阅读说明：本技术 一种研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验系统及方法 (A kind of experimental system and method for studying coal powder and electrolytic aluminum scraps multifuel combustion characteristic ) 是由 邓磊 朱正荣 白冰 马诗豪 龙纪淼 张妍 仇钰啸 于 2019-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验系统及方法,包括气体混合器、氧气瓶、氮气瓶、NH<Sub>3</Sub>瓶、NO瓶、第一阀门、第二阀门、进料器、注射器、第一石英管、第二石英管、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第一石灰石浆液洗气瓶、第二石灰石浆液洗气瓶、第二NaOH溶液洗气瓶、第三石灰石浆液洗气瓶、滤筒、采样器、分析主机及H<Sub>3</Sub>PO<Sub>4</Sub>溶液洗气瓶,该系统及方法能够模拟完成煤粉和电解铝废料混烧产物生成特性的实验、HF对燃煤电厂常用脱硝催化剂的影响以及石灰石浆液对HF的吸收效果实验。(The invention discloses the experimental systems and method of a kind of studying coal powder and electrolytic aluminum scraps multifuel combustion characteristic, including gas mixer, oxygen cylinder, nitrogen cylinder, NH 3 Bottle, NO bottles, the first valve, the second valve, feeder, syringe, the first quartz ampoule, the second quartz ampoule, third valve, the 4th valve, the 5th valve, the 6th valve, the 7th valve, the first lime stone slurry drexel bottle, the second lime stone slurry drexel bottle, the second NaOH solution drexel bottle, the drexel bottle of third lime stone slurry, filter cylinder, sampler, analysis host and H 3 PO 4 Solution drexel bottle, which can simulate completion coal dust and the experiment of electrolytic aluminum scraps multifuel combustion product formation characteristic, HF often use coal-burning power plant the influence of denitrating catalyst and lime stone slurry to test the assimilation effect of HF.)

一种研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验系统及方法

技术领域

本发明属于电解铝废料无害化处理领域，涉及一种研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验系统及方法。

背景技术

目前，金属铝的生产依赖于电解铝工艺。电解铝行业属于高能耗、高污染行业。例如，电解铝槽内衬产生的废料(废槽衬)里含有氟化物、氰化物等有害成分，而多数氰化物和氟化物易溶于水，这些有毒物质会对人体和环境构成很大威胁，因此实现电解铝废料的无害化处理具有重要的意义。

目前应用最为广泛的电解铝废料处理方法是火法处理和湿法处理。但是，火法处理过程中所产生的含氟废气会对设备造成比较严重的腐蚀，而湿法处理的工序过于复杂。这两种处理方式都需要单独搭建尾气处理系统，成本较高。

将电解铝废料运至燃煤电厂，与煤粉送入锅炉中混烧是一种很有前景的电解铝废料处理方式。由于废料中碳含量较高，混烧可在一定程度上回收利用废料中的剩余能量。但电解铝废料和煤混烧产生的烟气对锅炉的脱硝反应系统和脱硫塔的影响尚不明确，尤其是气体产物(HF)、固体产物的生成特性影响尚不明确，例如，HF对燃煤电厂常用脱硝催化剂的影响以及脱硫塔的石灰石浆液对HF的吸收效果等都是需要研究的对象。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验系统及方法，该系统及方法能够模拟完成煤粉和电解铝废料混烧产物生成特性的实验、HF对燃煤电厂常用脱硝催化剂的影响以及石灰石浆液对HF的吸收效果实验。

为达到上述目的，本发明所述的研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验系统包括气体混合器、氧气瓶、氮气瓶、NH₃瓶、NO瓶、第一阀门、第二阀门、进料器、注射器、第一石英管、第二石英管、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第一石灰石浆液洗气瓶、第二石灰石浆液洗气瓶、第二NaOH溶液洗气瓶、第三石灰石浆液洗气瓶、滤筒、采样器、分析主机及H₃PO₄溶液洗气瓶；

气体混合器的入口与氧气瓶的出口、氮气瓶的出口、NH3瓶的出口及NO瓶的出口相连通，气体混合器的出口与第一阀门的入口及第二阀门的入口相连通，第一阀门的出口与进料器的入口相连通，注射器与进料器的入口相连通，进料器的出口经第一石英管及第二石英管后与第二阀门的出口通过管道并管后与第三阀门的入口及第四阀门的入口相连通，第四阀门的出口依次经第一石灰石浆液洗气瓶、第二石灰石浆液洗气瓶及第二NaOH溶液洗气瓶与第三石灰石浆液洗气瓶相连通；

第三阀门的出口与滤筒的入口相连通，滤筒的出口分为两路，其中一路经第五阀门及采样器与分析主机的入口相连通，另一路与分析主机的出口通过管道并管后与第六阀门的入口及第七阀门的入口相连通，第六阀门的出口与第一NaOH溶液洗气瓶的入口相连通，第七阀门的出口与H₃PO₄溶液洗气瓶的入口相连通；

第一石英管内设置有石英吊篮，第二石英管内设置有催化剂，第一石英管及第二石英管外均设置有加热装置。

氧气瓶的出口处设置有第一减压阀及第一气体质量流量计；

氮气瓶的出口处设置有第二减压阀及第二气体质量流量计；

NH₃瓶的出口处设置有第三减压阀及第三气体质量流量计；

NO瓶的出口处设置有第四减压阀及第四气体质量流量计。

加热装置包括温控仪、用于检测第一石英管及第二石英管内温度的热电偶以及用于对第一石英管及第二石英管进行加热的电阻丝，其中，热电偶及电阻丝与温控仪相连接。

采样器与分析主机通过泵相连通。

还包括水浴锅，其中，第一石灰石浆液洗气瓶、第二石灰石浆液洗气瓶、第三石灰石浆液洗气瓶及第二NaOH溶液洗气瓶均位于水浴锅内。

分析主机的输出端连接有上位机。

本发明所述的研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验方法包括煤粉和电解铝废料混烧产物生成特性的实验、模拟混烧产物冲刷催化剂实验、冲刷前后催化剂脱硝活性测试实验以及石灰石浆液对HF的吸收效果实验；

煤粉和电解铝废料混烧产物生成特性的实验的具体操作过程为：

将电解铝废料和煤粉按预定比例混合后装入石英吊篮中，关闭第二阀门及第四阀门，打开第一阀门、第三阀门及第五阀门，打开第一减压阀及第二减压阀，通过加热装置将第一石英管加热到设定温度，按预设比例向气体混合器中通入N₂和O₂的混合物，气体混合器输出的混合气体依次经第一石英管及第二石英管进入到分析主机中，通过分析主机在线测量CO、CO₂、NO、N₂O、NO₂、H₂S、SO₂、HF及HCN的浓度，实验结束后，取出石英吊篮，对石英吊篮内的灰分成分进行测试；

模拟混烧产物冲刷催化剂实验的具体过程为，将催化剂放入第二石英管中，打开第一减压阀，通过加热装置将第二石英管加热至预设温度，通过注射器向进料器中注入设定量的HF，通过HF与氮气的混合气体对第二石英管内的催化剂进行冲刷，冲刷后的混合气体通过第一NaOH溶液洗气瓶中的NaOH溶液进行吸收；

冲刷前后催化剂脱硝活性测试实验的具体过程为：将催化剂放入第二石英管中，打开第一减压阀、第二减压阀及第四减压阀，使得NO气体、氧气及氮气以预设体积配比在气体混合器中混合，以模拟锅炉混烧时产生的烟气，关闭第一阀门，打开第二阀门，将气体混合器输出的混合气体送入分析主机中，通过分析主机测定NO的浓度，待NO的浓度稳定后，则关闭第二阀门，打开第一阀门及第三减压阀，将模拟的烟气和NH₃气体送入第二石英管中，使得烟气与NH₃在催化剂的催化作用下发生反应，同时通过加热装置控制反应温度，以模拟锅炉SCR脱硝系统的运行工况，然后通过分析主机在线监测反应产物的NO浓度及NH₃浓度，待NO浓度稳定后，将此时NO浓度作为热电炉出口的NO浓度，同时根据此时NO浓度计算催化剂的脱硝效率，再根据催化剂的脱硝效率评估催化剂的脱硝活性；

石灰石浆液对HF的吸收效果实验的具体过程为：关闭第二阀门及第三阀门，打开第一阀门及第二减压阀，先通过氮气瓶输出的氮气排尽整个气路中的空气，同时通过加热装置将第一石英管及第二石英管加热到设定温度，通过注射器向进料器中注入预设量的HF，将含有HF的氮气依次经过第一石灰石浆液洗气瓶、第二石灰石浆液洗气瓶、第二NaOH溶液洗气瓶及第三石灰石浆液洗气瓶，当第三石灰石浆液洗气瓶中石灰石浆液无白色絮状物生成时，则认为HF被第一石灰石浆液洗气瓶、第二石灰石浆液洗气瓶及第二NaOH溶液洗气瓶中的溶液完全吸收，收集第一石灰石浆液洗气瓶、第二石灰石浆液洗气瓶及第三石灰石浆液洗气瓶中的石灰石浆液，采用离子色谱测量石灰石浆液中的F^-含量，以判断石灰石浆液对HF的吸收效果。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验系统及方法在具体操作时，将电解铝废料和煤粉按预定比例混合后装入石英吊篮中，通过向第一石英管内通入N₂和O₂的混合物，并通过分析主机在线测量CO、CO₂、NO、N₂O、NO₂、H₂S、SO₂、HF及HCN的浓度，然后实验结束后，测量石英吊篮中的灰分成分，以模拟煤粉和电解铝废料混烧产物生成特性的实验；将催化剂放入第二石英管中，并通过HF与氮气的混合气体对第二石英管内的催化剂进行冲刷，以模拟混烧产物冲刷催化剂的实验；通过NO气体、氮气及氧气混合模拟锅炉混烧时产生的烟气，将该烟气与NH₃混合后流过第二石英管内的催化剂，并检测烟气中NO的浓度，并以此计算催化剂的脱硝效率，然后根据催化剂的脱硝效率评估催化剂脱硝活性，以模拟冲刷前后催化剂脱硝活性的测试实验；通过将含有HF的氮气依次经过第一石灰石浆液洗气瓶、第二石灰石浆液洗气瓶、第二NaOH溶液洗气瓶及第三石灰石浆液洗气瓶，并采用离子色谱测量石灰石浆液中的F^-含量，以判断石灰石浆液对HF的吸收效果，操作方便、简单。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中，1为注射器、2为进料器、3为第一石英管、4为加热装置、5为石英吊篮、6为电阻丝、7为温控仪、8为热电偶、9为催化剂、10为滤筒、11为采样器、12为泵、13为分析主机、14为上位机、15为H₃PO₄溶液洗气瓶、16为第一NaOH溶液洗气瓶、17为氧气瓶、18为氮气瓶、19为NH₃瓶、20为NO瓶、21为第一气体质量流量计、22为第二气体质量流量计、23为第三气体质量流量计、24为第四气体质量流量计、25为气体混合器、26为水浴锅、27为第一石灰石浆液洗气瓶、28为第二石灰石浆液洗气瓶、29为第二NaOH溶液洗气瓶、30为第三石灰石浆液洗气瓶、31为第一阀门、32为第二阀门、33为第三阀门、34为第五阀门、35为第四阀门、36为第六阀门、37为第七阀门、38为第一减压阀、39为第二减压阀、40为第三减压阀、41为第四减压阀、42为第二石英管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验系统包括气体混合器25、氧气瓶17、氮气瓶18、NH₃瓶19、NO瓶20、第一阀门31、第二阀门32、进料器2、注射器1、第一石英管3、第二石英管42、第三阀门33、第四阀门35、第五阀门34、第六阀门36、第七阀门37、第一石灰石浆液洗气瓶27、第二石灰石浆液洗气瓶28、第二NaOH溶液洗气瓶29、第三石灰石浆液洗气瓶30、滤筒10、采样器11、分析主机13及H₃PO₄溶液洗气瓶15；气体混合器25的入口与氧气瓶17的出口、氮气瓶18的出口、NH3瓶19的出口及NO瓶20的出口相连通，气体混合器25的出口与第一阀门31的入口及第二阀门32的入口相连通，第一阀门31的出口与进料器2的入口相连通，注射器1与进料器2的入口相连通，进料器2的出口经第一石英管3及第二石英管42后与第二阀门32的出口通过管道并管后与第三阀门33的入口及第四阀门35的入口相连通，第四阀门35的出口依次经第一石灰石浆液洗气瓶27、第二石灰石浆液洗气瓶28及第二NaOH溶液洗气瓶29与第三石灰石浆液洗气瓶30相连通；第三阀门33的出口与滤筒10的入口相连通，滤筒10的出口分为两路，其中一路经第五阀门34及采样器11与分析主机13的入口相连通，另一路与分析主机13的出口通过管道并管后与第六阀门36的入口及第七阀门37的入口相连通，第六阀门36的出口与第一NaOH溶液洗气瓶16的入口相连通，第七阀门37的出口与H₃PO₄溶液洗气瓶15的入口相连通；第一石英管3内设置有石英吊篮5，第二石英管42内设置有催化剂9，第一石英管3及第二石英管42外均设置有加热装置4。

氧气瓶17的出口处设置有第一减压阀38及第一气体质量流量计21；氮气瓶18的出口处设置有第二减压阀39及第二气体质量流量计22；NH₃瓶19的出口处设置有第三减压阀40及第三气体质量流量计23；NO瓶20的出口处设置有第四减压阀41及第四气体质量流量计24。

加热装置4包括温控仪7、用于检测第一石英管3及第二石英管42内温度的热电偶8以及用于对第一石英管3及第二石英管42进行加热的电阻丝6，其中，热电偶8及电阻丝6与温控仪7相连接。

采样器11与分析主机13通过泵12相连通，分析主机13的输出端连接有上位机14；本发明还包括水浴锅26，其中，第一石灰石浆液洗气瓶27、第二石灰石浆液洗气瓶28、第三石灰石浆液洗气瓶30及第二NaOH溶液洗气瓶29均位于水浴锅26内。

本发明所述的研究煤粉和电解铝废料混烧特性的实验系统包括煤粉和电解铝废料混烧产物生成特性的实验、模拟混烧产物冲刷催化剂9实验、冲刷前后催化剂9脱硝活性测试实验以及石灰石浆液对HF的吸收效果实验；

煤粉和电解铝废料混烧产物生成特性的实验的具体操作过程为：

将电解铝废料和煤粉按预定比例混合后装入石英吊篮5中，关闭第二阀门32及第四阀门35，打开第一阀门31、第三阀门33及第五阀门34，打开第一减压阀38及第二减压阀39，通过加热装置4将第一石英管3加热到设定温度，按预设比例向气体混合器25中通入N₂和O₂的混合物，气体混合器25输出的混合气体依次经第一石英管3及第二石英管42进入到分析主机13中，通过分析主机13在线测量CO、CO₂、NO、N₂O、NO₂、H₂S、SO₂、HF及HCN的浓度，实验结束后，取出石英吊篮5，对石英吊篮5内的灰分成分进行测试；

模拟混烧产物冲刷催化剂9实验的具体过程为，将催化剂9放入第二石英管42中，打开第一减压阀38，通过加热装置4将第二石英管42加热至预设温度，通过注射器1向进料器2中注入设定量的HF，通过HF与氮气的混合气体对第二石英管42内的催化剂9进行冲刷，冲刷后的混合气体通过第一NaOH溶液洗气瓶16中的NaOH溶液进行吸收；

冲刷前后催化剂9脱硝活性测试实验的具体过程为：将催化剂9放入第二石英管42中，打开第一减压阀38、第二减压阀39及第四减压阀41，使得NO气体、氧气及氮气以预设体积配比在气体混合器25中混合，以模拟锅炉混烧时产生的烟气，关闭第一阀门31，打开第二阀门32，将气体混合器25输出的混合气体送入分析主机13中，通过分析主机13测定NO的浓度，待NO的浓度稳定后，则关闭第二阀门32，打开第一阀门31及第三减压阀40，将模拟的烟气和NH₃气体送入第二石英管3中，使得烟气与NH₃在催化剂9的催化作用下发生反应，同时通过加热装置4控制反应温度，以模拟锅炉SCR脱硝系统的运行工况，然后通过分析主机13在线监测反应产物的NO浓度及NH₃浓度，待NO浓度稳定后，将此时NO浓度作为热电炉出口的NO浓度，同时根据此时NO浓度计算催化剂9的脱硝效率，再根据催化剂9的脱硝效率评估催化剂9的脱硝活性；

石灰石浆液对HF的吸收效果实验的具体过程为：关闭第二阀门32及第三阀门33，打开第一阀门31及第二减压阀39，先通过氮气瓶18输出的氮气排尽整个气路中的空气，同时通过加热装置4将第一石英管3及第二石英管42加热到设定温度，通过注射器1向进料器2中注入预设量的HF，将含有HF的氮气依次经过第一石灰石浆液洗气瓶27、第二石灰石浆液洗气瓶28、第二NaOH溶液洗气瓶29及第三石灰石浆液洗气瓶30，当第三石灰石浆液洗气瓶30中石灰石浆液无白色絮状物生成时，则认为HF被第一石灰石浆液洗气瓶27、第二石灰石浆液洗气瓶28及第二NaOH溶液洗气瓶29中的溶液完全吸收，收集第一石灰石浆液洗气瓶27、第二石灰石浆液洗气瓶28及第三石灰石浆液洗气瓶30中的石灰石浆液，采用离子色谱测量石灰石浆液中的F^-含量，以判断石灰石浆液对HF的吸收效果。

第一石灰石浆液洗气瓶27、第二石灰石浆液洗气瓶28、第二NaOH溶液洗气瓶29及第三石灰石浆液洗气瓶30均放置于水浴锅26中，可以实现温度的调节，以模拟脱硫塔的运行状态。

实验表明，煤与电解铝废料以掺烧比(99:1，98:2)混烧，在不同温度(1000-1400℃)的条件下，烟气中HF浓度最高为0.32mg L^-1，灰分中F^-浓度最高为2.21mg L^-1，石灰石浆液对HF的吸收率能够达到97.19％以上，因此HF经过石灰石处理后可达到国家排放标准，当工作温度为400℃，在不同温度(300-400℃)下失活的催化剂9样品的脱硝效率都保持在91.35％以上，比新鲜催化剂9(96.63％)降低的不多。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。