基于高温热电离与磁场笼封协同作用的碱金属脱除方法

本发明涉及基于高温热电离与磁场笼封协同作用的碱金属脱除方法，具体为一种基于高温热电离与磁场笼封协同作用的碱金属脱除方法。

背景技术：

1、高碱燃料是缓解中国能源危机中的重要后备资源。课题所述的高碱燃料主要指的是高碱性煤种和生物质燃料。高碱煤在世界范围内广泛分布，具有热值低、碱金属元素和碱土金属元素含量高的特点。生物质是指一切直接或间接利用绿色植物光合作用形成的有机物质的总称，包括除化石燃料外的植物、动物和微生物及其排泄与代谢物等。鉴于能源瓶颈以及其可持续性、环境效应各方面综合考虑，生物质作为一种可再生能源，储备丰富，已被广泛认定为最具发展潜力的后备能源。

2、碱金属含量高是制约高碱燃料开发利用的主要问题。高碱燃料中难溶性碱金属含量很高，在燃烧过程中，碱金属的存在会降低灰熔点，导致灰渣在较低温度(不足1200℃)便完全呈现熔融状态。熔融态或液态灰渣粘性较强，容易覆盖燃烧器喷口或水冷壁管面，诱发结渣；另一方面，如果提高燃烧温度会促进可溶性碱金属的析出成为碱金属蒸汽，当尾部受热面发生严重的沾污现象；同时，碱金属蒸汽在高温下通过化学或者电化学作用会对受热面产生高温腐蚀。总之高碱性燃料中的碱金属成分是制约其开发利用的主要难题。研究高碱燃料中碱金属的脱除很有必要。结合上述分析可知，我国的能源危机已经刻不容缓，因而实现准东煤和生物质等高碱燃料的安全清洁利用，对于缓解我国能源供给关系和控制温室气体排放均具有重要意义。但是，碱金属含量过高一直是制约高碱燃料高效利用的技术难题，已有的研究均表明准东煤以及生物质燃料在燃烧中产生了严重的积灰、结渣和高温腐蚀，造成了严重的原料浪费和设备损坏。因此，探究高碱燃料中碱金属的生成、燃烧、气化、迁移等行为以及其脱除机理是实现高碱燃料高效清洁利用的重要步骤，更是缓解中国能源危机的重要举措。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于高温热电离与磁场笼封协同作用的碱金属脱除方法，具备则基于碱金属元素本身很活泼、极易失掉外层电子而电离的特性从全新的视角开展碱金属脱除研究，增加了强磁场激励，使微粒杂乱无章地运动变为有序的螺线轨迹，从而实现碱金属蒸汽的封控，同时，在实验台尾部增加可调阳极板与阴极板，完成对正、负电粒子的捕集，不仅可以减低碱金属的逃逸，进而也可以捕集其他类型的烟尘等优点，解决了现有的化学试剂等方法对碱金属实现固化和脱除，效率较低且成本很高和由于烟气压力、烟道材质和烟道密封性差等原因会导致带电微粒运动凌乱、逃逸率很高的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于高温热电离与磁场笼封协同作用的碱金属脱除方法，包括以下步骤：

5、1)实验系统以及燃料预处理设备制备；

6、2)高碱燃料中碱金属高温热电离脱除机理流程；

7、3)高碱性燃料中碱金属迁移特性分析过程；

8、4)碱金属蒸汽高温热电离效益的机理过程；

9、5)强磁场对烟气中正、负荷电粒子的“笼封”机制过程；

10、优选的，所述实验系统以及燃料预处理设备制备具体包括有：恒温磁力搅拌器(df-101s)、台式高速离心机(lc-lx-h185c)、电热恒温鼓风干燥箱(xgq-2000)、超声波清洗仪(ps-40)、x射线衍射仪(brukerd8advance)、傅里叶红外光谱仪(thermofishernicoletis50)、扫描电子显微镜(su15100)、美国麦克仪器(betasap2020plushd88)、无油静音空压机、粉碎机、不锈钢分样筛、电子天平、研钵、混匀仪、瓷舟、转子流量计、开启式管式炉、高速摄像机、高斯计等可以实现元素定量分析和颗粒轨迹摄像等。

11、优选的，所述还需准备一台流量测量控制设备，耐高温石英管及其组件，100cm2铜板、银板若干块，高频金属感应加热器一台，电磁铁(jl-0837)及其控制设备一套，铜镍合金电调极板及附属系统一套，用于原料及生成物的xrd、ftir、sem、bet等表征与化验费用，采样瓶、石英管、研钵等实验耗材。

12、优选的，所述高碱燃料中碱金属高温热电离脱除机理流程首先，采用xrd、ftir、sem、bet等手段对高碱燃料进行分析与表征，获得实验所需要的基础数据，其次，在管式炉中将燃料灼烧至1000℃，采集烟气、灰、渣中燃烧产物，通过化验分析碱金属的迁移与分布特性，再次，通过流速控制使烟气与高温金属板(铜、银、铁)接触、碰撞，利用碱金属蒸汽的热电离效应，使烟气中的碱金属电离，电离后的碱金属与其他带电微粒通过强磁场作用，使其有序化沿着螺旋轨迹运动，最终不同电性的粒子被尾部的阴、阳极板捕集，在此基础上获得碱金属高温热电离机理和强磁场“笼封”机制。

13、优选的，所述高碱性燃料中碱金属迁移特性分析过程首先分为三个结论：一、当温度大于900℃时碱金属化合物主要以蒸汽的型式赋存，二、碱金属元素如果赋存于气相中，将极易与固相颗粒物质结合而生成低熔点化合物，带来燃烧器及炉膛结渣，三、有效的碱金属处理方式是将其固化到大渣中，以避免它与其他物质结合或者直接排放到大气中导致环境污染。

14、优选的，所述高碱燃料主要包括高碱煤和各种生物质燃料，采集典型高碱煤和生物质燃料，首先通过xrd、ftir、sem、bet等手段对原料进行分析与表征，获得开展实验所需要的基础数据，在原有的管式炉实验台上对燃料进行灼伤，严格称量大渣和飞灰含量，采用吸收法收集尾气样品，然后利用为管式炉实验台进行化验分析，探究高碱煤和生物质燃料中碱金属的迁移和固化特性。

15、优选的，所述碱金属蒸汽高温热电离效益的机理过程中碱金属蒸汽高温电离部分的研究主要基于两点：一、当温度大于900℃时碱金属化合物主要以蒸汽的型式赋存，二、碱金属蒸汽与高温金属板接触、碰撞过程中会失去最外层电子而电离，首先高碱燃料在管式炉中灼烧至900～1000℃，烟气流速由空气流速间接控制，利用流速控制器调节空气流速，少量烟气通过位于管式炉尾部的开关阀被吸收液吸收，烟气温度通过rh监测，并输入计算机保存，高温烟气与位于耐高温石英前端的高温金属板(铜、银、铁)接触、碰撞而实现碱金属蒸汽地高温热电离，金属板温度采用感应加热的方式进行加热，金属板温度可以通过改变电路中电流的大小来调节，电流通过可调电阻调节调节，所有烟温、流速、金属板温度、电流等原始数据皆由数据采集系统采集至计算机内保存，最后通过对原始数据处理、分析，进而揭示碱金属的高温热电离的作用机理。

16、优选的，所述强磁场对烟气中正、负荷电粒子的“笼封”机制过程为首先经过高温热电离后，烟气中的碱金属原子将失去最外层电子，碱金属元素及其化合物将带正电荷，自由电子、次生电子与其他颗粒接触将会因为附着电子而带负电荷，两种荷电粒子将随着烟气地流动而运动，由于不同粒子之间对撞，同性粒子之间的排斥力，异性粒子之间的吸引力，以及外在烟气压力作用，烟气中荷电粒子的运行轨迹将变得杂乱无章，所以在烟道中设计了外加强磁场，以期实现对带电粒子的封控作用，因为带电粒子在磁场中会螺旋运动，类似在烟道中增加了一个磁场“鼠笼”，可以控制粒子地运动并减少粒子地逃逸，所以通过改变磁场强度、磁感线角度等方式，获得准确的实验数据，分析不同粒子所受洛伦兹力的方向，以及磁场对带电粒子的“笼封”特性，采用高速摄像机拍摄、记录不同粒子的运动轨迹。

17、优选的，所述强磁场通过可调电磁铁产生，磁场强度通过电流的大小调节，磁场内正、负荷电粒子的运动轨迹由高速摄像机拍摄并保存，管段尾部的阴、阳极板用于捕集烟气中正、负荷电微粒，极板捕集强度同样通过电流调节，处理后的尾气通过吸收瓶内的吸收液采集并化验，用以对比烟气的处理效果，最后收集极板上的灰尘用以化验并评估碱金属和其他烟尘颗粒的脱除能力，对计算机中所有的原始数据进行处理、计算、分析，揭示强磁场对烟气中正、负荷电粒子的“笼封”机制。

18、本发明要解决的另一技术问题是提供一种基于高温热电离与磁场笼封协同作用的碱金属脱除方法，包括以下步骤：

19、1)实验系统以及燃料预处理设备制备；

20、2)高碱燃料中碱金属高温热电离脱除机理流程；

21、3)高碱性燃料中碱金属迁移特性分析过程；

22、4)碱金属蒸汽高温热电离效益的机理过程；

23、5)强磁场对烟气中正、负荷电粒子的“笼封”机制过程；

24、(三)有益效果

25、与现有技术相比，本发明提供了一种基于高温热电离与磁场笼封协同作用的碱金属脱除方法，具备以下有益效果：

26、1、该基于高温热电离与磁场笼封协同作用的碱金属脱除方法，通过首先高碱燃料在管式炉中灼烧至900～1000℃，烟气流速由空气流速间接控制，利用流速控制器调节空气流速，少量烟气通过位于管式炉尾部的开关阀被吸收液吸收，烟气温度通过rh监测，并输入计算机保存，高温烟气与位于耐高温石英前端的高温金属板(铜、银、铁)接触、碰撞而实现碱金属蒸汽地高温热电离，金属板温度采用感应加热的方式进行加热，金属板温度可以通过改变电路中电流的大小来调节，电流通过可调电阻调节调节，所有烟温、流速、金属板温度、电流等原始数据皆由数据采集系统采集至计算机内保存，最后通过对原始数据处理、分析，进而揭示碱金属的高温热电离的作用机理，解决了现有的化学试剂等方法对碱金属实现固化和脱除，效率较低且成本很高的问题。

27、2、该基于高温热电离与磁场笼封协同作用的碱金属脱除方法，通过经过高温热电离后，烟气中的碱金属原子将失去最外层电子，碱金属元素及其化合物将带正电荷，自由电子、次生电子与其他颗粒接触将会因为附着电子而带负电荷，两种荷电粒子将随着烟气地流动而运动，由于不同粒子之间对撞，同性粒子之间的排斥力，异性粒子之间的吸引力，以及外在烟气压力作用，烟气中荷电粒子的运行轨迹将变得杂乱无章，所以在烟道中设计了外加强磁场，以期实现对带电粒子的封控作用，因为带电粒子在磁场中会螺旋运动，类似在烟道中增加了一个磁场“鼠笼”，可以控制粒子地运动并减少粒子地逃逸，所以通过改变磁场强度、磁感线角度等方式，获得准确的实验数据，分析不同粒子所受洛伦兹力的方向，以及磁场对带电粒子的“笼封”特性，采用高速摄像机拍摄、记录不同粒子的运动轨迹，解决了由于烟气压力、烟道材质和烟道密封性差等原因会导致带电微粒运动凌乱、逃逸率很高的问题。