燃煤化學(xué)干預(yù)催化燃燒節(jié)煤技術(shù)的研究與應(yīng)用

崔修強(qiáng)

摘 要：在煤中加入少量的化學(xué)添加劑可以改變煤的燃燒性能，這就是煤的化學(xué)干預(yù)煤炭催化燃燒技術(shù)。借助燃煤催化劑的催化作用提高分子活度，縮短煤在爐膛里的燃盡時(shí)間，提高煤的燃燒強(qiáng)度和爐膛溫度，改善煤的燃燒性能，降低廢氣排放量，達(dá)到節(jié)煤、減少環(huán)境污染的目的。從節(jié)能和環(huán)保的角度而言，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：化學(xué)干預(yù)；催化燃燒；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TK227.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）09-0182-02

國(guó)家煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃要求2020年前現(xiàn)役火電廠煤耗低于310克/千瓦時(shí)，目前我國(guó)300MW及以下機(jī)組純凝供電煤耗均在320克/千瓦時(shí)以上，高于國(guó)家目標(biāo)要求。為實(shí)現(xiàn)國(guó)家2020年節(jié)能減排行動(dòng)計(jì)劃，除進(jìn)行設(shè)備改造和運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整外，使用燃煤催化劑實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗也是一條行之有效措施。為此對(duì)煤催化燃燒技術(shù)及其推廣應(yīng)用的研究已引起了廣泛關(guān)注。

1 燃煤催化劑研究簡(jiǎn)述

對(duì)于燃煤催化劑的助燃作用，可以將已有的研究結(jié)果歸納為兩種觀點(diǎn)，即電子轉(zhuǎn)移學(xué)說和氧傳遞學(xué)說。實(shí)驗(yàn)表明，電子轉(zhuǎn)移理論可以解釋堿土金屬、堿金屬的鹽及其氧化物的催化作用；氧傳遞理論可以解釋稀土鈣鈦礦型催化劑或者堿土金屬、堿金屬的鹽及其氧化物催化劑的催化作用。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上目前銷售的主要有增氧助燃型與助磨助燃型節(jié)煤劑。其中，增氧助燃型節(jié)煤劑主要節(jié)煤途徑是在燃煤中混入在受熱過程中能夠放出氧氣的物質(zhì)，比如：高錳酸鉀、氯酸鉀、硝酸鈉等，通過提高燃燒過程中的供氧量，提高燃盡率，降低不完全燃燒熱損失，由于大型鍋爐效率均在92%以上，該類型的節(jié)煤產(chǎn)品無法適用于未來發(fā)展的需求。助磨助燃型節(jié)煤劑多采用易燃粘稠油類、易燃有機(jī)物混合而成，運(yùn)輸危險(xiǎn)，其可改善燃燒的狀況，但節(jié)煤效果不顯著。因此，研究新型的催化節(jié)煤產(chǎn)品是市場(chǎng)和社會(huì)發(fā)展的必然要求。

化學(xué)干預(yù)煤炭燃燒催化技術(shù)是通過從煤炭燃燒過程著手的節(jié)能新技術(shù)，其催化劑采用過渡金屬有機(jī)化合物，產(chǎn)品自身不燃不爆，運(yùn)輸安全。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，可以利用利用氧彈熱量分析儀將節(jié)能效果測(cè)出，適用于任何類型燃煤鍋爐。

2 化學(xué)干預(yù)煤炭催化燃燒技術(shù)研究

在煤中加入少量的化學(xué)添加劑可以改變煤的燃燒性能，這就是煤的化學(xué)干預(yù)煤炭催化燃燒技術(shù)。煤炭與氧的燃燒反應(yīng)，催化劑存在的條件下，可以認(rèn)為是氣固兩相的表面吸附反應(yīng)。依據(jù)表面吸附反應(yīng)理論，氧分子首先被催化劑表面所吸附，在催化劑正電中心的靜電作用下，氧分子變形，并迅速將其雙鍵斷開，形成氧原子。然后活化了的炭原子和氧原子結(jié)合，生成CO2分子，離開催化劑表面，如此循環(huán)不斷。

2.1 化學(xué)干預(yù)煤炭催化燃燒原理

從煤炭燃燒的本質(zhì)分析采用化學(xué)干預(yù)催化節(jié)能的可行性，本質(zhì)上煤炭燃燒是碳?xì)浠衔锉谎趸蒀O2、H2O等產(chǎn)物，并放出熱能的過程。煤炭在燃燒過程中，第一步是氧分子離解成氧原子、炭原子被活化的過程，這兩個(gè)過程需要吸收大量熱能，煤炭燃燒放出的熱量幾乎有70%被其消耗掉。

引入催化劑后，煤炭在燃燒過程中，活化能降低，燃燒過程的內(nèi)耗減少、顯熱發(fā)熱量增加，實(shí)現(xiàn)了由根本上節(jié)能的目的。同時(shí)可降低著火溫度、提高燃燒速度、加速內(nèi)能的釋放，縮短煤在爐膛里的燃盡時(shí)間，提高煤的燃燒強(qiáng)度和爐膛溫度，改善了煤的燃燒性能。

由催化劑的原理可知，催化劑不改變化學(xué)反應(yīng)的初始反應(yīng)物和生成終產(chǎn)物，其本質(zhì)是給化學(xué)反應(yīng)提供了一條能量較低的反應(yīng)途徑，降低了燃燒反應(yīng)的活化能，實(shí)現(xiàn)了從源頭上、根本上的節(jié)能。未加催化劑前煤炭的著火活化能為Q1、其著火點(diǎn)為T1，添加催化劑后煤炭的著火活化能降為Q2、著火點(diǎn)降為T2，實(shí)際燃燒過程中可以多釋放出的顯熱發(fā)熱量即為二者只差：ΔQ=Q1-Q2。

由于著火點(diǎn)的降低，煤炭在鍋爐中的燃燒時(shí)間增長(zhǎng)，物理不完全燃燒損耗小，因此可以降低煤灰中的含炭量和煙氣中的CO含量，從而起到很好的綜合效果。

2.2 化學(xué)干預(yù)煤炭催化劑對(duì)煤樣的作用方式

添加化學(xué)干預(yù)煤炭催化劑后，煤結(jié)構(gòu)中的表面基團(tuán)與催化劑中的離子反應(yīng)形成了新的基團(tuán)，但煤中原有的C與C，C與H的化學(xué)鍵并未被破壞，在外加基團(tuán)的影響下，燃燒反應(yīng)過程中所需要的活化能降低，同時(shí)加入的離子在反應(yīng)過程中，變成了氧化物對(duì)燃燒進(jìn)行催化，二者結(jié)合降低燃燒內(nèi)耗和反應(yīng)活化能，實(shí)現(xiàn)了提高煤燃燒顯熱的作用。

2.3 化學(xué)干預(yù)煤炭催化劑主要成分

化學(xué)干預(yù)煤炭高性能燃燒催化劑是由如下質(zhì)量份數(shù)的原料溶于100份水中混勻即得：硫酸廠廢渣20～30、電鍍廠廢液20～35、電解銅廠廢液25～30、硝化稀土5～10、陰離子表面活性劑3～5和可溶性鈣鹽2～5。煤炭燃燒催化劑使用方便，可提高煤的燃燒強(qiáng)度和爐膛溫度，改善煤的燃燒性能，降低廢氣排放量和節(jié)煤3～5%。

3 催化劑工業(yè)應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵研究

從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，為更好的實(shí)現(xiàn)鍋爐添加燃煤催化劑的節(jié)能效果，應(yīng)深入研究一下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 催化劑配方

工業(yè)燃燒煤質(zhì)特性由于產(chǎn)地變化而波動(dòng)較大，而具有催化作用的物質(zhì)中，其不同離子間具有相互遏制或促進(jìn)作用的二重作用。因此在總結(jié)單一化合物催化實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，更需要研究適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良復(fù)合型催化劑。

3.2 選擇催化劑原材料

催化劑的活性是影響其催化劑作用效果的主要因素，其活性與分子結(jié)構(gòu)、元素性質(zhì)等有關(guān)。此外，選擇催化劑的原材料還應(yīng)考慮三個(gè)方面：一是應(yīng)保證催化劑原材料的可溶性，按照工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)需要，確定最佳的添加方式，以改善催化劑的應(yīng)用效果；二是由于催化劑既是燃燒促進(jìn)劑，也是硫、氮氧化物的還原劑，因此應(yīng)防止催化劑帶來二次污染；三是合理控制原材料的成本，提高催化劑的工業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 催化劑添加量

合理的配方除了要確定催化劑的材料成分，還要確定各種成分的用量比例。催化劑的添加量直接影響著催化劑的作用效果，用量少催化效果不明顯，用量過多，不但增加費(fèi)用，催化效果也可能減小。在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)重視煤中灰分的催化作用，由于鍋爐燃燒用煤種經(jīng)常變化，不同煤種的燃燒特性有所變化，導(dǎo)致催化劑最佳添加量發(fā)生變化。

3.4 催化劑添加方式

采用最佳添加方式，其提高催化劑在煤中的分散程度，從而實(shí)現(xiàn)最好的催化效果，應(yīng)深入的研究不同添加方式對(duì)催化劑分散程度改善效果，以推進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。目前添加燃煤催化劑的方式主要有噴灑式、直接混入式與離子交換法。將煤炭燃燒催化劑均勻噴灑或混入煤炭表面，利用磨煤機(jī)充分混勻，是目前催化劑混合的主要方式，離子交換法雖然可以有效提高催化劑分散程度，但由于工藝方法復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

4 催化燃燒技術(shù)在工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用

為研究燃煤催化劑在火電企業(yè)的節(jié)煤效果，在140MW鍋爐初步工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。為了客觀評(píng)價(jià)催化劑節(jié)煤效果，專門成立了催化劑節(jié)煤效果試驗(yàn)領(lǐng)導(dǎo)小組與工作小組，確保了催化劑節(jié)煤試驗(yàn)工作全過程按照“安全、公平、公正”的原則順利開展，同時(shí)確保試驗(yàn)結(jié)果的能真實(shí)、科學(xué)反應(yīng)燃煤催化節(jié)煤劑效果。

根據(jù)試驗(yàn)期間入爐煤、發(fā)電量及運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，與空白試驗(yàn)階段相比，按照0.036%的比例在入爐煤中添加燃煤催化劑后，試驗(yàn)階段節(jié)煤效果明顯。正平衡統(tǒng)計(jì)供電煤耗降低8.54g/kW·h，試驗(yàn)中同時(shí)采取了鍋爐正平衡效率、單位發(fā)電量給粉機(jī)轉(zhuǎn)速、輔機(jī)廠用電等不同方法測(cè)算其節(jié)煤效果，不同的統(tǒng)計(jì)口徑結(jié)果表明，添加燃煤催化劑后，機(jī)組節(jié)煤效果在8.5g/kW·h左右，鍋爐SO2排放濃度降低了76.9mg/Nm3，NOX排放濃度降低了19.5mg/Nm3。

5 結(jié)語

隨著對(duì)燃煤催化劑的原材料的選擇、配方、添加量與添加方式的深入研究，燃煤催化劑的種類已逐漸多樣化，其催化機(jī)理亦逐漸豐富完善。化學(xué)干預(yù)煤炭催化燃燒技術(shù)，在水泥行業(yè)已有規(guī)模應(yīng)用案例，水泥廠節(jié)能效果在5%左右；在電力行業(yè)部分電廠進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，但未規(guī)模應(yīng)用，電廠試驗(yàn)結(jié)果看節(jié)能效果在2-3%，可降低機(jī)組供電煤耗7-10克/千瓦時(shí)。

參考文獻(xiàn)

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