改性高岭土和凹凸棒石脱除燃煤超细颗粒物及重金属的实验研究

发布时间：2020-08-01 08:50

【摘要】：燃煤过程产生了严重的颗粒物和重金属污染问题。超细颗粒物(PM_(0.2))是细颗粒物(PM_(2.5))的重要组成部分,粒径更为细小,富集大量有害的重金属元素,对于环境和人体具有巨大危害。同时,电厂现有静电除尘器、布袋除尘器等难以经济有效的捕集PM_(0.2),PM_(0.2)及富集在其中的重金属元素已成为当前排放控制领域的难点。炉内添加矿物添加剂是一种有效减排PM_(0.2)及重金属的方法,但是天然矿物的减排能力有限,它们的减排效率亟需提高。因此,本文探究是否可以通过改性处理提高矿物添加剂(高岭土和凹凸棒石)对于PM_(0.2)及其中重金属Pb和V的减排能力,并对相应的改性机理进行探讨。首先,采用盐酸改性高岭土和醋酸钙改性高岭土,分别将原样高岭土和改性后的两种高岭土与山西无烟煤煤粉按照3:100的比例均匀混合,之后送入高温沉降炉中进行1500°C下的燃烧实验。通过低压撞击器(LPI)取样系统收集颗粒粒径小于10?m的颗粒物,再通过微波消解、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)检测各粒径颗粒物中的重金属Pb和V的含量。上述实验结果表明了盐酸改性和醋酸钙改性均能够提高高岭土在炉内减排PM_(0.2)及重金属Pb和V的能力。通过测试表征后发现,盐酸处理后,高岭土晶体结构部分遭到破坏,使得高岭土比表面积和孔体积增加,更加有利于颗粒物前驱体(碱金属蒸气)和重金属向高岭土颗粒内部的输运、反应,为高岭土捕集碱金属和重金属提供更多的活性位点;经过醋酸钙改性后,高岭土中混入了醋酸钙,增强了高岭土与金属元素的反应,同时高岭土颗粒能够在高温下部分与醋酸钙发生反应,生成熔融颗粒,从而促进液相捕集过程。其次,采用盐酸和氯化钙两种方法改性凹凸棒石,然后与煤粉进行混烧实验,燃烧实验和高岭土与煤粉的混烧实验类似,不再叙述。实验结果同样表明盐酸改性和氯化钙改性能够提高凹凸棒石炉内减排PM_(0.2)及重金属Pb和V的能力。盐酸改性通过去除凹凸棒石中杂质碳酸盐、置换凹凸棒石层间金属离子以及增加游离SiO_2和Si-OH的含量来提高凹凸棒石的减排效率;氯化钙改性提高了凹凸棒石的离子交换性并且造成凹凸棒石结构电荷不平衡,从而增强了凹凸棒石的吸附活性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X701
【图文】：

全球能源,消费量

能源是人类不可或缺的物质基础，就目前而言，化石能源的重要性无法替 1992 - 2017 年这 25 年来全球一次能源的消耗量图，根据 2018 年 6 月的《源统计年鉴》，2017 年全球一次能源消费增长 2.2%，增速高于 2016 年的13 年以来最快增长，也高于十年平均增速（1.7%）[1]。2017 年全球一次量为 13511.2 百万吨油当量，其中比重最大的石油消耗量为 4621.9 百万吨油 34.2%；其次是煤炭，消耗量为 3731.5 百万吨油当量，占比 27.6%；位于然气消耗量为 3156.0 百万吨油当量，占比 23.4%。虽然石油目前仍是全球耗量占比最大的能源物质，但是有文献表明[2]:全球煤炭储量约为 1 万亿吨能源消费速度计算可供使用约 250 年，同时该报道还指出原油仅能够维持天然气也仅能够维持 70 - 120 年，煤炭在将来可能会超过原油，成为全球耗量占比最高的能源物质。事实上，从全球范围来看，煤炭也的确是储量石能源。

示意图,颗粒机,矿物,颗粒

华中科技大学硕士学位论文的矿物同样一部分发生气化形成无机蒸气，另一部分通过熔融和全聚合形。而外在矿物在高温条件下一部分也会发生气化形成无机蒸气，但更多的、熔融生成残灰颗粒或者是直接熔融转化成残灰颗粒。内、外在矿物质气机蒸气一部分通过均相成核/凝并聚和形成亚微米颗粒，一部分通过异相凝应生成超微米颗粒或者亚微米颗粒[4, 13, 21, 23]。

痕量元素

图 1-3 痕量元素分类[32]属元素进入人体的途径有很多种，其中通过呼吸系统进入人体是对方式之一。在煤的燃烧过程中，大部分的易挥发性重金属和部分半极少量的难挥发性重金属会从煤中释放出来，形成气态重金属，机理氯化物：MClx(固) MClx(气) 硫化物：MSy(固) MSy(气) 盐类：MAOz(固) MOx(固)+AOz-x(气) 氧化物：MOw(固) +CO MOw-1(固)+CO2(气) MOw-1(固) MOw-1(气) 代表重金属元素，A 为主量元素或者次量元素，盐类先转化成氧化物然在煤燃烧过程中，Pb、V 等半挥发性重金属也会气化进入烟气中温过程中会成核生长成为亚微米颗粒或者是大量富集于已有的细颗现有的电厂除尘设备（静电除尘器、布袋除尘器等）难以经济有效

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