一种可用于减少燃煤细颗粒物PM2.5生成的方法

摘要

本发明公开了一种可在炉内减少燃煤细颗粒物PM

说明书

技术领域

本发明属于煤粉的洁净燃烧及污染物排放控制技术，具体涉及的是制备一种添加剂并将其喷入炉内，以减少细颗粒物PM_2.5生成的方法。

背景技术

中国的能源格局中，煤是主要的能源之一，其在一次能源中的占比达到70%左右，并且这种以煤为主的能源结构在今后相当长的时间内都不会发生改变。在煤燃烧过程中，伴随着大量诸如颗粒物、SOx、NOx等污染物产生，其中空气动力学直径小于或等于2.5μm的颗粒物即为PM_2.5。一方面这些细微颗粒物容易富集Pb、Cd、As、Se等有毒重金属以及PAHs等有机污染物，而另一方面除尘器对这部分细微颗粒物，特别是空气动力学直径介于0.1-1μm的颗粒物PM_0.1-1，并不能有效地捕集，因此，这部分颗粒物大量被排放到环境中去，并能够在空气中悬浮数天到数月且传输数百到数千公里，从而对人体健康以及城市空气质量造成不利影响。对PM_2.5的源解析表明，煤燃烧是城市PM_2.5的重要来源。

在对传统的除尘设备，如电除尘器以及布袋除尘器进行优化的同时，炉内喷入添加剂亦是一种有效的燃烧中减少细颗粒物生成的方法。采用炉内喷添加剂方式，并不用对燃烧条件进行改变，其本身也对燃烧的影响不大，因此不会对锅炉运行的安全性造成影响。并且采用合适的添加剂有助于改善颗粒物的团聚能力，增加除尘器对细微颗粒物的捕集效率。

炉内喷添加剂控制细颗粒物是一种高温控制，该控制方式与PM_2.5的生成机理密切相关。从形成机理来看，燃煤PM_2.5应包含PM_0.5以及PM_0.5-2.5两部分，这两部分分别对应为超细模态颗粒物及中间模态颗粒物。前者主要由气化凝结机理形成，而后者主要由矿物直接转化、煤焦破碎及异相凝结等作用产生。炉内喷添加剂控制PM_2.5的机理可以进一步分为表面反应机理及熔融机理。表面反应控制机理主要是指煤中易气化元素能够在添加剂表面与添加剂发生化学反应，进而被添加剂吸附，从而阻止这些易气化元素形成超细微颗粒物，例如，高岭土以及石灰石在高温下可以分别吸附易于气化的金属（Na、K及Pb等）以及硫，进而阻止这些物质凝结形成超细模态颗粒物；熔融机理是指增加矿物表面液相的含量，从而促进颗粒间聚合，使得超细微颗粒物朝着细微颗粒物转变，例如，在煤中添加Mg(OH)₂，Mg(CH₃COO)₂等Mg基添加剂能与煤中的矿物形成诸如Mg-Al-Si等的铝硅酸盐，这些铝硅酸盐在高温下容易熔融并形成液相，从而可以加强细微颗粒物与粗颗粒的聚合，达到减少PM_2.5的目的。

发明内容

本发明主要是提供一种可用于减少燃煤细颗粒物PM_2.5生成的方法，该方法配合传统的电尘除器或布袋除尘器，可以有效地降低燃煤PM_2.5的排放，进而减少PM_2.5在大气中的浓度，降低对环境的污染以及对人体健康的伤害。

本发明主要是通过制备一种添加剂，将该添加剂与煤粉混合燃烧后，可以有效地减少PM_2.5的生成，具体的步骤为：

(1)将含有碱金属Na或K的盐按摩尔比Na(K)/Al=0.25:1～0.5:1与高岭土充分混合；

(2)将上述混有碱金属盐的高岭土在900～1200℃温度下灼烧1-3小时，以制成钠铝硅酸盐或钾铝硅酸盐，将制成的上述铝硅酸盐充分研磨至粒径5-45μm；

(3)按照煤粉灰基质量的10～30wt%与煤粉一并送入磨煤机，使得二者充分混合；

(4)将混有铝硅酸盐的煤粉随一次风进入炉膛，在燃烧中，铝硅酸盐捕获细颗粒物，并随后进入烟道被电除尘器或布袋除尘器捕集。

其中，所述含碱金属盐包括Na₂O、NaOH、Na₂CO₃、CH₃COONa以及K₂O、KOH、K₂CO₃、CH₃COOK。

其中，所述燃烧炉膛可为电站锅炉、工业锅炉或流化床等燃烧煤粉的设备。

本发明的有益效果是：该工艺主要是针对含碱金属较低的煤种，具有流程简单及便于操用等优点。该工艺主要通过制备钠铝硅酸盐以及钾铝硅酸盐，以得到在高温下易于熔融的物质。并且由于铝硅酸盐稳定的结构，其结合的钠钾等并不会析出以加重炉内结渣沾污以及超细颗粒物形成等。制得的铝硅酸盐在高温下发生熔融，在表面形成液相层，而在煤燃烧中形成的细颗粒物在布朗运动、凝并、气氛扩散以及惯性力的作用下，与该液相层相接触，进而被较大粒径的铝硅酸盐颗粒所捕获，减少细颗粒物在炉内的生成。总得说来，该工艺可以使得PM_2.5向较大粒径的颗粒迁移，进而更易被除尘设备所捕集，达到控制PM_2.5的目的。

附图说明

图1是CH₃COONa与高岭土按摩尔比Na/Al=0.3制备的钠铝硅酸盐对燃煤PM_2.5的控制效果示意图；

图2是铝硅酸盐减少燃煤细颗粒PM_2.5生成的原理示意图。

具体实施方式

下面通过借助以下实施例将更加详细说明本发明，且以下实施例仅是说明性的，本发明并不受该实施例的限制。本实例在实验室中进行，具体的实施步骤如下：

(1)选用分析纯的CH₃COONa粉末按摩尔比Na/Al=0.3与化学纯的高岭粉末（Santer平均粒径为5.78μm）充分混合；

(2)将CH₃COONa与高岭土的混合粉末在马弗炉中以1100℃的高温灼烧2小时，以制得钠铝硅酸盐，并将该钠铝硅酸盐充分粉碎；

(3)将充分粉碎的钠铝硅酸盐（Santer平均粒径为7.56μm）按煤灰基质量的10wt%与一种低钠煤（粒径范围为45-100μm）充分混合；

(4)在21%O₂/79%N₂vol气氛中，将低钠煤以及低钠煤与高岭土的混合物分别在沉降炉中燃烧，实验温度为1500℃，给粉速率为以煤粉质量为基准，统一为0.2g/min，燃烧后分级收集两种情况下颗粒物的含量，并进行对比。

颗粒物是通过承重撞击仪DGI来收集的，该收集装置在进气量为70NL/min条件下，可以将空气动力学直径小于10μm的颗粒物分级成0.2-0.5μm、0.5-1μm、1-2.5μm以及2.5-10μm四级。按照PM_2.5的生成机理，将收集到的0.2-0.5μm标记为PM_0.2-0.5，代表超细模态颗粒物；将0.5-1μm及1-2.5μm合并标记为PM_0.5-2.5，代表中间模态颗粒物。将收集的PM_0.2-0.5及PM_0.5-2.5利用百万分之一天平（精度为：1μg）称样，比较煤粉添加所制得钠铝硅酸盐前后所生成的颗粒量，可以得到按上述工艺制得的钠铝硅酸盐对燃煤细颗粒物控制能力。

铝硅酸盐对细颗粒物生成的控制效果Q_r定义为：

在煤燃烧实验中添加钠铝硅酸盐后细颗粒物的控制效果如图1所示，其结果表明，在所述实验条件下，钠铝硅酸盐可以不同程度减少超细模态颗粒物PM_0.2-2.5以及中间模态颗粒物PM_0.5-2.5的生成，并且对中间模态颗粒物PM_0.5-2.5的控制效果更为明显。在高温下，钠铝硅酸盐可以有效地减少中间模态颗粒物PM_0.5-2.5的量，主要在于其具有熔融液相捕获颗粒物的能力。图2展示了钠铝硅酸盐控制PM_0.5-2.5的过程，具体说来，钠铝硅酸盐在高温下首先发生熔融，在其表面产生液相，而燃煤过程中产生的固态细颗粒物在布朗运动、凝并、气体扩散以及惯性力作用下，与该液相物质进行撞击，并被后者所捕获，进而迁移到粗颗粒物上，以达到减少细颗粒物生成的目的。钠铝硅酸盐对超细模态颗粒物PM_0.2-0.5的捕获作用不明显，主要在于易气化元素在高温下的饱和蒸气压较高，即其不易在高温下凝结形成固态颗粒，而高温是液相存在的必要条件，并且液相对气态的捕获效果并不明显所致。

本发明方法中，所制备的添加剂可以为单一碱金属盐与高岭土热处理后所得产物，亦可为多种碱金属盐与高岭土热处理后的混合产物，通过该发明可以有效地减少20%～45%燃煤细颗粒生成。

本发明不限于以上实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可进行各种变化和修改。