本发明具体涉及一种基于改性凹凸棒控制燃煤电厂细颗粒物及重金属的方法。
背景技术
燃煤电厂排放出大量污染物（诸如硫氧化物、氮氧化物、细颗粒物和重金属等）对大气环境和人类身体健康产生巨大危害。燃煤烟气经过除尘、石灰石石膏湿法脱硫后，可脱除大部分粉尘及重金属，但排放到大气烟气中仍然存在细颗粒物及质量可观的、以汞、铅、铬和镉等为主要元素的重金属。
现有对细颗粒物排放的控制技术主要有电团聚、声团聚、磁团聚、热团聚、湍流（边界层）流动团聚和化学团聚等。其中，使用吸附剂捕获亚微米颗粒的方法称为化学团聚，其团聚机理主要是物理吸附和化学反应。目前，国内外对燃煤细颗粒物采用化学团聚方法研究内容主要集中在使用高岭石、铝土矿等常用吸附剂对颗粒物团聚的影响作用及其对一种或几种重金属的脱除作用，使用新型团聚剂进行化学团聚捕集的研究并不多。寻找经济有效的团聚剂是物理及化学团聚法促使颗粒物团聚捕集的关键。
凹凸棒石又名绿凹凸棒石或坡缕缟石，是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿石。晶体形状为棒状、纤维状、针状粘土矿物，即两层硅氧四面体，一层铝氧八面体，其标准化学式为mg5si8o20(ho)2(oh2)4·4h2o，但实际上化学成分以sio2、mgo、al2o3为主，其中含有一定量的fe2o3、mno、tio2等。由于凹凸棒本身具有十分独特的层链状晶体结构，因此凹凸棒有许多特殊的物化性质，例如吸附性、流变性、催化性、离子交换、可塑性等。凹凸棒的这些特性，使得凹凸棒被广泛应用于石油、化工、医药、环保、印刷等诸多领域。其较大的比较面积及其表面存在的吸附中心使其适于应用在燃煤细颗粒物的控制中。
天然产出的凹凸棒石常伴生有蒙脱石、高岭石、水云母、石英、碳酸盐等矿物。适当的酸处理一方面可以起到疏通孔道、去除碳酸盐及杂质、增加活性吸附位点数量等作用。另一方面，由于凹凸棒的阳离子可交换性，半径较小的h+能置换出凹凸棒层间部分k+、na+、ca2+和mg2+等离子，增大空容积。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种新型改性具有同时具备物理及化学改性凹凸棒促进对细颗粒物及重金属的捕集，以达到减少燃煤电厂排出的细颗粒物及重金属的目的。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现。
一种基于改性凹凸棒控制燃煤电厂细颗粒物及重金属的方法，按照燃煤量与改性凹凸棒粉末质量比（43000-50000）：1的方式，在燃煤电厂炉膛中喷入改性凹凸棒粉末；并按照电除尘前的烟气量（标态、湿基，6%o2,单位：m3/s）与改性凹凸棒液体体积比（5000000-8000000）:1方式，在电除尘通道中喷洒改性凹凸棒液体；
所述的改性凹凸棒粉末采用浓度为3.5-3.9mol/l硫酸进行酸活化；
所述的改性凹凸棒液体采用改性凹凸棒粉末分散在去离子水溶液中，制得悬浮液，并将悬浮液置于60-70℃，按质量比1：60加入酸性增稠剂制得。
进一步的，燃煤电厂的工艺流程如下：炉膛燃烧--喷入改性凹凸棒粉末--scr脱硝--喷入改性凹凸棒液体--电除尘--石灰石石膏湿法脱硫--烟囱排出。
进一步的，所述改性凹凸棒粉末的制备包括以下步骤：
（1）将凹凸棒研磨粉碎、筛分至2-4mm，然后与去离子水按照（5-15）：150的质量比混合，形成悬浮泥浆，再通过超声波处理充分分散，取上层悬浊液于3000r/min的离心机中处理5-10min，静置抽真空；
（2）将凹凸棒溶液置于容器中，并投入3.5-3.9mol/l的硫酸进行酸活化，进行10-20min的超声处理，然后静置后真空抽滤；
（3）将酸活化后的凹凸棒置于容器中，并按照1:100比例投入乙烯基三乙氧基硅烷改性，温度控制在65-75℃，进行10-20min的超声处理，然后过滤，机械搅拌3小时后烘干、粉碎、并筛分至2-4mm即可。
进一步的，所述改性凹凸棒粉末按照质量比1：50000喷入燃烧无烟煤的炉膛中。
进一步的，所述改性凹凸棒粉末按照质量比1：48000喷入燃烧烟煤的炉膛中。
进一步的，所述改性凹凸棒粉末按照质量比1：43000喷入燃烧褐煤的炉膛中。
本发明的有益效果是：
（1）酸活化处理可以部分解聚凹凸棒的棒晶束，改变凹凸棒的比表面积，去除碳酸盐等矿物质杂质。同时h+能置换凹凸棒中含有的mg2+、al3+和fe3+等金属离子，提高凹凸棒的阳离子可交换性，改善其吸附性。
（2）石灰石石膏湿法脱硫浆液中对脱硫效率影响较大的是氯离子和硝酸根离子，本配方用硫酸作为改性酸则不会产生新的污染，可以避免使用常规改性酸盐酸、硝酸中氯离子及硝酸根离子影响脱硫效率，并且使用硫酸改性的凹凸棒可以增加石膏的品质。
（3）采用的乙烯基三乙氧基硅烷配合改性可以在无机填料和有机高聚物基体材料的界面之间架起“分子桥”把两种性质悬殊的材料“偶联”在一起，起到增强和提高性能的作用，并配合机械搅拌的方式，极大的增加其吸附性。
（4）通过在燃烧锅炉中喷改性凹凸棒粉末及电除尘前喷改性凹凸棒液体双重组合来高效的减少细颗粒物及重金属排出。其中改性凹凸棒作为强吸附剂，并在改性凹凸棒处发生物理及化学反应，从而增大颗粒物粒径从而减少细颗粒物产出，覆着气态重金属的颗粒物可以通过电除尘及石灰石石膏湿法脱硫等装置除去。
（5）凹凸棒具有储量丰富、价格适宜、制备简单、易于实现规模化生产，且可以增加副产品石膏品质，环保效益好等优点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，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。
实施例1
一种基于改性凹凸棒控制燃煤电厂细颗粒物及重金属的方法，按照燃煤量与改性凹凸棒粉末质量比50000：1的方式，在燃烧有无烟煤的炉膛中喷入改性凹凸棒粉末；并按照电除尘前的烟气量（标态、湿基，6%o2,单位：m3/s）与改性凹凸棒液体体积比8000000:1方式，在电除尘通道中喷洒改性凹凸棒液体；
所述改性凹凸棒粉末的制备包括以下步骤：
（1）将凹凸棒研磨粉碎、筛分至4mm，然后与去离子水按照5：150的质量比混合，形成悬浮泥浆，再通过超声波处理充分分散，取上层悬浊液于3000r/min的离心机中处理10min，静置抽真空；
（2）将凹凸棒溶液置于容器中，并投入3.9mol/l的硫酸进行酸活化，进行10min的超声处理，然后静置后真空抽滤；
（3）将酸活化后的凹凸棒置于容器中，并按照1:100比例投入乙烯基三乙氧基硅烷改性，温度控制在75℃，进行20min的超声处理，然后过滤，机械搅拌3小时后烘干、粉碎、并筛分至2-4mm即可。
所述的改性凹凸棒液体采用改性凹凸棒粉末分散在去离子水溶液中，制得悬浮液，并将悬浮液置于70℃，按质量比1：60加入酸性增稠剂制得。
燃煤电厂的工艺流程如下：炉膛燃烧--喷入改性凹凸棒粉末--scr脱硝--喷入改性凹凸棒液体--电除尘--石灰石石膏湿法脱硫--烟囱排出。
实施例2
一种基于改性凹凸棒控制燃煤电厂细颗粒物及重金属的方法，按照燃煤量与改性凹凸棒粉末质量比48000：1的方式，在燃烧有烟煤的炉膛中喷入改性凹凸棒粉末；并按照电除尘前的烟气量（标态、湿基，6%o2,单位：m3/s）与改性凹凸棒液体体积比6500000:1方式，在电除尘通道中喷洒改性凹凸棒液体；
所述改性凹凸棒粉末的制备包括以下步骤：
（1）将凹凸棒研磨粉碎、筛分至2mm，然后与去离子水按照15：150的质量比混合，形成悬浮泥浆，再通过超声波处理充分分散，取上层悬浊液于3000r/min的离心机中处理5min，静置抽真空；
（2）将凹凸棒溶液置于容器中，并投入3.5mol/l的硫酸进行酸活化，进行20min的超声处理，然后静置后真空抽滤；
（3）将酸活化后的凹凸棒置于容器中，并按照1:100比例投入乙烯基三乙氧基硅烷改性，温度控制在65℃，进行20min的超声处理，然后过滤，机械搅拌3小时后烘干、粉碎、并筛分至2-4mm即可。
所述的改性凹凸棒液体采用改性凹凸棒粉末分散在去离子水溶液中，制得悬浮液，并将悬浮液置于60℃，按质量比1：60加入酸性增稠剂制得。
燃煤电厂的工艺流程如下：炉膛燃烧--喷入改性凹凸棒粉末--scr脱硝--喷入改性凹凸棒液体--电除尘--石灰石石膏湿法脱硫--烟囱排出。
实施例3
一种基于改性凹凸棒控制燃煤电厂细颗粒物及重金属的方法，按照照燃煤量与改性凹凸棒粉末质量比43000：1的方式，在燃烧有褐煤的炉膛中喷入改性凹凸棒粉末；并按照电除尘前的烟气量（标态、湿基，6%o2,单位：m3/s）与改性凹凸棒液体体积比5000000:1方式，在电除尘通道中喷洒改性凹凸棒液体；
所述改性凹凸棒粉末的制备包括以下步骤：
（1）将凹凸棒土研磨粉碎、筛分至3mm，然后与去离子水按照10：150的质量比混合，形成悬浮泥浆，再通过超声波处理充分分散，取上层悬浊液于3000r/min的离心机中处理7min，静置抽真空；
（2）将凹凸棒溶液置于容器中，并投入3.7mol/l的硫酸进行酸活化，进行15min的超声处理，然后静置后真空抽滤；
（3）将酸活化后的凹凸棒置于容器中，并按照1:100比例投入乙烯基三乙氧基硅烷改性，温度控制在60℃，进行20min的超声处理，然后过滤，机械搅拌3小时后烘干、粉碎、并筛分至2-4mm即可。
所述的改性凹凸棒液体采用改性凹凸棒粉末分散在去离子水溶液中，制得悬浮液，并将悬浮液置于60℃，按质量比1：60加入酸性增稠剂制得。
燃煤电厂的工艺流程如下：炉膛燃烧--喷入改性凹凸棒粉末--scr脱硝--喷入改性凹凸棒液体--电除尘--石灰石石膏湿法脱硫--烟囱排出。
对比例
现有的凹凸棒表面改性处理方法，具体是先对凹凸棒进行煅烧处理，然后将乙醇、水按照重量比1:13进行混合制得处理液，将煅烧后的凹凸棒浸入到处理液中，超声分散处理30min后滤出，烘干即可。
实验例
选用同一批凹凸棒作为实验原料，然后分别用上述实施例1、实施例2、实施例3和对比例对应的方法进行改性处理，其中实施例1、实施例2、实施例3采用在炉膛中喷入改性凹凸棒粉末和在电除尘通道中喷洒改性凹凸棒液体，对比例仅在炉膛中喷入改性凹凸棒粉末，利用细颗粒物采样仪计算细颗粒物的质量浓度，利用承重式颗粒物采样仪收集颗粒、icp-ms测试分析细颗粒物中的重金属含量，具体对比数据如下表所示。
由上述结果可得，采用本方案制得的改性凹凸棒粉末及改性凹凸棒液体能够显著减少细颗粒物，其质量浓度降低56-64%，同时，可降低细颗粒物中as、pb等重金属浓度62-72%，其相比于现有的改性凹凸棒在燃煤电厂中的使用，效果明显更佳。
本发明的有益效果是：（1）酸活化处理可以部分解聚凹凸棒的棒晶束，改变凹凸棒的比表面积，去除碳酸盐等矿物质杂质。同时h+能置换凹凸棒中含有的mg2+、al3+和fe3+等金属离子，提高凹凸棒的阳离子可交换性，改善其吸附性。（2）石灰石石膏湿法脱硫浆液中对脱硫效率影响较大的是氯离子和硝酸根离子，本配方用硫酸作为改性酸则不会产生新的污染，可以避免使用常规改性酸盐酸、硝酸中氯离子及硝酸根离子影响脱硫效率，并且使用硫酸改性的凹凸棒可以增加石膏的品质。（3）采用的乙烯基三乙氧基硅烷配合改性可以在无机填料和有机高聚物基体材料的界面之间架起“分子桥”把两种性质悬殊的材料“偶联”在一起，起到增强和提高性能的作用，并配合机械搅拌的方式，极大的增加其吸附性。（4）通过在燃烧锅炉中喷改性凹凸棒粉末及电除尘前喷改性凹凸棒液体双重组合来高效的减少细颗粒物及重金属排出。其中改性凹凸棒作为强吸附剂，并在改性凹凸棒处发生物理及化学反应，从而增大颗粒物粒径从而减少细颗粒物产出，覆着气态重金属的颗粒物可以通过电除尘及石灰石石膏湿法脱硫等装置除去。（5）凹凸棒具有储量丰富、价格适宜、制备简单、易于实现规模化生产，且可以增加副产品石膏品质，环保效益好等优点。
以上所述是本发明的具体实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。