基于柱撑法改性蒙脱石的燃煤超细颗粒物控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤燃烧污染物控制领域，具体为基于柱撑法改性蒙脱石的燃煤超细颗粒物控制方法。
技术背景
[0002]煤炭是我国目前最重要的一次能源，占一次能源总量的60%以上，随着新能源的开发和利用，这一比例将会有所下降。但是由于我国的能源结构以及资源分布问题，在未来很长一段时间内，煤炭在一次能源中的主导地位将不会改变。煤炭在我国的应用主要用于发电和化工，其中又以燃煤发电最为普遍。煤在燃烧过程中会产生许多污染物，如S0x、N0x、CO2以及颗粒物等，同时会引发温室效应、形成酸雨破坏建筑物和农作物、污染大气影响环境以及人体健康等。燃煤产生的颗粒物是大气污染物的重要组成部分，是雾霾的重要成因之一，这部分颗粒物极易富集一些重金属以及有机污染物，对人体健康有极大的威胁。而且我国煤炭灰分普遍偏高，据统计，中国灰分小于10%的特低灰分煤仅占煤储量的17%，大部分煤炭的灰分为10%_30%，这就对燃煤电厂控制粉尘等污染物的排放提出了较高的技术要求。
[0003]颗粒直径小于等于10 μ m的颗粒物(PMiq )被称为人体可吸入颗粒物，气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10 μ m以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5 μπι-10 μ m之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5 μπι以下的细颗粒物，直径相当于人类头发的1/10大小，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。每个人每天平均要吸入约I万升的空气，进入肺泡的微尘可迅速被吸收、不经过肝脏解毒直接进入血液循环分布到全身；其次，会损害血红蛋白输送氧的能力，丧失血液。对贫血和血液循环障碍的病人来说，可能产生严重后果。例如可以加重呼吸系统疾病，甚至引起充血性心力衰竭和冠状动脉等心脏疾病。总之这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。人体的生理结构决定了对ΡΜ2.5没有任何过滤、阻拦能力，而PM2.5对人类健康的危害却随着医学技术的进步，逐步暴露出其恐怖的一面。另外，PM极易吸附一些重金属及有机污染物，进入人体后会对人体健康造成巨大危害。世界卫生组织下属国际癌症研究机构2013年10月发布报告，确认大气污染物对人类致癌，而固体颗粒物ΡΜ2.5为大气污染物的主要组成部分。
[0004]目前国内外对煤燃烧颗粒物的减排大体有燃烧前控制、燃烧中抑制与燃烧后收集三种方式。燃烧前控制主要是对煤粉进行进一步优化，包括控制煤粉粒度、去除煤粉中特定矿物质等；燃烧中抑制主要是在燃烧过程中加入添加剂，通过物理吸附或者复杂的化学反应是颗粒物向大粒径转移，常用的添加剂包括高岭土、石灰石等；燃烧后收集是目前我国电厂普遍采用的一种技术手段，通常有静电除尘、湿式除尘、电袋除尘等技术手段。目前的研究表明，燃煤超细颗粒物主要由气化凝结、矿物直接转化、煤焦破碎以及异相凝结等作用产生，通过吸附剂表面反应以及熔融的机理，能够阻止超细模态颗粒形成或使得超细颗粒物(空气动力学直径小于或等于0.5 μπι的颗粒物)朝着细颗粒物转变，从而有效的控制超细颗粒物的排放。目前，经过实验验证的有效的炉内添加剂主要包括硅铝基吸附剂、镁基吸附剂、钙基吸附剂和硅基吸附剂，其中以硅铝基吸附剂对细颗粒物的抑制效果最好，最具代表性的为高岭土，但是总体而言，目前开发研究的可供选择的硅铝基吸附剂种类极少，有待进一步开发研究。
[0005]现有的炉内颗粒物减排技术专利中，CN200910273086.4《一种富氧燃烧下脱除污染物的方法》中提出利用高岭土作为吸附剂，在o2/co2燃烧条件下通过物理吸附或者复杂的化学反应将亚微米颗粒(PM1X重金属和碱金属等多种污染物进行联合脱除，从而减少细颗粒物的排放。CN201010109820.6《燃煤超细颗粒物的脱除方法》中将Mg基吸附剂与煤粉混合后进行燃烧，通过吸附作用，有效的减少了燃煤超细颗粒物的排放。但是，目前研究表明，对超细颗粒物脱除效果最好的高岭土的脱除颗粒物效率在30%左右，仍然会有大量的超细颗粒物排放到环境中，对人体健康和生态环境造成巨大危害。
[0006]通过广泛的实验室新型添加剂筛选工作，发明人发现绝大部分矿物对超细颗粒物的捕获效果要弱于高岭土，因此发明人选择对部分吸附剂进行改性处理，改变吸附剂本身的物理和化学特性，来增加其对超细颗粒物的捕获能力。
【发明内容】
[0007]针对目前除尘装置以及现有矿物添加剂对超细颗粒物的捕获率不高问题，本发明目的在于提供一种基于柱撑法改性蒙脱石的燃煤超细颗粒物控制方法，通过添加改性蒙脱石脱除超细颗粒物，能够明显提高原蒙脱石对超细颗粒物的捕获率，有效地减少超细颗粒物的排放。
[0008]本发明的目的通过以下技术方案来实现:基于柱撑法改性蒙脱石的燃煤超细颗粒物控制方法，在煤粉中添加改性蒙脱石添加剂，混合均匀后，将掺有改性蒙脱石添加剂的煤粉送入锅炉内燃烧，在燃烧过程中，所述改性蒙脱石添加剂通过物理化学作用一方面抑制超细颗粒物的生成，另一方面吸附已产生的超细颗粒物，使之向大粒径转移，形成可以被除尘装置捕获的大颗粒。
[0009]本发明所述改性蒙脱石添加剂与煤粉的质量比为2-5:100。
[0010]本发明所述改性蒙脱石添加剂为羟基铝柱撑改性蒙脱石和干法十二烷基磺酸钠(SDS)柱撑改性蒙脱石中的一种或两种的组合。
[0011]所述掺有改性蒙脱石添加剂的煤粉以0.1-0.2g/min的恒定速率送入锅炉中燃
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[0012]所述羟基铝改性蒙脱石粉末的制备工艺如下:
1)氯化铝溶液水解得到羟基铝柱撑液:取NaOH溶液滴入AlCl3S液中，为了避免生成氢氧化铝沉淀，滴加过程缓慢进行，滴加完成后机械搅拌1-2.5小时，所得羟基铝柱撑液的OH/Al3+为2-3，然后在室温下陈化三天；
2)将蒙脱石烘干，除去吸附水；
3)将蒙脱石加入到陈化后的羟基铝柱撑液中，搅拌2-3h，反应结束后进行多次离心分离和洗涤，获得羟基铝改性蒙脱石粉末；
4)将所得羟基铝改性蒙脱石烘干，然后进行粉碎研磨，用筛网收集45 μ m-90 μ m粒径范围内的羟基铝改性蒙脱石粉末。
[0013]所述步骤I)中，所述NaOH溶液的摩尔浓度为O. 2-0. 4 mol/L。所述AlCl3溶液的摩尔浓度为O. 3-0. 5mol/Lo
[0014]所述步骤2)中，蒙脱石置于45°C烘箱中3_4h，除去吸附水。
[0015]所述步骤3)中蒙脱石与羟基铝柱撑液之间的质量体积比为I :60_65。
[0016]所述干法十二烷基磺酸钠（SDS)改蒙脱石性粉末的制备工艺如下：
1)将蒙脱石烘干，除去吸附水；
2)将蒙脱石中加入十二烷基磺酸钠（SDS)中，其中蒙脱石与十二烷基磺酸钠（SDS)的质量比为5-7:1，混合均匀后，置于马弗炉中在高于十二烷基磺酸钠（SDS)的熔点的温度下煅烧30-45min，煅烧完成后，于空气中冷却至室温，得到十二烷基磺酸钠（SDS)改性蒙脱石；
3)将十二烷基磺酸钠（SDS)改性蒙脱石烘干，然后进行粉碎研磨，用筛网收集45 μ m-90 μ m粒径范围内的十二烷基磺酸钠（SDS)改性蒙脱石粉末。
[0017]所述步骤I)中，蒙脱石置于45°C烘箱中3h，除去吸附水。
[0018]所述步骤2 )煅烧温度为200-300 °C。
[0019]相对于现有的炉内添加剂减排颗粒物技术，应用本发明存在以下有益结果：
(I)摆脱了目前炉内减排颗粒物添加剂较为单一的现状，随改性蒙脱石的开发，可以很好地解决这一问题，为实验室研究和电厂实际运用提供了更多的参考依据和选择方向。
[0020](2)通过改性处理，蒙脱石的层间距增大，其物理和化学性质都发生了一定的变化，高温下对超细颗粒物的捕获能力有了大幅度提高，相对蒙脱石原矿，超细颗粒物减排效果提升30%以上，可以有效减少排放到大气环境中的细颗粒物。
[0021](3)蒙脱石在我国储量丰富，价格便宜，可以大规模的实际运用，所涉及的改性方法工艺流程简单方便，制作的改性成品可以长时间储存，运输方便，无毒无害。
[0022]说明书附图
图I是层状蒙脱石柱撑后层间距变化示意图；
图2是改性蒙脱石减排PMa2效果图；
图中，羟基铝代表羟基铝柱羟基铝改性蒙脱石，SDS代表十二烷基磺酸钠改性蒙脱石。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0024]对比例I
取样准备：取IOOOg山西无烟煤，粒径范围45 μ m-90 μπι ;取30g蒙脱石原矿粉末，粒径范围 45 μ m-90 μ m。
[0025]将煤粉与蒙脱石原矿粉末均匀混合后，置于45°C烘箱中3h以上备用。
[0026]实施过程在1500°C高温沉降炉上开展，把煤粉和添加剂混合物以0.15g/min的恒定速率送入炉膛内燃烧，燃烧气氛为空气气氛，煤粉燃烧后产生的颗粒物随烟气流经旋风分离器，过滤掉空气动力学直径大于10 μ m的颗粒，剩余的小颗粒随烟气进入低压撞击器，所述低压撞击器分为13级，可以分层收集各个粒径段的颗粒物，收集时间为4min。
[0027]针对目前除尘设备对超细颗粒物的减排效果有限以及超细颗粒物气化凝结生成机理，选择颗粒物粒径小于0.2 μπι的粒径范围(即低压撞击器前四级收集的细颗粒物)进行分析说明。用百万分之一天平分别对收集颗粒物前后进行称重比