煤炭催化燃燒實驗研究

陳彥杰

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 沙坪壩 400037）

概述

煤煙型大氣污染是中國環(huán)境污染的重要因素，尤其是燃煤PM2.5是造成中國霧霾天氣的主要原因之一。傳統(tǒng)煤炭燃燒過程中普遍存在著火溫度高、燃燒速率低及燃不盡等問題，使得煤炭燃燒有效利用率低、污染物排放嚴(yán)重。煤炭催化燃燒技術(shù)，通過應(yīng)用游離基催化及擴散燃燒機理，可以有效地改善燃煤燃燒的動力學(xué)特征，可以降低煤炭的著火點、提高煤炭燃燒速度及燃燒效率，達到節(jié)煤的目的，同時可以減少粉塵、氮氧化物、硫氧化物以及其它燃燒副產(chǎn)物等污染物的排放。目前，煤炭催化劑研究主要集中于鹵化物類、硝酸鹽類、堿金屬、堿土金屬鹽類物質(zhì)及稀土元素等。這些催化劑基本上為純凈的化學(xué)物質(zhì)，價格昂貴，難以實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。本文嘗試對工業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)廢料催化煤燃燒的效果進行深入的研究，以達到尋找高效廉價助燃劑之目的，取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 煤炭催化燃燒實驗設(shè)計

1.1 實驗原料

采用工業(yè)應(yīng)用混合煤，碾磨成80%的煤粉粒度小于80網(wǎng)目的煤粉。原料工業(yè)分析如表1。實驗用的催化劑主要為工業(yè)性高錳酸鉀、硫鐵礦燒渣、電解金屬錳浸出渣。硫鐵礦燒渣、電解金屬錳浸出渣主要化學(xué)組成分別見表2。硫鐵礦燒渣、電解金屬錳浸出渣同樣碾磨至粒度小于80網(wǎng)目。

圖1 原煤粉及添加不同用量高錳酸鉀后煤粉催化燃燒特性

1.2 實驗方法

采用WRT-3P量熱天平分析儀進行煤粉燃燒特性研究。實驗條件：穩(wěn)態(tài)流動空氣中，空氣的流速為100mL／min，以15K／min的升溫速率為試樣升溫，實驗樣品總質(zhì)量為20mg（誤差<2%）。研究不同種類的催化劑在不同添加量的情況下，對煤粉催化燃燒特性的影響。利用量熱天平分析儀進行煤粉燃燒特性，研究記錄試樣質(zhì)量隨溫度的變化即得熱重曲線。

表1 煤樣化驗指標(biāo)

2 煤炭催化燃燒實驗結(jié)果與分析

煤樣添加催化劑前后的TG-DTG圖可用熱重分析儀獲得，可以繪制出1-升溫速率曲線，2-煤燃燒熱重微分曲線DTG和3-煤燃燒熱重曲線TG。在DTG曲線上，過峰值點作垂線與TG曲線交于一點M，過M點作TG曲線切線。該切線與失重開始時平行線的交點所對應(yīng)的溫度定義為著火溫度；該切線與失重結(jié)束時平行線的交點所對應(yīng)的溫度定義為燃燼溫度；M點所對應(yīng)的溫度為最大失重速率溫度。

表2 硫鐵礦燒渣和電解金屬錳浸出渣的主要化學(xué)組成（%）

2.1 高錳酸鉀對煤粉燃燒特性的影響

先對原煤粉做熱重曲線，然后取高錳酸鉀添加量分別為煤粉重量的0.5%、1.0%和1.5%時，做煤粉催化燃燒的熱重曲線，測定結(jié)果如圖1。

l-升溫速率曲線；2-煤燃燒熱重微分曲線DTG； 3-煤燃燒熱重曲線TG

通過圖1分析，煤粉中添加高錳酸鉀催化燃燒，能有效降低煤粉的著火點、加快煤粉燃燒失重速率，并降低煤粉燃燒燃燼溫度。當(dāng)添加1%高錳酸鉀時，煤粉催化燃燒效果最好，著火點降低約20℃，最大失重速率溫度降低了50℃左右，燃燼溫度降低了約60℃。

2.2 硫鐵礦燒渣對煤粉燃燒特性的影響

取硫鐵礦燒渣添加量分別為煤粉重量的0.5%、1.0%和1.5%時，做煤粉催化燃燒的熱重曲線，并與原煤粉熱重曲線做了對比，測定結(jié)果如圖2。

通過圖2分析，煤粉中添加硫鐵礦燒渣催化燃燒，能有效降低煤粉的著火點、加快煤粉燃燒失重速率，并降低煤粉燃燒燃燼溫度。當(dāng)添加1.5%硫鐵礦燒渣時，煤粉催化燃燒效果最好，著火點降低約40℃，最大失重速率溫度降低了30℃左右，燃燼溫度降低了約30℃。

2.3 電解金屬錳浸出渣對煤粉燃燒特性的影響

取電解金屬錳浸出渣添加量分別為煤粉重量的0.5%、1.0%和1.5%時，做煤粉催化燃燒的熱重曲線，并與原煤粉熱重曲線做了對比，測定結(jié)果如圖3。

通過圖3分析，煤粉中添加電解金屬錳浸出渣催化燃燒，能有效降低煤粉的著火點、加快煤粉燃燒失重速率，并降低煤粉燃燒燃燼溫度。當(dāng)添加1.0%電解金屬錳浸出渣時，煤粉催化燃燒效果最好，著火點降低約30℃，最大失重速率溫度降低了80℃左右，燃燼溫度降低了約70℃。

3 煤炭催化燃燒機理研究與探討

高錳酸鉀作為強氧化劑，在300℃左右分解出O2和MnO2。MnO2在高溫下被煤中焦炭快速還原成金屬Mn，促進煤中C-C的斷裂，形成揮發(fā)分；同時，MnO2在被還原成金屬Mn的過程中為焦炭提供氧離子，改變焦炭表面活性，促進焦炭的燃燒。然后，金屬Mn在高溫下又被氧化成MnO2，并再次被還原釋放出氧離子，從而實現(xiàn)周而復(fù)始的催化作用。煤炭釋放出的揮發(fā)分著火點較低，在與O2接觸后迅速燃燒，加快了煤粒著火初期的火焰?zhèn)鞑ニ俾?，從而減低了煤炭的著火溫度。揮發(fā)分的燃燒迅速提升了燃燒空間的溫度，進一步促進了煤炭燃燒速度，增強了煤炭燃燒失重速率，并最終減低了煤炭燃燼溫度。硫鐵礦燒渣中主要起催化燃燒作用的是Fe2O3，電解金屬錳浸出渣中主要起催化燃燒作用的是MnO 、Fe2O3和K2O 。這些金屬化合物催化燃燒機理和MnO2相同，遵循氧傳遞催化理論。

圖2 原煤粉及添加不同用量硫鐵礦燒渣后煤粉催化燃燒特性

圖3 原煤粉及添加不同用量電解金屬錳浸出渣后煤粉催化燃燒特性

結(jié)語

利用熱重分析法研究了高錳酸鉀、硫鐵礦燒渣、電解金屬錳浸出渣對煤炭的催化燃燒性能和動力學(xué)的影響。結(jié)果表明：這些物質(zhì)都可以在一定程度上降低煤炭燃燒的著火溫度、最大失重速率溫度和燃燼溫度。MnO2、MnO、Fe2O3和K2O 等金屬氧化物是起催化燃燒作用的物質(zhì)成分，各成分的催化燃燒機理符合氧傳遞理論。

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