燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离及定量测定方法
【专利摘要】本发明涉及一种燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法，其首先通过制备燃煤飞灰悬浊液，再静置该悬浊液使残焦发生沉淀，从而碳黑颗粒与残焦在液体分散剂中出现分层，生成含有碳黑颗粒的上浮相及含有残焦的沉淀相，分别收集上浮相及沉淀相，即实现对燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离。此外，本发明还涉及一种燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法。该燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离和定量测定方法所需的器材、用品、仪器比较简单易得，价格便宜，非常适用于电厂的实际操作，并可实现燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离和定量测定。
【专利说明】燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离及定量测定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤炭高效低污燃烧利用领域，尤其是涉及一种燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离及定量测定方法。
【背景技术】
[0002]煤炭是众多能源中使用最为广泛的一种，例如在中国的电力生产中，大约有70%的电力由燃煤发电产生。随着社会经济的发展，中国能源消耗呈现逐年上升的趋势。
[0003]在实际的锅炉燃煤过程中，由于煤粉的不完全燃烧，会形成未燃碳(包括碳黑颗粒和残焦)，并最终混杂在飞灰中，既造成了燃料的浪费，又会带来大气环境的污染。未燃碳中碳黑颗粒是一种由含碳氢的气体前驱体通过一系列的复杂反应形成的粒径极细的团聚状的富碳颗粒物，一般直径小于0.1微米。碳黑颗粒很难被传统的除尘装置所捕集，一旦排放到大气中，即成为大气PM2.5的重要组成部分，会对环境和人体健康产生严重的影响。研究表明，碳黑具有强烈的吸光特性，是造成温室效应的第二大原因。另外，碳黑颗粒具有极强的表面活性，可以吸附大气中对人体健康有很大威胁的污染物，如致癌、致畸、致突变物质等。残焦是煤粉颗粒不完全燃烧而残留下来的含碳产物，一般具有多孔结构，直径大于I微米。燃煤飞灰中残焦的存在不仅会降低煤炭的转化效率，还会影响燃煤飞灰的使用性能，如在利用燃煤飞灰制作水泥时，含碳量较高会导致水泥强度下降，从而不满足工业生产要求。
[0004]传统的关于燃煤飞灰中碳黑颗粒和残焦的分离与定量方法鲜有报道。Paul等(Fuel，1987,66:210-215)报道了使用热重分析仪研究残焦的燃烧，实验中检测到碳黑颗粒的存在。但这种方法只有在碳黑颗粒的量比较大时，热重分析仪才能有比较明显的信号；当碳黑颗粒的量较少时，就不能检测到碳黑颗粒的信号。并且这种方法不能实现碳黑颗粒和残焦的物理分离和定量研究。另外，热重分析仪一般价格比较昂贵，大多在高等院校和科研机构中使用，对于燃煤电厂来说使用较少。Sadakata等(Combustion andFlame, 1984，56:245-249)提出了首先使用Andersen颗粒物撞击器收集燃煤过程中的亚微米颗粒物(其中包括碳黑颗粒)，然后使用元素分析仪检测亚微米颗粒物中碳、氢的含量从而确定碳黑颗粒的质量。这种方法对于实际燃煤电厂来说具有较大难度，因为其需要使用专门的采样仪对颗粒物进行等速采样，一方面Andersen颗粒物撞击器价格昂贵，另一方面采样过程非常复杂，人为误差较大，并且这种方法无法对飞灰中的残焦进行定量检测。
[0005]因此，为评估煤粉的燃烧效率、碳黑颗粒物对环境的影响以及燃煤飞灰的可利用性，非常有必要对燃煤飞灰中的碳黑颗粒和残焦进行有效分离和定量测定。
【发明内容】
[0006]基于此，有必要提供一种燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离和定量测定方法。
[0007]一种燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法，包括如下步骤:
[0008]对所述燃煤飞灰使用液体分散剂进行分散，并进行超声震荡，得到燃煤飞灰悬浊液；[0009]静置所述燃煤飞灰悬浊液使所述残焦发生沉淀，从而所述碳黑颗粒与所述残焦在所述液体分散剂中出现分层，生成含有所述碳黑颗粒的上浮相及含有所述残焦的沉淀相；
[0010]分别收集所述上浮相及所述沉淀相，即实现对燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离。
[0011]在其中一个实施例中，所述分离方法还包括再重复分离并分别提纯所述碳黑颗粒与所述残焦的步骤，所述再重复分离并分别提纯所述碳黑颗粒与所述残焦的步骤具体包括:向收集的所述沉淀相中继续添加所述液体分散剂，并分别对含有所述沉淀相的液体分散剂及前一步收集的上浮相依次进行超声震荡和静置处理，再分别收集静置后分层的上浮相和沉淀相。
[0012]在其中一个实施例中，所述再重复分离并分别提纯所述碳黑颗粒与所述残焦直至所述上浮相经超声震荡和静置处理后没有沉淀相出现为止。
[0013]在其中一个实施例中，所述液体分散剂为水、甲醇、乙醇及乙二醇中的至少一种液体。
[0014]在其中一个实施例中，所述超声震荡的功率为0.1?0.5kW。
[0015]上述燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法能够对燃煤飞灰中碳黑颗粒和残焦进行有效的分离，从而可以实现在扫描电子显微镜下观察碳黑颗粒和残焦的形貌。
[0016]一种燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法，包括如下步骤:
[0017]按照上述任一实施例所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法分离得到所述上浮相与所述沉淀相；
[0018]将所述上浮相与所述沉淀相分别添加到燃烧皿中，其中，用于盛装所述上浮相的所述燃烧皿的净质量记为m1Q，用于盛装所述沉淀相的所述燃烧皿的净质量记为m2Q ；
[0019]分别对所述上浮相及所述沉淀相进行干燥处理以除去所述液体分散剂，得到的所述碳黑颗粒与所述燃烧皿称重后的质量记为mn，所述残焦与所述燃烧皿称重后的质量记为
Hl2I ;
[0020]对干燥处理后得到的所述碳黑颗粒与所述残焦分别进行完全燃烧处理，所述碳黑颗粒完全燃烧之后与所述燃烧皿称重后的质量记为Hl12，所述残焦完全燃烧之后与所述燃烧皿称重后的质量记为Hl22，对碳黑颗粒与残焦进行定量分析；
[0021]所述碳黑颗粒的质量为mn-m12，所述碳黑颗粒在所述燃煤飞灰中的质量百分含量为(mn-m12) / (mn-m10+m21-m20) *100% ;所述残焦的质量为m21-m22,所述残焦在所述燃煤飞灰中的质量百分含量为(m21-m22) / (mn-m10+m21-m20) *100%。
[0022]在其中一个实施例中，所述定量测定方法还包括重复多次测定所述燃煤飞灰中的所述碳黑颗粒与所述残焦的质量百分含量后计算平均值的步骤。
[0023]在其中一个实施例中，所述多次为至少3次。
[0024]在其中一个实施例中，所述液体分散剂为乙醇，所述干燥处理的温度大于78.4°C。
[0025]在其中一个实施例中，所述对干燥处理后得到的所述碳黑颗粒与所述残焦分别进行完全燃烧处理是将含有所述碳黑颗粒的所述燃烧皿与含有所述残焦的所述燃烧皿放入马弗炉中进行燃烧处理，所述马弗炉的温度为800?830°C。
[0026]该燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法通过测定燃烧前后的质量差，可以同时定量燃煤飞灰中的碳黑颗粒和残焦的含量，进而能有效评价煤的燃烧效果及燃煤飞灰的品质。
[0027]总之，本发明的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离和定量测定方法所需的器材、用品、仪器比较简单易得，价格便宜，非常适用于电厂的实际操作。相比于传统的热重分析仪和Andersen颗粒撞击器、元素分析仪等仪器，上述分离和定量测定方法大大降低了使用成本，并简化了操作流程，从而可以提高分离和定量测定的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为一实施方式的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法的流程示意图；
[0029]图2为一实施方式的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0030]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图及具体实施例对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0031]如图1所示，一实施方式的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法，包括如下步骤:
[0032]步骤SllO:对燃煤飞灰使用液体分散剂进行分散，并进行超声震荡，得到燃煤飞灰悬池液。
[0033]该燃煤飞灰可以直接取自锅炉燃煤等灰斗中，燃煤由于不完全燃烧，飞灰中会含有碳黑颗粒和残焦等未燃碳。
[0034]本实施方式的液体分散剂选用乙醇。可理解，在其他实施方式中，该液体分散剂还可以选用水、乙醇水溶液等液体溶剂。
[0035]本实施方式的超声震荡的功率选用0.4kW。可理解，在其他实施方式中，超声震荡的功率还可以选用为0.1?0.5kff之间的任何功率。
[0036]步骤S120:静置燃煤飞灰悬浊液使残焦发生沉淀，从而碳黑颗粒与残焦在液体分散剂中出现分层，生成含有碳黑颗粒的上浮相及含有残焦的沉淀相。
[0037]步骤S130:分别收集上浮相及沉淀相，即实现对燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离。
[0038]由于碳黑颗粒与残焦的密度差异，当将超声震荡分散之后的含有燃煤飞灰中的液体分散剂静置一段时间后，碳黑颗粒与残焦会发生分层，从而生成含有碳黑颗粒的上浮相和含有残焦的沉淀相。分别收集该上浮相和沉淀相，并干燥除去液体分散剂之后即可得到碳黑颗粒和残焦。
[0039]进一步，在本实施方式中，该分离方法还包括再重复分离并分别提纯碳黑颗粒与残焦的步骤。该重复分离并分别提纯碳黑颗粒与残焦的步骤具体包括:向收集的沉淀相中继续添加液体分散剂，并分别对含有沉淀相的液体分散剂及前一步收集的上浮相依次进行超声震荡和静置处理，再分别收集静置后分层的上浮相和沉淀相。在本实施方式中，再重复上述步骤SllO-步骤S130 —次。可理解，在其他实施方式中，可再重复分离并分别提纯碳黑颗粒与残焦直至上浮相经超声震荡和静置处理后没有沉淀相出现为止。[0040]该燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法能够对燃煤飞灰中碳黑颗粒和残焦进行有效的分离，从而可以实现在扫描电子显微镜下观察碳黑颗粒和残焦的形貌。
[0041]此外，本实施方式还提供了一种燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法，如图2所示，该定量测定方法包括如下步骤:
[0042]步骤S210:按照上述燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法分离得到上浮相与沉淀相。
[0043]包括使用上述本实施方式或其他实施方式所述的分离方法分离得到上浮相和沉淀相。
[0044]步骤S220:将上浮相与沉淀相分别添加到燃烧皿中，其中，用于盛装上浮相的燃烧皿的净质量记为m1Q，用于盛装沉淀相的燃烧皿的净质量记为m2Q。
[0045]在先燃烧皿中添加上浮相与沉淀相之前，还包括对燃烧皿进行称重的步骤，分别得到用于盛装上浮相和沉淀相的燃烧皿的净质量。
[0046]本实施方式所用的燃烧皿为坩埚。可理解，在其他实施方式中，燃烧皿还可以为其他陶瓷或金属制作的可供内含物燃烧的器皿等。
[0047]步骤S230:分别对上浮相及沉淀相进行干燥处理以除去液体分散剂，得到的碳黑颗粒与燃烧皿称重后的质量记为mn,残焦与燃烧皿称重后的质量记为m21。
[0048]本实施方式所述的干燥处理方式是分别将含有上浮相和沉淀相的燃烧皿至于鼓风干燥箱中，在高于液体分散剂沸点以上的温度下进行干燥处理以蒸发除去该液体分散齐U，如当液体分散剂为乙醇时，干燥的温度可以为120°c等在乙醇沸点78.4°C以上的任何温度等。
[0049]步骤S240:对干燥处理后得到的碳黑颗粒与残焦分别进行完全燃烧处理，碳黑颗粒完全燃烧之后与燃烧皿称重后的质量记为Hl12，残焦完全燃烧之后与燃烧皿称重后的质量记为Hl22，对碳黑颗粒与残焦进行定量分析。
[0050]碳黑颗粒的质量为mn-m12,碳黑颗粒在燃煤飞灰中的质量百分含量为(mn-m12)/ (mn-m10+m21-m20) *100% ;残焦的质量为m21_m22,残焦在燃煤飞灰中的质量百分含量为(m21_m22) / (mn-m10+m21-m20) *100%。
[0051]本实施方式所述的完全燃烧处理是将含有碳黑颗粒的燃烧皿与含有残焦的燃烧皿放入马弗炉中一段时间进行完全燃烧处理，如针对不同的样本量，可以设定马弗炉的温度为800?830。。，如815°C等，放置时间如30分钟等。
[0052]进一步，在本实施方式中，为保证实验结果的可靠性，该定量测定方法还包括重复多次测定燃煤飞灰中的碳黑颗粒与残焦的质量百分含量后计算平均值的步骤，如重复至少3次等。
[0053]上述燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法通过测定燃烧前后的质量差，可以同时定量燃煤飞灰中的碳黑颗粒和残焦的含量，进而能有效评价煤的燃烧效果及燃煤飞灰的品质。
[0054]该燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离和定量测定方法所需的器材、用品、仪器比较简单易得，价格便宜，非常适用于电厂的实际操作。相比于传统的热重分析仪和Andersen颗粒撞击器、元素分析仪等仪器，上述分离和定量测定方法大大降低了使用成本，并简化了操作流程，从而可以提高分离和定量测定的效率，可以广泛推广应用在燃煤电厂的测试分析领域。
[0055]以下为具体实施例部分
[0056]一、材料、器材:
[0057]燃煤飞灰样品若干(来源:武汉青山热电厂)、乙醇、试管若干、坩埚两个、超声波清洗仪(型号及厂商:KX-1012，科玺超声波清洗机(北京)有限公司)、鼓风干燥箱、马弗炉、电子天平(精度0.1mg)；
[0058]取两支试管分别标号试管I和试管2，两个坩埚分别标号坩埚I和坩埚2。
[0059]二、分离和定量测定:
[0060](I).称取0.01?0.02g燃煤飞灰样品，加入到试管I中。
[0061](2).向试管I中加入20ml乙醇，并将试管I放入超声波清洗仪中以0.4kW功率震动5分钟，试管I中的燃煤飞灰与乙醇被分散成悬浊液。
[0062](3).取出试管1，并静置60分钟，悬浮液分层成两部分，分别记为上浮相(上层的18-19ml悬浮液)和沉淀相(下层的l_2ml混合物)，由于碳黑颗粒的密度小于残焦，碳黑颗粒被分离到上浮相中，而残焦则被分离到沉淀相中。
[0063](4).将上浮相转移到试管2中，在试管I中继续加入20ml乙醇。
[0064](5).将试管1、试管2重复步骤(2)、(3)的操作I次。
[0065](6).称量坩埚I和坩埚2的质量,分别记为m1(l和m2(l。
[0066](7).将试管I和试管2中的上浮相集中转移到坩埚I中，将试管I和试管2中的沉淀相集中转移到坩埚2中。
[0067](8).将装有上浮相的坩埚I和沉淀相的坩埚2放入鼓风干燥箱中，设置干燥温度120°C，待乙醇完全蒸发后，取出坩埚I和坩埚2。
[0068](9).再次称量坩埚I和坩埚2的质量，分别记为mn和m21。
[0069](10).将坩埚I和坩埚2放入到马弗炉中，设定马弗炉温度815°C，放置30分钟，以使坩埚I中的碳黑颗粒和坩埚2中的残焦充分燃烧。
[0070](11).称量燃烧后的坩埚I和坩埚2的质量，记为m12和m22。
[0071]由此获得碳黑颗粒的质量为Hi11-Hi12，碳黑颗粒在燃煤飞灰中的百分含量为(mn-m12) / (mn-m10+m21-m20) *100% ;残焦的质量为m21_m22,残焦在燃煤飞灰中的百分含量为(m21_m22) /(mn-m10+m21-m20)*100%。
[0072]为保证实验结果的可靠性，每种燃煤飞灰样品需要重复至少3遍，最终结果取平均值，结果如下表1:
[0073]表I
[0074]
【权利要求】
1.一种燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法，其特征在于，包括如下步骤: 对所述燃煤飞灰使用液体分散剂进行分散，并进行超声震荡，得到燃煤飞灰悬浊液； 静置所述燃煤飞灰悬浊液使所述残焦发生沉淀，从而所述碳黑颗粒与所述残焦在所述液体分散剂中出现分层，生成含有所述碳黑颗粒的上浮相及含有所述残焦的沉淀相； 分别收集所述上浮相及所述沉淀相，即实现对燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离。
2.如权利要求1所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法，其特征在于，还包括再重复分离并分别提纯所述碳黑颗粒与所述残焦的步骤，所述重复分离并分别提纯所述碳黑颗粒与所述残焦的步骤具体包括:向收集的所述沉淀相中继续添加所述液体分散剂，并分别对含有所述沉淀相的液体 分散剂及前一步收集的上浮相依次进行超声震荡和静置处理，再分别收集静置后分层的上浮相和沉淀相。
3.如权利要求2所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法，其特征在于，所述再重复分离并分别提纯所述碳黑颗粒与所述残焦直至所述上浮相经超声震荡和静置处理后没有沉淀相出现为止。
4.如权利要求1~3中任一项所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法，其特征在于，所述液体分散剂为水、甲醇、乙醇及乙二醇中的至少一种液体。
5.如权利要求1~3中任一项所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法，其特征在于，所述超声震荡的功率为0.1~0.5kW。
6.一种燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法，其特征在于，包括如下步骤: 按照如权利要求1~5中任一项所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的分离方法分离得到所述上浮相与所述沉淀相； 将所述上浮相与所述沉淀相分别添加到燃烧皿中，其中，用于盛装所述上浮相的所述燃烧皿的净质量记为m1Q，用于盛装所述沉淀相的所述燃烧皿的净质量记为m2Q ； 分别对所述上浮相及所述沉淀相进行干燥处理以除去所述液体分散剂，得到的所述碳黑颗粒与所述燃烧皿称重后的质量记为mn，所述残焦与所述燃烧皿称重后的质量记为m21 ； 对干燥处理后得到的所述碳黑颗粒与所述残焦分别进行完全燃烧处理，所述碳黑颗粒完全燃烧之后与所述燃烧皿称重后的质量记为m12，所述残焦完全燃烧之后与所述燃烧皿称重后的质量记为m22，对碳黑颗粒与残焦进行定量分析； 所述碳黑颗粒的质量为Hi11-Hi12，所述碳黑颗粒在所述燃煤飞灰中的质量百分含量为(mn-m12) / (mn-m10+m21-m20) *100% ;所述残焦的质量为m21-m22,所述残焦在所述燃煤飞灰中的质量百分含量为(m21-m22) / (mn-m10+m21-m20) *100%。
7.如权利要求6所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法，其特征在于，还包括再重复多次测定所述燃煤飞灰中的所述碳黑颗粒与所述残焦的质量百分含量后分别计算平均值的步骤。
8.如权利要求7所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法，其特征在于，所述多次为至少2次。
9.如权利要求6或7所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法，其特征在于，所述液体分散剂为乙醇，所述干燥处理的温度大于78.4°C。
10.如权利要求6或7所述的燃煤飞灰中碳黑颗粒与残焦的定量测定方法，其特征在于，所述对干燥处理后得到的所述碳黑颗粒与所述残焦分别进行完全燃烧处理是将含有所述碳黑颗粒的 所述燃烧皿与含有所述残焦的所述燃烧皿放入马弗炉中进行燃烧处理，所述马弗炉的温度为800~830°C。
【文档编号】G01N1/38GK103954493SQ201410155376
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】罗嘉, 吴乐, 潘凤萍, 张曦, 万文军, 叶向前, 刘哲 申请人:广东电网公司电力科学研究院