi)燃燒，在燃燒過程中，所述改性蒙脫石添加劑通過物理化學(xué)作用一方面抑制超細(xì)顆粒物的生成，另一方面吸附已產(chǎn)生的超細(xì)顆粒物，使之向大粒徑轉(zhuǎn)移，形成可以被除塵裝置捕獲的大顆粒。
[0009]本發(fā)明所述改性蒙脫石添加劑與煤粉的質(zhì)量比為2-5:100。
[0010]本發(fā)明所述改性蒙脫石添加劑為羥基鋁柱撐改性蒙脫石和干法十二烷基磺酸鈉(SDS)柱撐改性蒙脫石中的一種或兩種的組合。
[0011]所述摻有改性蒙脫石添加劑的煤粉以0.1-0.2g/min的恒定速率送入鍋爐中燃
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[0012]所述羥基鋁改性蒙脫石粉末的制備工藝如下:
1)氯化鋁溶液水解得到羥基鋁柱撐液:取NaOH溶液滴入AlCl3S液中，為了避免生成氫氧化鋁沉淀，滴加過程緩慢進(jìn)行，滴加完成后機(jī)械攪拌1-2.5小時(shí)，所得羥基鋁柱撐液的OH/Al3+為2-3，然后在室溫下陳化三天；
2)將蒙脫石烘干，除去吸附水；
3)將蒙脫石加入到陳化后的羥基鋁柱撐液中，攪拌2-3h，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行多次離心分離和洗滌，獲得羥基鋁改性蒙脫石粉末；
4)將所得羥基鋁改性蒙脫石烘干，然后進(jìn)行粉碎研磨，用篩網(wǎng)收集45 μ m-90 μ m粒徑范圍內(nèi)的羥基鋁改性蒙脫石粉末。
[0013]所述步驟I)中，所述NaOH溶液的摩爾濃度為O. 2-0. 4 mol/L。所述AlCl3溶液的摩爾濃度為O. 3-0. 5mol/Lo
[0014]所述步驟2)中，蒙脫石置于45°C烘箱中3_4h，除去吸附水。
[0015]所述步驟3)中蒙脫石與羥基鋁柱撐液之間的質(zhì)量體積比為I :60_65。
[0016]所述干法十二烷基磺酸鈉（SDS)改蒙脫石性粉末的制備工藝如下：
1)將蒙脫石烘干，除去吸附水；
2)將蒙脫石中加入十二烷基磺酸鈉（SDS)中，其中蒙脫石與十二烷基磺酸鈉（SDS)的質(zhì)量比為5-7:1，混合均勻后，置于馬弗爐中在高于十二烷基磺酸鈉（SDS)的熔點(diǎn)的溫度下煅燒30-45min，煅燒完成后，于空氣中冷卻至室溫，得到十二烷基磺酸鈉（SDS)改性蒙脫石；
3)將十二烷基磺酸鈉（SDS)改性蒙脫石烘干，然后進(jìn)行粉碎研磨，用篩網(wǎng)收集45 μ m-90 μ m粒徑范圍內(nèi)的十二烷基磺酸鈉（SDS)改性蒙脫石粉末。
[0017]所述步驟I)中，蒙脫石置于45°C烘箱中3h，除去吸附水。
[0018]所述步驟2 )煅燒溫度為200-300 °C。
[0019]相對(duì)于現(xiàn)有的爐內(nèi)添加劑減排顆粒物技術(shù)，應(yīng)用本發(fā)明存在以下有益結(jié)果：
(I)擺脫了目前爐內(nèi)減排顆粒物添加劑較為單一的現(xiàn)狀，隨改性蒙脫石的開發(fā)，可以很好地解決這一問題，為實(shí)驗(yàn)室研究和電廠實(shí)際運(yùn)用提供了更多的參考依據(jù)和選擇方向。
[0020](2)通過改性處理，蒙脫石的層間距增大，其物理和化學(xué)性質(zhì)都發(fā)生了一定的變化，高溫下對(duì)超細(xì)顆粒物的捕獲能力有了大幅度提高，相對(duì)蒙脫石原礦，超細(xì)顆粒物減排效果提升30%以上，可以有效減少排放到大氣環(huán)境中的細(xì)顆粒物。
[0021](3)蒙脫石在我國(guó)儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，可以大規(guī)模的實(shí)際運(yùn)用，所涉及的改性方法工藝流程簡(jiǎn)單方便，制作的改性成品可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，運(yùn)輸方便，無毒無害。
[0022]說明書附圖
圖I是層狀蒙脫石柱撐后層間距變化示意圖；
圖2是改性蒙脫石減排PMa2效果圖；
圖中，羥基鋁代表羥基鋁柱羥基鋁改性蒙脫石，SDS代表十二烷基磺酸鈉改性蒙脫石。
【具體實(shí)施方式】
[0023]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。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)。
[0024]對(duì)比例I
取樣準(zhǔn)備：取IOOOg山西無煙煤，粒徑范圍45 μ m-90 μπι ;取30g蒙脫石原礦粉末，粒徑范圍 45 μ m-90 μ m。
[0025]將煤粉與蒙脫石原礦粉末均勻混合后，置于45°C烘箱中3h以上備用。
[0026]實(shí)施過程在1500°C高溫沉降爐上開展，把煤粉和添加劑混合物以0.15g/min的恒定速率送入爐膛內(nèi)燃燒，燃燒氣氛為空氣氣氛，煤粉燃燒后產(chǎn)生的顆粒物隨煙氣流經(jīng)旋風(fēng)分離器，過濾掉空氣動(dòng)力學(xué)直徑大于10 μ m的顆粒，剩余的小顆粒隨煙氣進(jìn)入低壓撞擊器，所述低壓撞擊器分為13級(jí)，可以分層收集各個(gè)粒徑段的顆粒物，收集時(shí)間為4min。
[0027]針對(duì)目前除塵設(shè)備對(duì)超細(xì)顆粒物的減排效果有限以及超細(xì)顆粒物氣化凝結(jié)生成機(jī)理，選擇顆粒物粒徑小于0.2 μπι的粒徑范圍(即低壓撞擊器前四級(jí)收集的細(xì)顆粒物)進(jìn)行分析說明。用百萬分之一天平分別對(duì)收集顆粒物前后進(jìn)行稱重比