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一种硅铝基碱金属固化剂及其制备方法和协同温度区间抑制碱金属挥发的方法

成果类型:: 发明专利

发布时间: 2023-11-30 14:40:00

科技成果产业化落地方案
方案提交机构:山东省菏泽市| 周保华 | 2024-10-22 11:03:35
本成果提供了一种硅铝基碱金属固化剂及其制备方法和协同温度区间抑制碱金属挥发的方法,所述制备方法使用固体化石燃料的灰渣作为原料,经干燥筛分、加热、与水蒸气反应及还原粉化后得到所述硅铝基碱金属固化剂。将所述硅铝基碱金属固化剂与生物质燃料预先混合和/或在燃料燃烧时持续喷入,并控制层燃的温度,使所述层燃与二次风之间形成650~750℃的低温区间,在此温度区间的协同作用下,能高效抑制碱金属的挥发,实现碱金属的吸附及熔融包埋,能显著降低气化燃烧产生的碱金属沾污问题;且所述制备方法简单,原料易得,成本低廉,同时得到的富集碱金属的灰渣可用于钾肥原料,兼具环保和经济效益。
本技术使用固体化石燃料的灰渣作为原料,经干燥筛分、加热、与水蒸气反应及还原粉化后即可得到所述硅铝基碱金属固化剂,所述硅铝基碱金属固化剂与燃料预先混合和/或在燃料燃烧时持续喷入,在650~750℃的温度区间及二次风的协同作用下,能高效抑制碱金属的挥发,实现碱金属的吸附及熔融包埋,其固化率最高可达94%,能显著降低气化燃烧产生的碱金属沾污问题,从而有效防止由碱金属挥发引起的积灰、结渣、热效率低、设备腐蚀以及设备使用寿命短等问题。

一、能源领域

煤炭燃烧:在煤炭燃烧过程中,碱金属的挥发会导致锅炉结渣、腐蚀等问题,降低锅炉的热效率和使用寿命。硅铝基碱金属固化剂可以有效地抑制碱金属的挥发,减少结渣和腐蚀,提高煤炭燃烧的效率和可靠性。例如,在大型火力发电厂中,使用该固化剂可以降低维护成本,提高发电效率,保障电力供应的稳定性。

生物质燃烧:生物质燃烧也是一种重要的能源利用方式,但生物质中通常含有较高的碱金属含量,容易导致燃烧过程中的积灰、结渣和腐蚀问题。硅铝基碱金属固化剂可以应用于生物质燃烧系统中,抑制碱金属的挥发,提高燃烧效率和设备的可靠性。例如,在生物质发电厂、生物质锅炉等领域,该固化剂可以发挥重要作用。

垃圾焚烧:随着城市化进程的加快,垃圾焚烧成为处理城市垃圾的重要手段之一。然而,垃圾中含有各种复杂的成分,其中也包括一定量的碱金属。碱金属的挥发会对垃圾焚烧炉的运行产生不利影响,如降低热效率、增加污染物排放等。硅铝基碱金属固化剂可以在垃圾焚烧过程中抑制碱金属的挥发,提高焚烧效率,减少污染物排放,实现垃圾的清洁处理和能源回收。

二、冶金领域

钢铁冶炼:在钢铁冶炼过程中,铁矿石和燃料中通常含有一定量的碱金属,这些碱金属在高温下会挥发并进入炉气中,对炉衬和设备造成腐蚀。硅铝基碱金属固化剂可以添加到铁矿石、燃料或炉料中,与碱金属反应形成稳定的化合物,从而抑制碱金属的挥发和腐蚀。例如,在高炉炼铁、转炉炼钢等工艺中,使用该固化剂可以延长炉衬的使用寿命,提高钢铁的质量和产量。

有色金属冶炼:有色金属冶炼过程中也会面临碱金属挥发的问题,如铝、铜、铅、锌等金属的冶炼。硅铝基碱金属固化剂可以应用于有色金属冶炼系统中,抑制碱金属的挥发,减少对设备的腐蚀和环境污染。例如,在铝电解、铜冶炼等工艺中,该固化剂可以提高生产效率,降低生产成本。

三、环保领域

大气污染控制:碱金属的挥发会导致大气中的颗粒物含量增加,对空气质量造成影响。硅铝基碱金属固化剂可以在能源和冶金等领域中抑制碱金属的挥发,从而减少大气中的颗粒物排放,改善空气质量。此外,该固化剂还可以与其他大气污染控制技术相结合,如烟气脱硫、脱硝等,实现协同控制大气污染的目的。

团队主要成员张光义,男,博士,博士生导师,2006年硕士研究生毕业,2010年博士毕业,博士毕业后先后在中国科学院过程工程研究生、北京工商大学工作,长期从事物质清洁能源化和 生物质危废处理处置与资源化的教学和科研工作,发表学术论文100余篇,全部被SCI、EI检索。主持国家重点研发、国家自然科学基金等科研项目十余项,获省部级科学技术进步奖2项,获授权中国发明专利10余项,服务了行业发展,其中研发的轻工生物质固废多污染物原位脱除新技术,实现了固废高值化利用和高效清洁能源化,产生明显的社会效益和经济效益。其他成员包括曾玺, 刘宣, 王芳, 张建岭, 石博文。
  1. 环境效益
    • 减少碱金属污染排放:在生物质热化学利用过程中,能有效抑制碱金属的挥发,降低碱金属以气相形式释放到烟气中的量,从而减少因碱金属导致的大气污染,如减轻颗粒物排放对空气质量的影响,避免对生态环境和人体健康造成危害。
    • 降低设备腐蚀和结渣相关的污染:该方法可以防止因碱金属挥发引起的设备积灰、结渣、堵塞等问题,减少设备维护和清理过程中产生的废弃物和污染物排放。同时,降低设备腐蚀延长了设备的使用寿命,减少了因设备频繁更换产生的固体废弃物和对环境的不良影响。
  2. 经济效益
    • 降低能源生产和利用成本:通过抑制碱金属挥发,减少了因碱金属导致的设备传热效率降低、热损失增加等问题,提高了能源转化效率和能源利用率,从而降低了能源生产和利用过程中的成本。例如在煤炭燃烧、生物质燃烧等过程中,能够提高燃烧效率,减少燃料消耗12
    • 固化剂制备成本低:该方法使用固体化石燃料的灰渣作为原料,原料易得且成本低廉,制备过程不额外添加其他化学工业产品,降低了固化剂的生产成本。
    • 灰渣再利用带来收益:经过处理后得到的富集碱金属的灰渣可用于钾肥原料,实现了废弃物的再利用,为企业带来额外的经济收益。同时,也减少了对传统钾肥生产所需的钾矿石等资源的依赖,降低了相关资源的开采和加工成本。
  3. 社会效益
    • 保障能源供应稳定性:在能源领域的应用中,该方法有助于提高能源生产设备的运行稳定性和可靠性,减少因设备故障导致的能源供应中断等问题,保障了能源的稳定供应,对于工业生产和居民生活具有重要意义。
    • 促进相关产业发展:其在能源、环保、化工等领域的应用,推动了这些产业的技术进步和发展,为相关产业提供了新的技术解决方案和发展机遇,创造了更多的就业岗位和经济增长机会。
    • 符合可持续发展要求:该方法有利于生物质等可再生能源的高效利用,减少了对化石能源的依赖,符合可持续发展的理念和要求,对于推动全社会的可持续发展具有积极的示范和引领作用。

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