燃煤催化劑對(duì)混煤催化燃燒的研究與應(yīng)用

劉瑞芝，陳新智，李霞

1 引言

我國(guó)煤炭資源非常豐富，但儲(chǔ)量及煤種分布不均，為了實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)、不同性質(zhì)煤的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，發(fā)揮各煤種的優(yōu)點(diǎn)，或者為了充分利用當(dāng)?shù)孛禾抠Y源，做到物盡其用，降低熟料生產(chǎn)成本，部分水泥企業(yè)采用混煤或摻燒技術(shù)。無(wú)煙煤揮發(fā)分低，著火溫度高，燃燒速度慢，燃盡時(shí)間長(zhǎng)，但由于其儲(chǔ)量豐富而且價(jià)格便宜，很多水泥生產(chǎn)企業(yè)選擇以無(wú)煙煤與煙煤混合搭配使用。我們?cè)诔晒﹂_(kāi)發(fā)并應(yīng)用無(wú)煙煤燃煤催化劑的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了針對(duì)混煤的燃煤催化劑，并在華潤(rùn)（巖山）水泥有限公司5000t/d生產(chǎn)線上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)用燃煤催化劑

試驗(yàn)采用的燃煤催化劑其主要組成為助燃劑、增氧劑、分散劑、穩(wěn)定劑、膨松劑等。此種催化劑安全添加量為0.01%～0.05%，對(duì)熟料質(zhì)量和窯設(shè)備都無(wú)影響，能起到提高煤的活性、降低著火溫度、增加發(fā)熱強(qiáng)度、改善煤的燃盡特性、使煤的燃燒更加充分等作用，從而使窯工況穩(wěn)定性提高，窯結(jié)皮減少，窯投料量增加，NOx排放量減少，熟料強(qiáng)度提高并且達(dá)到節(jié)煤增產(chǎn)的目的。

3 燃煤催化劑的催化機(jī)理

本燃煤催化劑針對(duì)不同煤種和不同工況要求，提供針對(duì)性配方，適應(yīng)性強(qiáng)。加入燃煤催化劑一方面可以使揮發(fā)分含量增加，析出速率加快，從而降低煤的著火溫度，降低反應(yīng)所需的活化能，使反應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行，同時(shí)增強(qiáng)分子的熱運(yùn)動(dòng)，提高煤的熱傳遞，進(jìn)而達(dá)到提高燃燒效率的目的；另一方面，燃煤催化劑中的金屬化合物被還原成金屬，金屬一直處于氧化還原循環(huán)中，氧氣也不斷從金屬向碳原子傳遞，加快了氧氣的擴(kuò)散速度，從而促進(jìn)固定炭的燃燒。從宏觀上看，在分解爐內(nèi)，催化劑能夠加快煤的燃燒速度，縮短燃盡時(shí)間，提高燃盡率，從而使煤燃燒更完全；在窯內(nèi)，催化劑可以增加平均放熱強(qiáng)度，從而提高火焰溫度，使火焰明亮，黑火頭減少，窯工況變好，窯系統(tǒng)結(jié)皮減少。

本燃煤催化劑不但能在分解爐中節(jié)煤，還能降低窯中熟料燒成熱耗。針對(duì)水泥生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)影響水泥質(zhì)量的離子進(jìn)行適當(dāng)控制，同時(shí)添加一些利于水泥燒成的微量元素，一方面可降低生料燒成熔點(diǎn)，使液相提前出現(xiàn)，降低熟料形成活化能，從而降低水泥熟料的燒成熱耗；另一方面由于微量元素的晶體誘導(dǎo)作用，可促進(jìn)熟料中新生C3S的高活化性，提高熟料強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)方法

4.1 巖山混煤工業(yè)分析

巖山混煤為90%的無(wú)煙煤與10%的煙煤混合而成，具體工業(yè)分析如表1所示。

4.2 巖山混煤熱分析實(shí)驗(yàn)

圖1和圖2為巖山煤粉加催化劑前后的熱分析曲線。

表2為巖山煤粉添加催化劑前后的熱分析參數(shù)對(duì)比。其中平均放熱強(qiáng)度為單位質(zhì)量煤粉從開(kāi)始放熱到結(jié)束放熱時(shí)間段的放熱量；平均燃燒速度為煤粉在開(kāi)始著火到燃盡時(shí)間段的平均失重量；燃盡率為除去殘留質(zhì)量后的失重量。從表2可以看出，加催化劑后放熱起始溫度和著火溫度分別降低，這表明加催化劑后煤的活性增加，更容易點(diǎn)燃。此外，添加催化劑后煤的燃燒速度和平均放熱強(qiáng)度也提高了，這是因?yàn)榇呋瘎┲械慕饘傺趸餅樘己脱醯慕Y(jié)合起到了催化的媒介作用，加快了氧氣向碳原子傳遞的過(guò)程。

4.3 巖山混煤應(yīng)用催化劑的工業(yè)試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及條件

表1 巖山煤粉的工業(yè)分析

圖1 巖山混煤未加催化劑的熱分析曲線

圖2 巖山混煤摻加催化劑的熱分析曲線

表2 巖山煤粉加催化劑前后的熱分析參數(shù)對(duì)比

（1）燃煤催化劑經(jīng)過(guò)計(jì)量泵計(jì)量后，滴加在入煤磨皮帶秤上，原煤和催化劑經(jīng)混合粉磨后，由羅茨風(fēng)機(jī)送入窯頭和分解爐，試驗(yàn)加入量為原煤用量的0.03%。

（2）試驗(yàn)時(shí)間分為2012-06-12～2012-06-19 和 2012-06-21～2012-06-28。第一階段為未添加催化劑的空白試驗(yàn)，第二階段為添加催化劑的對(duì)照試驗(yàn)，每個(gè)階段8d左右時(shí)間。

4.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)通過(guò)分別采集使用燃煤催化劑前后燒成系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證該催化劑的節(jié)能效果。中控操作人員每小時(shí)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括窯喂料量、窯電流、窯轉(zhuǎn)速、預(yù)熱器與分解爐溫度、壓力及煙氣成分、窯頭及窯尾喂煤量、煤粉細(xì)度及工業(yè)分析、生熟料化學(xué)分析等，填寫(xiě)催化劑工業(yè)試驗(yàn)記錄表。系統(tǒng)24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以減少系統(tǒng)間斷運(yùn)行造成的誤差，增強(qiáng)記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 產(chǎn)量對(duì)比

統(tǒng)計(jì)空白期間未加催化劑與加入催化劑的熟料產(chǎn)量，未加催化劑空白試驗(yàn)期間的日均熟料產(chǎn)量為5203.8t/d，加入催化劑期間的日均熟料產(chǎn)量為5425.0t/d，其中加催化劑試驗(yàn)的第5天的7:20～9:00時(shí)段生料提升機(jī)出現(xiàn)故障，止料停窯，該日產(chǎn)量較低，但仍然可見(jiàn)加催化劑期間熟料產(chǎn)量明顯增加，經(jīng)計(jì)算增加了4.25%，這是由于加入催化劑后煤粉燃燒速度加快。由熱分析實(shí)驗(yàn)得知燃盡率增加了0.66%，分解爐內(nèi)與窯內(nèi)溫度上升，窯電流上升，燒成系統(tǒng)工況比較穩(wěn)定，使得熟料產(chǎn)量上升。

5.2 游離鈣合格率對(duì)比

華潤(rùn)（巖山）水泥有限公司規(guī)定游離鈣在低于1.5時(shí)視為合格，從圖7可以看出，未加催化劑游離鈣含量合格率平均為86.5%，而加催化劑后游離鈣含量合格率平均為92.6%，提升了7.08%。加催化劑試驗(yàn)第6天游離鈣合格率較低是因?yàn)榕淞巷柡捅容^高（熟料KH達(dá)到0.929），另外該日窯皮掉落較多。游離鈣合格率提升是由于催化劑促進(jìn)煤粉燃燒更完全，火焰熱力強(qiáng)度增大，窯內(nèi)煅燒溫度提高，熟料煅燒過(guò)程中C2S被CaO飽和成C3S的程度提高。

5.3 熟料升重對(duì)比

從圖8可以看出，未加催化劑時(shí)熟料升重的平均值為1173g/L，而加入催化劑后熟料升重有明顯提升，平均值為1272g/L，提高了99g/L，提高率為8.46%。盡管熟料的升重受到很多因素的影響，但是從煅燒溫度提高的角度講，催化劑可促進(jìn)煤的燃燒，提高煅燒溫度，優(yōu)化礦物結(jié)晶情況，對(duì)提高立升重是有益的。

5.4 NOX排放對(duì)比

從圖9可以看出，加入催化劑后廢氣總管出口NOx排放量降低了7.45%。在燃燒過(guò)程中，NO的形成基本在高溫區(qū)，溫度脈動(dòng)越大，峰值溫度越高，煙氣中NO的濃度越大。加入催化劑后，一方面加強(qiáng)了燃燒的穩(wěn)定性，避免了窯內(nèi)高溫溫度脈動(dòng)，減少了窯內(nèi)NO的形成量；另一方面，加入催化劑后，由于燃燒速度加快，用吸附態(tài)氧和晶格氧對(duì)C進(jìn)行氧化，減少了燃料N向NOx的轉(zhuǎn)化。

5.5 節(jié)煤率

表3為加入催化劑期間的節(jié)煤率，這是從試驗(yàn)8d期間的生料投入量、熟料產(chǎn)量、煤粉消耗量、燃煤熱值計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)煤耗得出的。其中：

熟料產(chǎn)量=生料投入量÷1.57

節(jié)煤率=（空白煤耗-加劑煤耗）/空白煤耗×100%

加入催化劑后，分解爐內(nèi)煤粉的燃燒速度增加，煤粉燃盡率提高，使得分解爐出口溫度增加，此時(shí)為了控制分解爐出口溫度可以適當(dāng)降低分解爐的喂煤量。另外，在窯內(nèi)加入催化劑后，液相提前出現(xiàn)，降低了熟料形成所需的活化能，使得燃燒環(huán)境變好，窯電流穩(wěn)定上升，這樣可以適當(dāng)減少窯頭的喂煤量。以上因素使得整個(gè)燒成系統(tǒng)的喂煤量得以下降，從而體現(xiàn)了節(jié)煤的效果。

根據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究燃煤催化劑對(duì)華潤(rùn)（巖山）水泥有限公司的節(jié)煤狀況，由表3中數(shù)據(jù)可知，摻加催化劑時(shí)，噸熟料標(biāo)煤耗用量減少了8.34kg，下降了7.3%，節(jié)煤效果顯著。

6 結(jié)論

該催化劑能使煤粉燃盡率提高，在以用煤量的0.3‰的比例從磨頭原煤秤處添加該燃煤催化劑后，窯工況穩(wěn)定，窯結(jié)皮減少，熟料產(chǎn)量增加4.25%，NOX排放量減少7.45%，熟料標(biāo)煤耗降低7.3%，熟料升重提高了8.46%。催化劑的使用有效降低了燒成系統(tǒng)的熱耗，起到了節(jié)煤增產(chǎn)、降低NOX排放、顯著改善窯況等作用。

表3 加入催化劑期間的節(jié)煤率*

由于該燃煤催化劑節(jié)能效果明顯，其使用經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)，以5000t/d生產(chǎn)線為例，假設(shè)其實(shí)際產(chǎn)能為5300t/d，一天約使用850t煤炭，煤炭?jī)r(jià)格按照850元/t，催化劑干粉價(jià)格按38000元/t計(jì)算，則一天使用催化劑的成本為38000×850×3×10-4=9690元，每噸熟料使用催化劑成本為1.8元。如果使用催化劑節(jié)煤率為4%，則一天通過(guò)節(jié)煤減少成本為850×4%×850-9690=19210元，折合成每噸熟料收益為3.62元/t。如果該廠運(yùn)轉(zhuǎn)率按照90%計(jì)算，則其使用燃煤催化劑僅節(jié)煤一項(xiàng)其一年收益可達(dá)到 3.62×5300×365×90%=631萬(wàn)元。隨著煤炭?jī)r(jià)格的上漲，此催化劑的經(jīng)濟(jì)性將更加明顯。

綜上所述，此燃煤催化劑在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有明顯優(yōu)勢(shì)，能為企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可為當(dāng)前節(jié)能減排工作做出突出貢獻(xiàn)。

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