本發(fā)明屬于燃煤煙氣中放射性污染物的減排控制領(lǐng)域，具體涉及一種調(diào)控煤燃燒過程中鈾定向轉(zhuǎn)化的方法。

背景技術(shù)：

中國是世界上煤炭生產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的國家，且我國的煤炭資源主要消耗于燃煤電廠。燃煤電廠被認(rèn)為是最大的人為空氣污染源之一，其排放的大量粉塵、NOx、SO₂對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了很大的危害。此外，煤中還含有天然放射性元素，包括238U(t_1/2＝4.5×10⁹年)和232Th(t_1/2＝1.4×10¹⁰年)及其衰變產(chǎn)物，以及40K(t_1/2＝1.3×10⁹年)。隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，燃煤電廠排放的的放射性污染物對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境的危害也逐漸引起重視。

鈾是煤和燃燒產(chǎn)物中典型的天然放射性元素之一。煤中的鈾主要以碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)、以及有機(jī)結(jié)合態(tài)三種形式存在。鈾的釋放及其在燃燒產(chǎn)物中的分配與其在煤中的賦存形態(tài)密切相關(guān)。在煤燃燒過程中，以Fe/Mn氧化物結(jié)合態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在的鈾通常不易揮發(fā)，燃燒后富集在底灰中。以有機(jī)結(jié)合態(tài)存在的鈾，在高溫燃燒過程中會(huì)隨著有機(jī)質(zhì)的燃燒而以氣相形式揮發(fā)。其中，一部分以氣相形式直接釋放到環(huán)境中，通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體，對(duì)人類健康危害很大；另外一部分隨著煙氣溫度的降低，會(huì)吸附到飛灰顆粒表面。雖然，電廠裝配的除塵裝置(ESP/FF)能脫除99％以上的飛灰顆粒物，但是，細(xì)顆粒物，尤其是亞微米級(jí)細(xì)顆粒物卻很難被除塵裝置捕獲，從而釋放到環(huán)境中。這些亞微米細(xì)顆粒物可直接通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體。顆粒物粒徑越小，其比表面積越大，且較小的飛灰顆粒在爐內(nèi)具有較長的停留時(shí)間，鈾在這些細(xì)顆粒物表面呈現(xiàn)明顯的富集。因此，這些含鈾細(xì)顆粒物通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體后，對(duì)人類健康造成極大危害。

與釋放到環(huán)境中的氣相鈾和含鈾細(xì)顆粒相比，富集于底灰中的鈾由于其傳輸范圍小，對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境的危害相對(duì)較小。因此，將煤燃燒過程中產(chǎn)生的氣相鈾定向轉(zhuǎn)化到底灰中，可減少氣相鈾和含鈾細(xì)顆粒物向環(huán)境的釋放，從而減小煤燃燒過程中鈾的釋放對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來的危害。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述需求，本發(fā)明提供了一種調(diào)控煤燃燒過程中鈾定向轉(zhuǎn)化的方法，其通過向煤中添加適量的添加劑，即堿金屬/堿土金屬氧化物，在較高的燃燒溫度(800-1200℃)下與堿金屬/堿土金屬氧化物反應(yīng)生成鈾酸鹽，從而被固定在燃燒產(chǎn)物底灰，在不影響鍋爐正常燃燒的情況下，可有效促進(jìn)氣態(tài)鈾產(chǎn)物向固態(tài)鈾酸鹽的定向轉(zhuǎn)化。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種調(diào)控煤燃燒過程中鈾定向轉(zhuǎn)化的方法，該方法包括以下步驟：

(1)測(cè)試煤中有機(jī)結(jié)合態(tài)鈾的含量m₁；

(2)根據(jù)步驟(1)中測(cè)試的有機(jī)結(jié)合態(tài)鈾的含量m₁，確定添加劑的添加量為m₂＝k₁·m₁，其中k₁為過量系數(shù)；

(3)向輸煤系統(tǒng)中添加添加劑，添加劑與煤在磨煤機(jī)中充分混合后進(jìn)入鍋爐爐膛燃燒，添加劑在爐膛中與氣態(tài)鈾反應(yīng)生成固態(tài)鈾酸鹽，這些固態(tài)鈾酸鹽被固定在底灰中。

進(jìn)一步地，所述的過量系數(shù)k₁＝1.1～1.5。

進(jìn)一步地，所述添加劑為堿金屬或堿土金屬氧化物。

優(yōu)選地，所述添加劑為CaO。

進(jìn)一步地，所述添加劑與氣態(tài)鈾反應(yīng)溫度為800-1200℃。

進(jìn)一步地，所述測(cè)試方法為逐級(jí)化學(xué)提取方法和電感耦合等離子質(zhì)譜方法。

進(jìn)一步地，所述添加劑通過添加劑噴射裝置噴射到鍋爐爐膛中和/或通過添加劑加入系統(tǒng)加入到輸煤系統(tǒng)中。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明的技術(shù)方案中，通過在輸煤系統(tǒng)或鍋爐爐膛中添加添加劑，保證了添加劑與氣態(tài)鈾的充分反應(yīng)，促進(jìn)了氣態(tài)鈾向固體鈾酸鹽的定向轉(zhuǎn)化，使煤中的鈾在燃燒過程中被固定在燃燒產(chǎn)物底灰中，減少了向環(huán)境的釋放。

(2)本發(fā)明的方法只需加入少量廉價(jià)的添加劑即可有效減少煤燃燒過程中鈾的釋放，還可根據(jù)電廠實(shí)際情況選擇添加劑加入方式，操作簡(jiǎn)單，投資和運(yùn)行成本較低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種調(diào)控煤燃燒過程中鈾定向轉(zhuǎn)化的方法中涉及的裝置示意圖。

圖1中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-添加劑加入系統(tǒng)、2-輸煤系統(tǒng)、3-磨煤機(jī)、4-鍋爐爐膛、5-添加劑噴射裝置、6-鍋爐尾部煙道。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種調(diào)控煤燃燒過程中鈾定向轉(zhuǎn)化的方法中涉及的裝置示意圖。如圖1所示，一種調(diào)控煤燃燒過程中鈾定向轉(zhuǎn)化的方法中涉及的裝置包括：添加劑加入系統(tǒng)1、輸煤系統(tǒng)2、磨煤機(jī)3、鍋爐爐膛4、添加劑噴射裝置5和鍋爐尾部煙道6。

煤中以有機(jī)質(zhì)形態(tài)存在的鈾在較低的燃燒溫度(<500℃)下即可分解和釋放，生成氣態(tài)鈾氧化物(UO₃、U₃O₈等)。這些鈾氧化物會(huì)直接釋放到環(huán)境中，或吸附到飛灰顆粒上。部分含鈾的細(xì)顆粒物難以被電廠的除塵裝置捕獲而釋放到環(huán)境中。鈾氧化物在較高的燃燒溫度(800-1200℃)下會(huì)與堿金屬/堿土金屬氧化物反應(yīng)生成鈾酸鹽，從而被固定在燃燒產(chǎn)物底灰中，減少氣態(tài)鈾氧化物和含鈾細(xì)顆粒物的釋放。

煤中含有一定量的堿金屬/堿土金屬元素，但這些元素通常是以礦物形式存在，而不是以氧化物形式存在。因此這些堿金屬/堿土金屬礦物需首先轉(zhuǎn)化為氧化物，然后才能與鈾氧化物反應(yīng)。但是，該轉(zhuǎn)化溫度通常高于有機(jī)質(zhì)形態(tài)鈾的分解溫度，因此在堿金屬/堿土金屬礦物轉(zhuǎn)化為氧化物之前會(huì)有一部分鈾以氣相形式釋放到環(huán)境中。通過向煤中添加適量的添加劑，即堿金屬/堿土金屬氧化物，在不影響鍋爐正常燃燒的情況下，可有效促進(jìn)氣態(tài)鈾產(chǎn)物向固態(tài)鈾酸鹽的定向轉(zhuǎn)化。

添加劑的添加原則是即要保證氣態(tài)鈾產(chǎn)物完全轉(zhuǎn)化為固態(tài)鈾酸鹽，同時(shí)又避免添加劑的過量加入帶來的添加劑浪費(fèi)和對(duì)鍋爐燃燒工況的影響。因此，需首先采用逐級(jí)化學(xué)提取方法和電感耦合等離子質(zhì)譜測(cè)試煤中有機(jī)結(jié)合態(tài)鈾的含量m₁，然后確定添加劑的添加量為m₂＝k₁·m₁，其中k₁為過量系數(shù)(k1＝1.1-1.5)，通過添加劑加入系統(tǒng)向輸煤系統(tǒng)中添加添加劑，添加劑與煤在磨煤機(jī)中充分混合后進(jìn)入鍋爐爐膛燃燒；或者通過添加劑噴射裝置將添加劑噴射到爐膛中，添加劑在爐膛中與氣態(tài)鈾反應(yīng)生成固態(tài)鈾酸鹽，這些固態(tài)鈾酸鹽將被固定在底灰中。

實(shí)施例1

本發(fā)明一種調(diào)控煤燃燒過程中鈾定向轉(zhuǎn)化的方法的一個(gè)實(shí)施例，通過上述裝置進(jìn)行，該方法的具體步驟如下：

(1)采用逐級(jí)化學(xué)提取方法和電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)試煤中有機(jī)結(jié)合態(tài)鈾的含量m₁＝6mg/kg煤；

(2)根據(jù)步驟(1)中的有機(jī)結(jié)合態(tài)鈾的含量m₁，確定CaO的添加量為m₂＝k₁·m₁，其中為k₁＝1.1，即每kg煤中添加6.6mg CaO；

(3)通過圖1中添加劑加入系統(tǒng)1向輸煤系統(tǒng)2中添加添加劑，添加劑與煤在磨煤機(jī)3中充分混合后進(jìn)入鍋爐爐膛4燃燒，鍋爐爐膛中的溫度為800℃，添加劑在鍋爐爐膛中與氣態(tài)鈾反應(yīng)生成固態(tài)鈾酸鹽，將其固定在底灰中；

(4)在鍋爐尾部煙道6處測(cè)試添加劑加入前、后煙氣中氣態(tài)鈾的濃度。

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向煤中添加添加劑后，煙氣中氣態(tài)鈾的濃度降低了30％，同時(shí)，底灰中固態(tài)鈾酸鹽的濃度增加了約28％，其誤差是由于測(cè)試條件誤差導(dǎo)致的。

實(shí)施例2

本發(fā)明一種調(diào)控煤燃燒過程中鈾定向轉(zhuǎn)化的方法的一個(gè)實(shí)施例，通過上述裝置進(jìn)行，該方法的具體步驟如下：

(1)采用逐級(jí)化學(xué)提取方法和電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)試煤中有機(jī)結(jié)合態(tài)鈾的含量m₁＝6.9mg/kg煤；

(2)根據(jù)步驟(1)中的有機(jī)結(jié)合態(tài)鈾的含量m₁，確定CaO的添加量為m₂＝k₁·m₁，其中為k₁＝1.3，即每kg煤中添加8.97mg CaO；

(3)通過圖1中添加劑噴射裝置5向鍋爐爐膛4中噴射添加劑，鍋爐爐膛中的溫度為1000℃，添加劑在鍋爐爐膛中與氣態(tài)鈾反應(yīng)生成固態(tài)鈾酸鹽，將其固定在底灰中；

(4)在鍋爐尾部煙道6處測(cè)試添加劑加入前、后煙氣中氣態(tài)鈾的濃度。

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向煤中添加添加劑后，煙氣中氣態(tài)鈾的濃度降低了78％，同時(shí)，底灰中固態(tài)鈾酸鹽的濃度增加了約77.2％，其誤差是由于測(cè)試條件誤差導(dǎo)致的。

實(shí)施例3

本發(fā)明一種調(diào)控煤燃燒過程中鈾定向轉(zhuǎn)化的方法的一個(gè)實(shí)施例，通過上述裝置進(jìn)行，該方法的具體步驟如下：

(1)采用逐級(jí)化學(xué)提取方法和電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)試煤中有機(jī)結(jié)合態(tài)鈾的含量m₁＝7.7mg/kg煤；

(2)根據(jù)步驟(1)中的有機(jī)結(jié)合態(tài)鈾的含量m₁，確定CaO的添加量為m₂＝k₁·m₁，其中為k₁＝1.5，即每kg煤中添加11.55mg CaO；

(3)通過圖1中添加劑加入系統(tǒng)1向輸煤系統(tǒng)2中添加添加劑，同時(shí)，通過添加劑噴射裝置5向鍋爐爐膛4中噴射添加劑，鍋爐爐膛中的溫度為1200℃，添加劑在鍋爐爐膛中與氣態(tài)鈾產(chǎn)物反應(yīng)生成固態(tài)鈾酸鹽，將其固定在底灰中；

(4)在鍋爐尾部煙道6處測(cè)試添加劑加入前、后煙氣中氣態(tài)鈾的濃度。

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向煤中添加添加劑后，煙氣中氣態(tài)鈾的濃度降低了81.5％，同時(shí)，底灰中固態(tài)鈾酸鹽的濃度增加了約80.7％，其誤差是由于測(cè)試條件誤差導(dǎo)致的。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實(shí)施中給出了效果較優(yōu)的過量系數(shù)k₁的值，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例中給出的過量系數(shù)，過量系數(shù)為k₁＝1.1～1.5，可以去實(shí)施例中的1.1、1.3、1.5，還可以取1.2、1.4等，具體過量系數(shù)的取值根據(jù)實(shí)際情況確定。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實(shí)施中給出了效果較優(yōu)的添加劑為CaO，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例中給出的添加劑，添加劑可以為堿金屬或堿土金屬氧化物，具體添加劑的種類根據(jù)實(shí)際情況確定。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實(shí)施中給出了效果較優(yōu)的添加劑與氣態(tài)鈾反應(yīng)溫度，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例中給出的添加劑與氣態(tài)鈾反應(yīng)溫度，添加劑與氣態(tài)鈾反應(yīng)溫度為800-1200℃，可以取實(shí)施例中的800℃、1000℃、1200℃，還可以取900℃、1100℃等，具體添加劑與氣態(tài)鈾反應(yīng)溫度根據(jù)鍋爐爐膛中的溫度確定。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實(shí)施例中給出了所述添加劑的加入方法，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例中給出的添加劑的加入方法，添加劑的加入方法的可以為實(shí)施中的通過添加劑噴射裝置噴射到鍋爐爐膛中，或者通過添加劑加入系統(tǒng)加入到輸煤系統(tǒng)中，還可以配合使用，具體添加劑的加入方法根據(jù)實(shí)際情況確定。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。