催化劑性能對(duì)煤炭燃燒產(chǎn)生的影響

李晉萍

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

催化劑性能對(duì)煤炭燃燒產(chǎn)生的影響

李晉萍

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

中國(guó)現(xiàn)今對(duì)于煤炭產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略離不開(kāi)發(fā)展“潔凈煤技術(shù)”，以提高煤炭的資源利用率。然而在煤炭燃燒利用過(guò)程中存在燃燒不完全，熱能利用效率低，利用過(guò)程中產(chǎn)生大量容易對(duì)大氣產(chǎn)生污染的有害物質(zhì)如煙塵、一氧化碳、二氧化硫等氣體，因此，提高煤炭的燃燒利用率對(duì)整個(gè)社會(huì)及國(guó)家都會(huì)產(chǎn)生極其重要的意義。以氧化鐵廢渣為原料，把評(píng)價(jià)指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)放在燒失率、熱值釋放率和硫釋放率上，研究對(duì)煤炭燃燒具有催化作用的Fe2O3對(duì)于燃燒性能的影響。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)研究，最后得出結(jié)論：煤炭的燃燒性可通過(guò)添加合適的催化劑得到提高，在整個(gè)燃燒過(guò)程中煤炭的燃盡率在催化劑的作用下有了明顯的提高。但是煤炭的燃燒性能也會(huì)受到會(huì)阻礙，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，催化劑量的加入應(yīng)該適量并且少量，否則只能適得其反。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)結(jié)果進(jìn)行多次量化，對(duì)于添加量進(jìn)行調(diào)整，得到了對(duì)于提高燃盡率最為合適的添加量。

燃煤催化劑；燃燒性能；燒失率；熱值釋放率

中國(guó)是世界上最大的產(chǎn)煤國(guó)，同時(shí)也是最大燃煤國(guó)之一，原煤產(chǎn)量10億多t，在不可再生資源中占總資源的2/3以上，在我國(guó)能源的可持續(xù)利用中扮演著重要的角色。而其中存在的兩大問(wèn)題也在煤的燃燒利用中尤為突出：一是煤炭在燃燒過(guò)程中不夠充分，煤耗大，熱效率利用率低，煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重；二是一些有害氣體物質(zhì)例如一氧化碳、二氧化硫以及大量煙塵產(chǎn)生于煤燃燒過(guò)程中增加了排放量，大氣被污染的程度加劇。那么，能否通過(guò)其他方式使較低的煤炭資源的利用率得以提高，將在今后的若干年內(nèi)對(duì)希望發(fā)展“潔凈煤技術(shù)”的煤化工行業(yè)產(chǎn)生長(zhǎng)久以及重大的影響。我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量雖然較大，但大多數(shù)是含灰分較多的煤炭資源，在煤化工發(fā)展初期主要通過(guò)運(yùn)用技改方案增加設(shè)備利用率及操作水平的改善來(lái)提高資源利用率，這使得在實(shí)施過(guò)程中成本增高，生產(chǎn)過(guò)程控制難度加大，而且根本無(wú)法完全改變?nèi)紵隣t底部副產(chǎn)品量過(guò)大，爐渣中未被利用的碳含量過(guò)高，原料浪費(fèi)極大這些嚴(yán)重的缺點(diǎn)。現(xiàn)今煤化工發(fā)展速度迅猛，通過(guò)加入催化劑的方式提高煤炭利用率成為了煤炭資源利用的更有效方式。合理利用有效的催化劑不但能夠充分利用我國(guó)煤炭揮發(fā)分較高的特點(diǎn)，令燃煤揮發(fā)分析出率增高，提高煤炭利用率，同時(shí)使煤炭在燃燒爐內(nèi)的熔融溫度穩(wěn)定降低，燃盡速率被迅速加快，同時(shí)還能脫除氮、硫等對(duì)大氣產(chǎn)生污染作用的有害元素。燃燒爐內(nèi)有效催化劑的加入，使煤炭的燃燒更加完全，燃煤消耗率降低，提高了汽煤比，改善了燃燒爐工況，燃燒爐熱效率相應(yīng)提高，對(duì)于高灰分的劣質(zhì)煤的燃燒率也得到了提高，且污染物的排放量得到了控制，在煉鐵工業(yè)用爐上也適用，因此對(duì)于整個(gè)社會(huì)來(lái)說(shuō)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在煤化工行業(yè)中：堿金屬、堿土金屬和過(guò)渡元素的氧化物、氫氧化物及其鹽類都是常用燃煤催化劑，可以增強(qiáng)燃煤的燃燒性。本研究通過(guò)利用KMnO4是強(qiáng)氧化劑（在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)KMnO4進(jìn)行加熱則會(huì)產(chǎn)生大量氧氣，周圍具有合適粒度的煤炭能夠與被釋放出的氧氣接觸，從而令更多的揮發(fā)分從孔隙中析出，使煤炭?jī)?nèi)部燃燒加劇，改善了燃煤的燃燒性質(zhì)）這一性質(zhì)，在煤炭試樣中，加入一定量的廢渣（含少量的V2O5、Al2O3以及18%的Fe2O3），通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探討此種催化劑對(duì)煤炭燃燒性質(zhì)以及有害物質(zhì)硫的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料、儀器

原煤：實(shí)驗(yàn)所用的煤為揮發(fā)分含量較高的煙煤，取自寧夏石嘴山馬蓮臺(tái)煤礦所，在寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院做了工業(yè)分析。

儀器：多用熱量測(cè)定儀（型號(hào)：CT5000A）、微機(jī)漢顯快速測(cè)硫儀（型號(hào)：WDL-9）、馬弗爐（型號(hào)：CTM300）。

試劑：KMnO4（試劑）、Fe2O3廢渣（石嘴山鋼廠所產(chǎn)）、純Fe2O3。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和方法

取所需實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行篩分，選取粒徑＜3mm；將600g該實(shí)驗(yàn)煤樣與催化劑混合，取40g/phr，加入一定量水分，給予20MPa壓力在模具中制成煤餅，烘干時(shí)間定為2.0h，烘干溫度定為105℃，取出后立即密封；實(shí)驗(yàn)中在型號(hào)為CTM300的馬弗爐中放入從密封袋中立即取出的煤餅，從20℃逐漸開(kāi)始升溫，記錄各組數(shù)據(jù)，以便后期繪圖并進(jìn)行結(jié)果分析。①煤面變紅溫度；②煤面著火溫度；③煤面著火后，分別燃燒lh、1.5h、2h、2.5h、3h，煤面維持580℃；④燃燒結(jié)束后，取出煤餅，冷卻至20℃，對(duì)其剩余部分進(jìn)行稱量，測(cè)試剩余部分中的所含硫元素質(zhì)量和殘余的熱值，計(jì)算進(jìn)行不同實(shí)際煅燒后燃煤試樣的燒失率、熱值釋放率（熱值消耗量/原煤快熱值）和硫釋放率（硫釋放量/原煤塊含硫量）。

其中：

式中：M0為起始煤重，g；MI為燃燒后煤重，g。

式中：C0為燃燒前煤中所含熱值，Cal/g；CI為燃燒后渣中所含熱值，Cal/g。

式中：S0為燃燒前煤中含硫量，%；SI為燃燒后渣中含硫量，%。

2 分析與結(jié)果

2.1 原煤的工業(yè)分析結(jié)果

表1 原煤的工業(yè)分析結(jié)果

2.2 Fe2O3催化效應(yīng)研究

催化燃燒效果的實(shí)驗(yàn)，主要研究了Fe2O3的催化作用：第一組為原料煤樣，第二組試樣內(nèi)加入了2%的KMnO4作為催化劑，第三組把2%KMnO4加入到了0.8%的Fe2O3內(nèi)。對(duì)原料煤樣，只加入了2%KMnO4作為催化劑的煤樣，以及除了加入2%KMnO4同時(shí)還加入了0.8%Fe2O3的煤樣；分別給予了不同的燃燒時(shí)間做了燃燒實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，繪得隨時(shí)間的變化的熱值釋放率及燒失率如圖1和圖2所示。

圖1 燒失率隨燃燒時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖2 熱值釋放率隨燃燒時(shí)間的變化趨勢(shì)

由圖1、圖2可知，在只有原料煤樣存在的條件下，采用不同的燃燒時(shí)間（1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3h）后，渣中的熱值分別為3 737cal/g、3 628cal/g、3 205cal/g、2 682cal/g、2 322cal/g，其熱值釋放率分別為26.54%、36.01%、47.08%、55.06%、63.77%，可見(jiàn)，煤樣并沒(méi)有完全燃燒，大量的熱值仍然蘊(yùn)含于煤樣當(dāng)中可以加以利用。在增加了KMnO4作為催化劑，或者在另一種情況下，即同時(shí)增加KMnO4和Fe2O3作為催化劑將煤樣進(jìn)行燃燒，其狀況與沒(méi)有增加任何催化劑的煤樣燃燒相比，燒失率和熱值釋放率均顯著提高，而且添加了雙重催化劑KMnO4和Fe2O3后，煤樣的燒失率和熱值釋放率要明顯高于單純添加一種催化劑KMnO4的煤樣的燃燒效果，從這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，F(xiàn)e2O3在煤樣燃燒的中起到助燃以及催化作用。

2.3 不同量的Fe2O3對(duì)煤炭燃燒的催化作用

那么如果加入的Fe2O3量發(fā)生改變，效果會(huì)不會(huì)有所改變呢？我們做了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)：第一組仍然為原煤試樣，在第二組試樣中增加了2%的KMnO4和0.4%的Fe2O3，在第三組試樣中不但增加了2%的KMnO4作為催化劑同時(shí)還增加了0.8%的Fe2O3，在選取的第四組煤樣中改變了其中一種催化劑的量，2%的KMnO4不變，把Fe2O3的濃度增加到了2.0%。同樣給予了不同的燃燒時(shí)間進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制成圖，得到隨時(shí)間變化的熱值釋放率及燒失率。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析得知，增加了三氧化二鐵作為催化劑原料煤的燃燒燒失率和熱值釋放率明顯比不增加任何催化劑的煤樣有所提高，燒失率提高了大約29.8%，熱值釋放率提高了大約19.9%，對(duì)于原料煤樣的燃燒來(lái)說(shuō)三氧化二鐵的催化作用十分顯著；可是同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，雖然三氧化二鐵的濃度也有所提高，可是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明原料煤樣的燃燒性能并沒(méi)有提高，說(shuō)明影響較小，燒失率和熱值釋放率曲線依舊呈交替性上升趨勢(shì)。這是因?yàn)槿趸F催化劑并不是純物質(zhì)，所含雜質(zhì)不具有潛熱，添加量增大反而會(huì)阻礙煤炭的燃燒，由于雜質(zhì)的存在，包裹于原煤顆粒外層，使得氧氣于原煤煤粒接觸機(jī)會(huì)降低，同時(shí)燃燒產(chǎn)生的氣體也無(wú)法順利釋放，其結(jié)果就是直接降低原煤試樣的燃燒效率，所以增加的催化劑盡量應(yīng)該做到少量而且適量。

2.4 Fe2O3在煤燃燒過(guò)程中對(duì)硫釋放的影響

硫是煤炭利用中的一個(gè)重要因素，因此對(duì)煤炭燃燒過(guò)程中產(chǎn)生硫的變化也進(jìn)行了研究，希望通過(guò)研究找出催化劑對(duì)于硫釋放的影響：第一組仍然為原煤試樣，在第二組試樣中增加了2%的KMnO4催化劑共計(jì)4.0g，在第三組試樣中不但增加了2%的KMnO44.0g作為催化劑同時(shí)還增加了4.0g的Fe2O3。同樣給予了不同的燃燒時(shí)間進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知對(duì)于同時(shí)添加2%（4.0g）KMnO4和2%（4.0g）Fe2O3與只添加2%（4.0g）KMnO4對(duì)原煤試樣的燃燒影響相比，硫的釋放率明顯得到提高，約提高15.8%，比單純?cè)涸嚇犹岣呒s63.2%，由此我們得出結(jié)論因?yàn)镵MnO4和Fe2O3既能促進(jìn)煤炭燃燒也能增強(qiáng)硫的釋放率，要想達(dá)到不使硫氣化的效果，在使用入催化劑的同時(shí)必須加入固硫劑成分（如MgO、CaO等）。

2.5 Fe2O3含量對(duì)原煤試樣催化作用的比較

在前面研究中一直使用的是Fe2O3含量較低的催化劑，發(fā)現(xiàn)效果并不是很理想，因此將含量提高希望研究對(duì)原煤試樣燃燒時(shí)的催化作用是否有顯著提升：第一組在原煤試樣中增加了2%的KMnO4催化劑共計(jì)4.0g，同時(shí)還增加了4.0g含2%Fe2O3廢料；在第二組試樣中增加了4.0g 2%的KMnO4催化劑以及4.0g2%的純Fe2O3。同樣給予了不同的燃燒時(shí)間進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，得到隨時(shí)間變化的熱值釋放率及燒失率。

通過(guò)分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論，事實(shí)并不像我們想象的那樣，而是顯現(xiàn)出從原料煤樣燒失率和熱值釋放率整體趨勢(shì)來(lái)看，F(xiàn)e2O3廢料所體現(xiàn)出的性能要優(yōu)于純的Fe2O3，說(shuō)明從催化燃燒效果上來(lái)看純的Fe2O3性能要略遜于Fe2O3廢料，究其其原因主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)選擇的Fe2O3廢料為工業(yè)廢料，其成分主要含有如礬、銅、鉻等的過(guò)渡金屬以及一些堿土金屬，并且以氧化態(tài)的形式存在，只有約20%的Fe2O3，這些成分都是可以作為催化煤炭燃燒的良好催化劑，并且其催化活性都要大于金屬鐵，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)三氧化二鐵廢料是一種很好的燃煤催化劑。

2.6 燃燒機(jī)理分析

對(duì)堿金屬、堿土金屬和過(guò)渡元素的氧化物、氫氧化物及其鹽類的燃煤催化作用，前人做了很多科學(xué)研究，根據(jù)研究結(jié)果現(xiàn)如今發(fā)展成為兩種觀點(diǎn)，即電子轉(zhuǎn)移學(xué)說(shuō)和氧傳遞學(xué)說(shuō)。電子轉(zhuǎn)移學(xué)說(shuō)認(rèn)為：在整個(gè)燃燒加熱過(guò)程中存在于催化劑中的金屬離子得到能量被活化，存在于原子核的電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移。結(jié)果，金屬離子將形成空穴，同時(shí)發(fā)生改變的還有碳表面的電子構(gòu)型，空穴的形成，電荷的遷移這兩個(gè)條件就增加了一些反應(yīng)的速度，進(jìn)而使整體反應(yīng)速度同時(shí)提高，于是從各方面都體現(xiàn)出煤炭的燃燒更加充分。氧傳遞學(xué)說(shuō)認(rèn)為：催化劑在溫度升高時(shí)首先被還原成金屬（或低價(jià)金屬氧化物），被還原的金屬（或低價(jià)金屬氧化物）進(jìn)行了氧氣的吸附，使金屬（或低價(jià)金屬氧化物）氧化得到金屬氧化物（或高價(jià)金屬氧化物），緊接著碳再次還原金屬氧化物（或高價(jià)金屬氧化物），就這樣金屬（或低價(jià)金屬氧化物）一直處于氧化—還原循環(huán)中，在金屬（或低價(jià)金屬氧化物）和氧化物（或高價(jià)金屬氧化物）兩種狀態(tài)來(lái)回變動(dòng)。從宏觀上，從金屬（或低價(jià)金屬氧化物）中擴(kuò)散出來(lái)的氧原子不斷傳遞給了碳原子，氧氣擴(kuò)散速度的增，使煤燃燒反應(yīng)更易于進(jìn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

1）為了盡可能地提高煤炭的燃盡率，可以通過(guò)在煤炭中添加燃煤催化劑Fe2O3廢料的方式，來(lái)使煤炭的燃燒性得以提高，且此催化可作用于燃燒的整個(gè)過(guò)程。

2）催化劑的使用量要嚴(yán)格控制，在適量的前提條件下應(yīng)盡可能少量。

3）Fe2O3廢料作為催化劑既能促進(jìn)煤炭燃燒也能增強(qiáng)硫的釋放率，要想達(dá)到不使硫氣化的效果，在使用催化劑的同時(shí)必須加入固硫劑成分（如MgO、CaO等）。

4）純的Fe2O3作為燃煤催化劑，可起到良好作用，但實(shí)驗(yàn)證明含有V2O5、Al2O3雜質(zhì)的Fe2O3廢渣對(duì)煤炭燃燒的催化效果更好。

[1] 徐萬(wàn)仁.催化劑對(duì)煤粉燃燒特性的影響[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，1995，23，（3）：272-277.

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[5] 王興華.山西煤炭資源利用效率的測(cè)度[D].西安：西北農(nóng)業(yè)科技大學(xué)，2009.

The Influence of Catalyst Performance on Coal Combustion

Li Jin-ping

China’s long-term development strategy for the coal industry is inseparable from the development of “clean coal technology” to improve the utilization of coal resources.However，in the process of coal combustion，there is incomplete combustion，low efficiency of heat utilization，the use of the process to produce a large number of harmful substances that are prone to pollution to the atmosphere such as soot，carbon monoxide，sulfur dioxide and other gases，so the mention of coal combustion efficiency Society and the country will have a very important significance.The raw materials used in this study are iron oxide slag，and the evaluation index is focused on the burning rate，calorific value release rate and sulfur release rate to study the effect of Fe2O3catalyzed by coal combustion on the combustion performance.Through a series of experimental studies，it is concluded that the combustion of coal can be improved by adding the appropriate catalyst，and the burning rate of coal in the whole combustion process is obviously improved under the action of the catalyst.But the combustion performance of coal will be hampered by several experiments found that the amount of catalyst should be appropriate and a small amount，otherwise it can only be counterproductive.In the experiment，the results of a number of quantitative，for the amount of adjustment，how much added to increase the burning rate for the most appropriate results.

coal combustion catalyst；combustion performance；burnout rate；calorific value release rate

TQ534

B

1003-6490（2017）12-0007-03

2017-10-12

李晉萍（1978—），女，陜西乾縣人，講師，主要研究方向?yàn)槊夯?yīng)用。