1 冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室(安徽工业大学), 安徽 马鞍山 243002 冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室(安徽工业大学), 安徽 马鞍山 243002 School of Civil and Environmental Engineering, Queensland University of Technology, Brisbane, QLD 4000, Australia
2 冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室(安徽工业大学), 安徽 马鞍山 243002
3 School of Civil and Environmental Engineering, Queensland University of Technology, Brisbane, QLD 4000, Australia
4 冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室(安徽工业大学), 安徽 马鞍山 243002 冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室(安徽工业大学)
5 安徽工业大学建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032
水泥中的硫酸盐含量过高会带来后期体积膨胀的风险。 采用纳米TiO2和纳米SiO2对含有CaSO3·0.5H2O的半干法烧结烟气脱硫灰改性, 以纳米改性半干法烧结烟气脱硫灰为混合材制备固废型纳米高硫水泥, 解决混合材中CaSO3·0.5H2O含量高带来的耐久性不良问题。 根据固废型纳米高硫水泥的安定性、 标准稠度用水量, 凝结时间以及抗压强度等性能的发展变化规律, 确定了各组分的掺量配比和制备参数。 采用LPSA分析了原材料的粒径分布区间, 采用接触角测量仪分析了硬化浆体的浸润性能, 采用XRD分析了原料及硬化浆体的矿物成分, 采用FTIR分析了原料及硬化浆体的组织结构的变化规律, 采用SEM分析了原料及硬化浆体的微观形貌。 结果表明, 半干法烧结烟气脱硫灰的粒径分布区间为0.31~127.38 μm比水泥颗粒粒径分布区间更宽、 粒度更细, 能够优化水泥的级配范围。 半干法烧结烟气脱硫灰的加入对水泥水化起到一定的缓凝作用, 延长了凝结时间, 掺量较大会带来同龄期硬化浆体抗压强度的降低。 纳米SiO2与纳米TiO2的加入能够降低高硫水泥体系的标准稠度用水量, 提高其抗压强度。 3 Wt%的纳米TiO2与2 Wt%的纳米SiO2协同改性能够有效稳定半干法烧结烟气脱硫灰中的CaSO3·0.5H2O, 进一步激发半干法烧结烟气脱硫灰的潜在活性, 提高水泥硬化浆体的力学性能。 改性后固废型纳米高硫水泥28 d的抗压强度为64.72 MPa比未改性的高硫水泥提高了83%, 比纯水泥提高了16%。 纳米改性后, 润湿边角增大向疏水转变, 有利于耐久性的提高; XRD分析结果显示水化产物中类AFm’含量很低, 降低了膨胀的风险; FTIR分析结果显示水化产物中Ca(OH)2中含有的—OH的伸缩振动峰增强, 进一步提高了硬化浆体的抗化学侵蚀能力; SEM分析结果显示水化产物质地均匀, 组织缺陷少。 纳米TiO2与纳米SiO2协同改性半干法烧结烟气脱硫灰可以稳定其中含有余有的硫酸盐、 亚硫酸盐, 制备出高性能固废型纳米高硫水泥, 有利于降碳减碳, 节能环保。
半干法脱硫灰 胶凝材料 纳米改性 亚硫酸盐 微观结构 Semi-dry flue gas desulfurization Cementing material Nano-modification Sulfite Microstructure 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1974
中国建筑材料科学研究总院有限公司, 北京 100024
氮氧化物是大气主要污染物之一, 选择性催化还原(SCR)是国内外工业锅炉(窑炉)烟气脱硝的主要技术途径。脱硝催化剂是SCR技术的核心, 近几十年来为人们所关注和广泛研究。金属氧化物催化剂材料来源广泛, 制备简单, 脱硝效率稳定, 在工业锅炉(窑炉)烟气脱硝中具有广阔的应用前景, 因而成为人们研究关注的重点。本文基于SCR烟气脱硝理论现状, 归纳了金属氧化物催化剂优化设计的关键与重要基础, 同时, 梳理了目前备受研究关注的钒基、锰基、铈基、铁基等四种典型金属氧化物催化剂的研究进展, 系统介绍了不同氧化物催化剂的脱硝机理、本质特征、元素改良、结构和形貌设计, 以及存在的问题等, 并展望了今后金属氧化物催化剂研究的发展趋势, 为今后工业锅炉(窑炉)烟气高效脱硝催化剂的研发提供参考借鉴。
氮氧化物 选择性催化还原 机理 烟气脱硝 金属氧化物 催化剂 nitrogen oxide selective catalytic reduction mechanism flue gas DeNOx metal oxide catalyst
二噁英是一类含氯挥发性有机污染物, 具有环境持久性、 生物蓄积性和长期残留性等特性, 可造成致畸、 致癌和致突变等危害。 铁矿烧结过程中含氯前驱物在碱性环境下通过Ullman反应或经飞灰中某些催化性成分催化生成二噁英; 碳、 氢、 氧和氯等元素可通过基元反应“从头合成”(de novo)二噁英, 是二噁英最主要的排放源之一。 物理吸附技术仅能实现污染物由气相向固相转移, 加重了飞灰处理负担, 并存在特定温度条件下(250~350 ℃)二噁英再生风险。 催化降解技术能彻底矿化有机污染物, 生成CO2, H2O和HCl/Cl2, 是一种避免二次污染高效节能、 成本较低的方法。 但由于传统催化剂活性温度区间较高, 无法达到烧结烟气末端温度。 选择合适的催化剂, 提高催化剂低温降解活性, 能实现低温、 高效催化降解烧结烟气中有机污染物的目标。 过渡金属Ce具有稀土金属的4f轨道配位效应和路易斯酸活性位点, 对有机污染物C—H和C—Cl键活化起到至关重要的作用, 掺杂过渡金属、 调整活性组分比例可进一步提高铈基催化剂的抗中毒性能和降解活性。 因此, 本文采用溶胶凝胶法制备Ce-V-Ti复合催化剂, 以氯苯为二噁英模型分子, 研究了不同活性组分比例对铈基催化剂降解烧结烟气中二噁英活性影响。 利用X射线衍射仪、 比表面积及孔径测定仪和拉曼光谱仪对催化剂进行表征, 研究Ce-V-Ti催化剂的相组成、 比表面积和分子结构, 并推测铈基催化剂的降解机理。 结果表明, 在实验室模拟烧结烟气气氛下, 反应条件为GHSV=30 000 h-1、 20%O2和100 ppm CB, 当Ce质量分数为15%、 V质量分数为2.5%时, Ce-V-Ti催化降解氯苯活性最高, 150 ℃能达到约60%转换率, 300 ℃能实现95%降解率。 催化剂载体与活性组分之间化学交互作用, 影响催化剂的降解活性。 通过光谱学分析发现, Ce-V-Ti催化剂XRD图谱主要为锐钛矿相的TiO2, 比表面积为95.53 m2·g-1, 孔容0.29 cm3·g-1, 孔径6.5 nm。 表面官能团主要为C—H基团和H—O官能团。 引入V作为Ce-Ti催化剂助剂, 促进了Ce元素固溶, 增加了催化剂表面氧空位, 有利于提升催化剂降解活性。 通过对催化剂机理分析, 认为反应物首先通过发生亲核取代而垂直吸附于催化剂表面, 再被活性组分Ce活化, 活化后氯苯分子被表面活性氧分解矿化。 同时, 过渡金属V的低价态氧化物发生氧化反应, 促进Ce的还原反应。
催化氧化 二噁英 Ce-V-Ti催化剂 光谱学 烧结烟气 Catalytic combustion Dioxins Ce-V-Ti catalysts Spectral analysis Iron ore sintering flue gas
1 安徽工业大学建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032
2 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室(安徽工业大学), 安徽 马鞍山 243002
钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物, 其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。 由于技术的局限, 导致我国钢渣利用率较低, 仅为年钢渣产量的10%, 同时加之管理制度的不健全, 导致钢渣大量露天堆放, 对土地资源、 地下水源, 以及空气质量形成严重影响。 固体废弃物再利用是资源可持续发展的重要途径之一, 钢渣的主要化学成分为CaO, SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3, MnO, f-CaO等。 面对上述问题, 利用冶金固体废弃物与活性炭开发一种价格低廉且性能优越的活性炭混合钢渣复合材料, 既是冶金固体废弃物的高附加值利用与资源可持续发展的重要途径之一, 也是大幅降低改性活性炭生产成本与提高经济效益的重要途径之一。 该研究创新性以活性炭与钢渣为研究对象, 利用钢渣中含有的金属氧化物对活性炭进行改性处理制备用于烧结烟气脱硫脱硝的活性炭混合钢渣复合材料, 通过搭建实验反应装置对活性炭混合钢渣复合材料的脱硫脱硝性能进行测试。 利用X射线荧光光谱仪(XRF)对钢渣的化学成分进行测试与分析, 比表面积及孔径测定仪(BET)对活性炭混合钢渣复合材料的孔结构进行测试与分析, 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对钢渣的结构组成进行测试与分析, 扫描电子显微镜(SEM)对活性炭混合钢渣复合材料的微观结构进行测试与分析, 以揭示活性炭与钢渣制备活性炭混合钢渣复合材料的机理, 以及活性炭混合钢渣复合材料对烧结烟气脱硫脱硝的机理。 结果表明: 当钢渣为电炉热泼渣、 钢渣与活性炭质量比为2∶4、 钢渣与活性炭细度为400目时, 活性炭混合钢渣复合材料具有良好的脱硫脱硝性能与合理的经济性, 即脱硫效率为100%、 脱硝效率为58%。 活性炭混合钢渣复合材料具有的多孔结构对SO2和NO进行有作用, 钢渣中Fe2O3与MnO2促使活性炭官能团进行催化还原反应提高脱硫脱硝性能, 其中吸附作用是主导与前提, 催化还原反应是辅助与协同。 以期为高附加值的钢渣利用提供新途径, 实现钢铁企业以废治废、 以废增效的目的。
钢渣 活性炭 脱硫脱硝 光谱学分析 烧结烟气 Steel slag Activated carbon Desulfurization and denitration Spectroscopic analysis Sintering flue gas 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1195
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 淮北师范大学物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000
利用横向塞曼效应技术对烟气中的二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)等干扰气体进行背景校正。采用基于塞曼效应的汞监测系统测量得到烟气经过湿法脱硫(WFGD)处理系统前后烟气中元素汞(Hg0)的平均质量浓度分别为0.36 μg·m-3和11.08 μg·m-3, 脱硫系统处理后烟气中Hg0浓度显著升高。经分析, 烟气中约99%的SO2被脱硫浆液吸收, 生成足量亚硫酸盐, 亚硫酸盐与Hg2+发生还原反应释放出Hg0；浆液pH值的变化加速Hg2+还原反应并释放Hg0。利用WFGD系统协同脱汞可能导致烟气Hg0排放浓度升高。Hg0排放浓度与烟气中其他成分的浓度均具有一定的相关性, 这与理论分析一致, 表明横向塞曼原子吸收法可以有效去除SO2、NOx等气体的干扰, 验证了应用横向塞曼原子吸收法检测烟气汞含量的准确性与可行性。
大气光学 塞曼效应 汞 烟气 原子吸收法 干扰气体 激光与光电子学进展
2017, 54(8): 080101
张文丽 1,2,3,*龙萍 1,2,3吴鉴 1,2,3陈秀敏 1,2,3[ ... ]杨斌 1,2,3
1 省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室, 云南 昆明 650093
2 云南省有色金属真空冶金重点实验室, 云南 昆明 650093
3 真空冶金国家工程实验室, 云南 昆明 650093
SO2是大气主要污染物, 与雾霾的形成有直接关系, 烟气脱硫是保护环境、 减少雾霾的有效措施。 磷矿浆法烟气脱硫是一种以磷矿浆为吸收剂的新型脱硫方法。 采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定磷矿浆烟气脱硫剂固液相(磷矿粉、 磷矿浆脱硫液和脱硫渣)中硫含量。 在选定了较灵敏的硫分析线后, 探讨了ICP光谱仪工作条件对分析结果的影响, 同时研究了样品预处理方法以及共存元素对硫测定结果的影响。 分别用三种不同的方式对磷矿粉、 磷矿浆脱硫液和脱硫渣样品进行前处理, 确保样品溶解完全。 选用181.973 nm光谱线为分析线, 避免共存元素的光谱干扰。 选择仪器的入射功率为1 300 W, 观测高度为12 mm, 雾化气流量为0.65 L·min-1, 泵进样量为1.5 mL·min-1。 在光谱仪最佳分析条件下, 利用该方法测定磷矿粉、 磷矿浆脱硫液及脱硫渣中硫的含量, 其检出限为0.000 38%, 加标回收率在89.5%～104.5%之间, 相对标准偏差(RSD)≤2.30%, 同时与硫酸钡重量法进行对比实验, 结果基本吻合, 相对偏差≤3.88%, 该方法简便快捷, 精密度和准确度较高, 适用于磷矿浆脱除烟气SO2的科研及生产中。
硫 磷矿浆 烟气 ICP-AES ICP-AES Sulfur Phosphate ore pulp Flue gas 光谱学与光谱分析
2017, 37(5): 1535
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 淮北师范大学物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000
为了解决燃煤烟气汞监测困难的问题, 搭建了基于横向塞曼效应的烟气汞在线监测系统。当自然汞灯光源处于磁感应强度为1.5 T强磁场中时, 塞曼效应使得253.65 nm共振吸收线分裂为π和σ±线偏振光。利用汞原子吸收π线偏振光但不吸收σ±线偏振光的特性, 可实现对干扰气体和颗粒物等干扰背景的精确校正, 系统的探测下限为66.3 ng/m3。当烟气中二氧化氮气体的体积分数不高于5.09×10-4、二氧化硫的体积分数不高于1.83×10-4时, 系统的汞检测不受影响。对燃煤电厂的烟气汞排放进行了连续8 d的监测, 得到烟气汞的平均质量浓度为8.3 μg/m3, 质量浓度最大值为19.4 μg/m3, 均低于国家标准的规定值。实验结果表明, 烟气汞在线监测系统可对烟气中的干扰气体以及颗粒物等进行精确背景校正, 实现烟气汞的准确测量, 满足复杂烟气环境下对汞的长期在线监测。
大气光学 塞曼效应 烟气汞 原子吸收法 干扰气体
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
傅里叶变换红外光谱仪可实现对高温烟气的多组分同时测量,在该方面具有广泛的应用前景.而决定其能否成功应用的重要因素之一,在于测量系统中对红外干涉图采样的相位误差控制.论述了系统相位误差产生的主要原因,通过分析氦氖激光干涉信号过零均匀性,说明了产生相位误差的主要原因是激光信号与参考信号的相位差.与此同时,定量分析了相位误差对仪器信噪比的影响,通过Mertz相位校正方法得到了仪器信噪比较之原来提高了数千倍.并进行了相关实验.实验结果表明,基于此干涉图采样方法的系统满足高温烟气测量的需要.
傅里叶红外光谱仪 He-Ne激光采样 相位校正 信噪比 Fourier transform spectroscopy Helium-neon laser sampling High temperature flue gas Phase correction Signal-to-noise ratio 光谱学与光谱分析
2015, 35(7): 2054
1 西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室, 陕西 西安 710049
2 西安交通大学能源与动力工程学院, 陕西 西安 710049
针对火电厂烟气光谱数据的非线性特性, 采用了基于神经网络内部模型的非线性偏最小二乘定量分析方法。 该方法进行偏最小二乘(PLS)回归后, 将自变量和因变量的隐变量作为神经网络的输入和输出进行训练, 即可得到非线性内部模型。 将PLS、 基于向后传递神经网络内部模型的非线性PLS(BP-NPLS)、 基于径向基函数神经网络内部模型的非线性PLS(RBF-NPLS)和基于自适应模糊推理系统内部模型的非线性PLS(ANFIS-NPLS)对火电厂烟气多组分进行测定后比较, BP-NPLS、 RBF-NPLS和ANFIS-NPLS较之PLS, 将二氧化硫预测模型的预测均方根误差(RMSEP)分别降低了16.96%, 16.60%和19.55%; 将一氧化氮预测模型的RMSEP分别降低了8.60%, 8.47%和10.09%; 将二氧化氮预测模型的RMSEP分别降低了2.11%, 3.91%和3.97%。 实验表明, 非线性PLS较PLS更适用于火电厂烟气定量分析。 通过神经网络对非线性函数的高度逼近特性, 基于本文所提及内部模型的非线性偏最小二乘方法有较好的预测能力和稳健性, 在一定程度上解决了基于多项式和样条函数等其他内部模型的非线性偏最小二乘方法的自身局限性。 其中, ANFIS-NPLS的效果最好, 自适应模糊推理系统的学习能力能够有效降低残差, 使模型具有较好的泛化性, 是一种比较准确实用的火电厂烟气定量分析方法。
火电厂烟气 光谱定量分析 偏最小二乘 神经网络内部模型 Flue gas of thermal power plant Spectroscopy quantitative analysis Partial least squares Neural network internal model 光谱学与光谱分析
2014, 34(11): 3066
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与材料重点实验室, 安徽 合肥 230031
为实现基于光学方法的烟气流速和颗粒物浓度的非介入式测量，研制了双光路对射式烟气流速测量系统，并在工业烟道上进行了实地测试。鉴于工业烟道内气流的复杂性和多变性，提出了一种反级串的烟气流发展模型，并改进了数据处理方法。分析结果表明：基于新数据处理方法测量的烟气流速，虽然其统计平均值与皮托管的单点测量结果存在0.7 m/s的差异，但两仪器测量结果的统计平均值非常一致，均接近7.6 m/s。当信号比较理想时，相对于经过简单滤波后计算得到的烟气流速，新的数据处理方法不会对烟气流速及其变化趋势造成明显改变。由烟气流速测量系统所测信号的光强起伏与颗粒物浓度存在明显的线型关系，相关系数可达0.97。
测量 光强起伏 互相关 烟气流速 颗粒物浓度
