一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法
阅读说明：本技术 一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法 (Method for efficiently adsorbing and purifying flue gas by using microwave outfield and industrial waste residues ) 是由 张军红 田晨 高立华 肖德超 郭庆 时明喆 湛文龙 何志军 于 2021-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及烟气吸附领域,具体公开一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法,该方法主要通过将粉煤灰与电石渣通过破碎研磨、配比混料与添加催化剂、超声波浸渍与机械搅拌、微波快速干燥与改性处理、二次破碎与研磨、压制成型以及微波催化活化烧结烟气吸附的方法来实现高效烟气吸附与净化。利用该技术方法不仅可以合理且有效地处理工业废渣,同时还可以使烟气被高效吸附与净化。最终实现绿色减排,节能环保的技术效果。(The invention relates to the field of flue gas adsorption, and particularly discloses a method for efficiently adsorbing and purifying flue gas by utilizing a microwave external field and industrial waste residues. The technical method can reasonably and effectively treat the industrial waste residue and can also effectively adsorb and purify the flue gas. Finally, the technical effects of green emission reduction, energy conservation and environmental protection are realized.)
技术领域
本发明涉及烟气吸附领域，具体涉及一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法。
背景技术
随着环保要求的不断提升，绿色生产与节能减排已成为目前工业发展的主要趋势与转型方向。对于钢铁冶金企业而言，烧结过程中的气体污染物排放在全流程中占比最高。在烧结烟气中二氧化硫的排放量可占全流程的65％，氮氧化物排放也接近全流程的55％。随着近年来超低排放指标与要求的不断严苛，烧结过程中烟气的高效净化与处理变得愈发重要。
现阶段，针对烧结烟气净化的方法主要包括活性炭(焦)吸附法、络合吸附法、氧化吸收法、还原吸收法、以及催化吸收法等多种。这些方法的特点各不相同，且对于烟气的吸附效果也各有利弊。并且值得注意的是，这些技术方法中所用原料多为化工原料、且吸附工艺也相对复杂。极大的增加了钢铁企业的生产与烟气治理成本。因此，在保证高效烟气净化的同时如何开发一种全新的工艺简单且低成本的烟气治理方法已成为企业急需解决的关键性技术困难。
粉煤灰与电石渣作为常见的工业废渣，不仅排放量极大，且无法得到很好的利用和处理。但是从原料的角度，由于粉煤灰与电石渣中含有大量可以与烟气成分发生反应的物质(如氧化钙)。如果可以实现合理利用，无论是对废渣的二次利用还是烧结烟气的治理都具有极大的意义。但遗憾的是，由于高温烧结和使用后的废渣活性极低，使得这些废渣并不能直接被作为制备烟气吸附剂所用原料。
发明内容
基于上述背景技术，本发明提供一种利用微波外场和工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法。利用该技术方法不仅可以合理且有效地处理工业废渣，同时还可以使烟气被高效吸附与净化。最终实现绿色减排，节能环保的技术效果。
本发明的技术方案如下：
一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法，包括以下步骤：
步骤(1)：破碎与研磨：选取粉煤灰与电石渣两种工业废渣作为原料，分别将两种废渣进行破碎与研磨处理，获得粉体粒度在0.074mm以内的粉料；
步骤(2)：配比混料与添加催化剂：将研磨后的粉煤灰、电石渣、催化剂以及去离子水按质量比100：80-120：4-12：200-400进行混料；
步骤(3)：超声波浸渍与机械搅拌：将混合后的样品放置于超声波下进行超声波浸渍，并且安装机械搅拌桨对混料进行实时的机械搅拌，对混料进行预处理，并以提升混合浆料成分的均匀性；
步骤(4)：微波快速干燥与改性处理：将浸渍与搅拌后的浆料置于粘土质的坩埚或容器内，然后送去微波发生器中进行微波快速脱水干燥与改性处理；
步骤(5)：二次破碎与研磨：由于步骤(4)中获得的物料存在一定团聚及成块的现象，因而将其进行二次破碎与研磨，使其重新变成粉体；
步骤(6)：压制成型：将步骤(5)中所获得的粉料根据相应吸附装置规格进行压制成型，以获得吸附剂材料生坯；
步骤(7)：微波催化活化烧结烟气吸附：将步骤(6)中获得的吸附剂材料生胚放置于烟气吸附装置内，在烟气吸附与净化的同时对吸附剂进行微波协同处理。
上述的一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法，其优选方案为，步骤(2)所述的催化剂为氧化铁、硝酸铁、硝酸钠、硝酸钾中的一种。
上述的一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法，其优选方案为，步骤(3)所述的超声波浸渍功率在100-150W，超声和搅拌时间为60-240分钟，搅拌速率控制在300-1800转每分钟之间。
上述的一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法，其优选方案为，步骤(4)所述的微波干燥与改性处理功率为1000-1500W，处理时间根据单次处理浆料重量控制在10-35min。
上述的一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法，其优选方案为，步骤(5)二次研磨后的粉体粒度均需要控制在0.074mm以内。
上述的一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法，其优选方案为，步骤(6)中压制厚度在1-10cm，压制力保持在2-15MPa。
上述的一种利用微波外场及工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法，其优选方案为，步骤(7)中微波协同处理功率控制在200-800W，协同处理温度控制在110-140℃之间。
本发明的有益效果为：
与其他技术方法相比本发明的优势在于：
(1)本发明所使用原料为目前储存量巨大的粉煤灰与电石渣，在有利于缓解现阶段相关废渣无法得到合理安置和利用的前提下也为烟气吸附剂的制备提供了廉价的原材料。与其他技术方法相比，本发明方法所制备和使用的烟气吸附剂效果更好，工艺更便捷，成本更低。
(2)物料的物理研磨有助于提升原料自身的基础活性，而催化剂的添加有助于调节原有废渣成分，同时为废渣中提供更多可以促进烟气反应的化合物，有效促进和提升吸附剂在烟气吸附与净化过程的反应性与反应速率。而超声波浸渍与机械搅拌可以有效地保证混合物浆料的成分分布更加均匀。确保催化剂可以完全附着在每个原料的分子团和团簇体表面，并且促进原料进行适度的水化与自身活性的提升。实现进一步提升烟气吸附与净化性能的目的。
(3)微波的快速脱水与改性处理可以大幅度节约干燥过程中的能源与时间的消耗，并且利用微波进行改性处理后的物料分子团与团簇体自身结构出现一定的裂纹等缺陷，在提升吸附原料自身比表面积的同时还有助于再次提升原料自身活性。实现进一步提升烟气吸附与净化性能的目的。
(4)二次研磨不仅可以针对物料脱水与改性后存在一定团聚及成块的现象进行破碎，同时还有助于在研磨过程中将部分大分子团进一步细化以及存在缺陷的分子团进行二次破坏。再一次提升原料自身比表面积与活性。进而可以获得高反应活性的吸附剂原料粉体。实现进一步提升烟气吸附与净化性能的目的。
(5)在利用压制成型后的吸附剂进行烟气吸附的同时辅以微波协同处理，可以有效的延长烟气通过吸附剂的所用时间。并且在吸附过程中，由于微波的非热效应可以使吸附剂自身结构逐渐出现裂纹和破坏。这有利于提升烟气吸附与过滤过程中的比表面积、细化孔径分布，还可以使已经完全反应后的吸附剂表面被内部未反应的原料结构所替换。在增加吸附剂自身物理吸附效果的同时，化学吸附性能的稳定性也得到了良好的保证。与此同时，在微波的影响下，部分原料水口后形成的氢氧化物以及原料所带有的结晶水会在低温下逐渐脱落吸附剂并形成水蒸气，在此过程中首先又一次提升了吸附所用原料的孔径分布与物理吸附能力。其次这些水蒸气在孔径通道内还有利于与烧结烟气中的二氧化硫与氮氧化物先行反应，而后再与吸附剂发生化学反应。由于吸附剂孔径分布广，微孔与介孔较多且还会不断生成，而且疏松度高，这些都使得反应后的水蒸气不易快速从吸附剂中排出，进而再次在孔径内部循环，从而起到了烟气化学吸附过程中催化剂的作用，最终使得本发明所述的技术方法可以在实现高效吸附的同时还可以实现吸附性能长时间的稳定。
附图说明
图1为一种利用微波外场和工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法的工艺流程图；
图2为本发明所获得的烟气吸附剂生坯的微观形貌；
图3为经过长时间微波催化活化烧结烟气吸附后的吸附剂微观形貌。
具体实施方式
一种利用微波外场和工业废渣进行高效烟气吸附与净化的方法，主要根据说明书附图1以及以下具体实施步骤进行制备：
(1)破碎与研磨：选取粉煤灰与电石渣两种工业废渣作为原料，分别将两种废渣进行破碎与研磨处理，获得粉体粒度在0.074mm以内的粉料。
(2)配比混料与添加催化剂：将研磨后的粉煤灰，电石渣、催化剂以及去离子水按质量比100：80-120：4-12：200-400进行混料。其中催化剂为氧化铁、硝酸铁、硝酸钠、硝酸钾中的一种。
(3)超声波浸渍与机械搅拌：将混合后的样品放置于超声波下进行超声波浸渍，并且安装机械搅拌桨对混料进行实时的机械搅拌，对混料进行预处理，并以提升混合浆料成分的均匀性。其中超声波浸渍功率在100-150W，超声和搅拌时间为60-240分钟，搅拌速率控制在300-1800转每分钟之间。
(4)微波快速干燥与改性处理：将浸渍与搅拌后的浆料置于粘土质的坩埚或容器内，而后送去微波发生器中进行微波快速脱水干燥与改性处理。其中微波干燥与改性处理功率为1000-1500W，处理时间根据单次处理浆料重量控制在10-35min。
(5)二次破碎与研磨：由于步骤(4)中获得的物料存在一定团聚及成块的现象，因而将其进行二次破碎与研磨，使其重新变成粉体，其中粉体粒度依旧控制在0.074mm以内。
(6)压制成型：将步骤(5)中所获得的粉料根据相应吸附装置规格进行压制成型，已获得吸附剂材料生坯。其中压制厚度在1-10cm，压制力保持在2-15MPa。烟气吸附剂生坯的微观形貌如说明书附图2所示。
(7)微波催化活化烧结烟气吸附：将步骤(6)中获得的吸附剂放置于烟气吸附装置内，在烟气吸附与净化的同时对吸附剂进行微波协同处理。其中微波协同处理功率控制在200-800W，协同处理温度控制在110-140℃之间。经过长时间微波催化活化烧结烟气吸附后的吸附剂微观形貌如说明书附图3所示。
实施例1
选取粉煤灰与电石渣两种工业废渣作为原料，分别将两种废渣进行破碎与研磨处理，获得粉体粒度在0.074mm以内的粉料。将研磨后的粉煤灰，电石渣、催化剂以及去离子水按质量比100：100：8：300进行混料，其中催化剂选用氧化铁。将混合后的样品放置于超声波下进行超声波浸渍，并且安装机械搅拌桨对混料进行实时的机械搅拌，对混料进行预处理，并以提升混合浆料成分的均匀性，其中超声波浸渍功率在100W，超声和搅拌时间为80分钟，搅拌速率控制在600转每分钟。待处理完成后，将浸渍与搅拌后的浆料置于粘土质的坩埚或容器内，然后送去微波发生器中进行微波快速脱水干燥与改性处理，其中微波干燥与改性处理功率为1000W，处理时间根据单次处理浆料重量控制在15min。而后将微波处理后的物料进行二次破碎与研磨，使其重新变成粉体，其中粉体粒度依旧控制在0.074mm以内。而后再将获得的粉料进行压制成型，已获得吸附剂材料生坯，其中压制厚度在3cm，压制力保持在4MPa。最后，将获得的吸附剂放置于烟气吸附装置内，在烟气吸附与净化的同时对吸附剂进行微波协同处理。其中微波协同处理功率控制在600W，协同处理温度控制在120℃之间。
在烟气脱硫脱硝过程中，选用二氧化硫和氮氧化合物的脱除效果作为参考指标。在吸附过程中，吸附剂前10分钟以内的烟气脱硫脱硝率基本保持在98.2％以上，30分钟左右脱硫脱硝率仍可以保持90％以上。
实施例2
选取粉煤灰与电石渣两种工业废渣作为原料，分别将两种废渣进行破碎与研磨处理，获得粉体粒度在0.074mm以内的粉料。将研磨后的粉煤灰，电石渣、催化剂以及去离子水按质量比100：110：10：250进行混料，其中催化剂选用硝酸钠。将混合后的样品放置于超声波下进行超声波浸渍，并且安装机械搅拌桨对混料进行实时的机械搅拌，对混料进行预处理，并以提升混合浆料成分的均匀性，其中超声波浸渍功率在120W，超声和搅拌时间为90分钟，搅拌速率控制在500转每分钟之间。待处理完成后，将浸渍与搅拌后的浆料置于粘土质的坩埚或容器内，而后送去微波发生器中进行微波快速脱水干燥与改性处理。其中微波干燥与改性处理功率为1200W，处理时间根据单次处理浆料重量控制在12min。而后将微波处理后的物料进行二次破碎与研磨，使其重新变成粉体，其中粉体粒度依旧控制在0.074mm以内。而后再将获得的粉料根据相应吸附装置规格进行压制成型，已获得吸附剂材料生坯，其中压制厚度在3cm，压制力保持在4MPa。最后，将获得的吸附剂放置于烟气吸附装置内，在烟气吸附与净化的同时对吸附剂进行微波协同处理。其中微波协同处理功率控制在500W，协同处理温度控制在120℃之间。
在烟气脱硫脱硝过程中，选用二氧化硫和氮氧化合物的脱除效果作为参考指标。在吸附过程中，吸附剂前10分钟以内的烟气脱硫脱硝率基本保持在98％以上，30分钟左右脱硫脱硝率仍可以保持90％以上。
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