配制燃煤添加劑的研究

焦靖霖，白青子，白云起，任萬(wàn)鑫，馮 靜

（黑龍江科技大學(xué)環(huán)境與化工學(xué)院, 哈爾濱 150022）

1 引言

我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，其主要能源消耗是一次性的能源。煤炭的消耗占一次性能源消耗的80%左右。煤炭的燃燒所帶來(lái)的熱能和動(dòng)能，既支撐著我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)，也為工業(yè)生產(chǎn)提出了非常嚴(yán)峻地問(wèn)題，那就是如何合理的充分利用能源材料并且減少燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的排放污染。我國(guó)利用煤燃燒的手段和方法，都是比較原始，比較落后于發(fā)達(dá)國(guó)家的，提高發(fā)熱量同時(shí)減少環(huán)境污染方面研究?jī)H僅是剛剛起步。近年來(lái)在國(guó)家層面上，制定了比較嚴(yán)格的法規(guī)措施；在儀器設(shè)備上，對(duì)裝置的設(shè)計(jì)排放指標(biāo)有了提高；在治理方法上，主要采用的凈化方法分為顆粒除塵和有毒物質(zhì)的吸收。顆粒除塵的手段仍以機(jī)械除塵、火力除塵、過(guò)濾除塵和濕式除塵為主。有毒氣體的吸收主要是物理和化學(xué)吸收以及催化凈化和催化燃燒，而對(duì)燃燒產(chǎn)生的顆粒塵和有毒物的吸收和去除所需要的硬件，都是整體設(shè)備的一部分，由裝置制造廠一并購(gòu)入，安裝，運(yùn)行和維護(hù)。諸如燃燒后產(chǎn)生的SOX，NOX的處理，運(yùn)行時(shí)需要的原料（濕法脫硫用的石灰石、石膏、磷銨、氨、鈉堿、氧化鎂和氧化鋅等）需要另行購(gòu)進(jìn)，讓其與燃料同時(shí)消耗,這些措施讓燃煤過(guò)程增加了很多成本。[1]

本文以不改變?nèi)济涸O(shè)備，探討提高燃煤效率，減少環(huán)境污染的燃煤添加劑的制備。由于在實(shí)際生產(chǎn)中所使用的煤種經(jīng)常發(fā)生變化，針對(duì)不同煤種的燃燒特性差別，不同煤種的添加劑最佳添加量也有所不同。由此可見，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況開展最佳添加量的研究工作，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。根據(jù)燃煤過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，在前期初步探索的基礎(chǔ)上，本次研究選擇了具有固硫、供氧的單組分物質(zhì)，并通過(guò)單因素優(yōu)選法探究不同含量Fe3+、Mg2+、KMnO4、鹽泥對(duì)煤燃燒性的影響，根據(jù)所得單組分最佳添加量選取正交試驗(yàn)表L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)并分析，以得到最佳配比的促燃減排效果最佳的燃煤添加劑。[2]

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 燃煤添加劑單組分最佳添加量探究

2.1.1 空白組設(shè)置

準(zhǔn)確稱取(5土0.lg)的三種不同煤樣各3份，分別放入100mL坩堝內(nèi)均勻鋪平，放入預(yù)熱至600℃的馬弗爐內(nèi)，關(guān)上爐門并留有15mm左右的縫隙，燃燒12min取出試樣，在室溫中冷卻5min，再放入干燥器中冷卻至室溫（約20min左右），稱重并記錄數(shù)據(jù)，見表1。[3]

表1 三種煤樣空白組數(shù)據(jù)表Table 1 Data sheet of blank group of 13 coal samples

2.1.2 添加不同質(zhì)量CaCO3的燃燒實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取(5土0.lg)的三種不同煤樣各5份，分別放入100mL坩堝內(nèi)均勻鋪平，依次加入0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g CaCO3（土0.0lg)，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅湃腩A(yù)熱至600℃的馬弗爐內(nèi)，關(guān)上爐門并留有15mm左右的縫隙，燃燒12min取出試樣，在室溫中冷卻5min，再放入干燥器中冷卻至室溫（約20min左右），稱重并記錄數(shù)據(jù)，繪制燃燒效果圖1。

2.1.3 .添加不同質(zhì)量Fe(NO3)3的燃燒實(shí)驗(yàn)

重復(fù)2.1.2實(shí)驗(yàn)，把CaCO3換成Fe(NO3)3。

2.1.4 .添加不同質(zhì)量KMnO4的燃燒實(shí)驗(yàn)

重復(fù)2.1.2實(shí)驗(yàn)，把CaCO3換成KMnO4。

2.1.5 添加不同質(zhì)量鹽泥的燃燒實(shí)驗(yàn)

重復(fù)2.1.2實(shí)驗(yàn)，把CaCO3換成鹽泥。

2.2 燃煤添加劑最佳組分配比的探究

根據(jù)2.1所得單種組分的最佳添加量，選取L9(34)型正交表，設(shè)定差值，見表2燃煤添加劑最佳組分配比的實(shí)驗(yàn)方案。

表2 燃煤添加劑最佳組分配比的實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental Scheme for Optimum Component Ratio of Coal-fired Additives

準(zhǔn)確稱取(5土0.lg)的1#煤樣9份，分別放入100mL坩堝內(nèi)均勻鋪平，按表2的配比方案依次加入CaCO3、Fe(NO3)3、KMnO4、鹽泥（土0.0lg)，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，放入預(yù)熱至600℃的馬弗爐內(nèi)，關(guān)上爐門并留有15mm左右的縫隙，燃燒12min取出試樣，在室溫中冷卻5min，再放入干燥器中冷卻至室溫（約20min左右），稱重并記錄數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 單因素考察實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與討論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)部分綜合分析對(duì)比，無(wú)添加劑加入和加入單種燃煤添加劑組分后的燃燒失重效果，對(duì)三種煤樣進(jìn)行分析對(duì)比。

3.1.1 CaCO3最佳添加量

圖1 添加CaCO3后的燃燒效果Fig.1 Combustion effect after adding CaCO3

綜合分析圖1并考慮原料價(jià)格因素選取0.2gCaCO3為最佳添加量。

3.1.2 Fe(NO3)3最佳添加量

將2.1.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用3.1.1的方法進(jìn)行處理并綜合分析，選取0.4gFe(NO3)3為最佳添加量。

3.1.3 KMnO4最佳添加量

將2.1.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用3.1.1的方法進(jìn)行處理并綜合分析，選取0.4gKMnO4為最佳添加量。

3.1.4 鹽泥最佳添加量

將2.1.5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用3.1.1的方法進(jìn)行處理并綜合分析，選取0.8g鹽泥為最佳添加量。

3.2 正交試驗(yàn)的結(jié)果與討論

將表2中所得數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件計(jì)算分析得到表3正交試驗(yàn)直觀分析表。[4]

表3 正交試驗(yàn)直觀分析表Table 3 Visual analysis of orthogonal experiment

由表3可知實(shí)驗(yàn)方案A1B3C3D3為燃煤添加劑最佳組分配比，即在600℃下，添加0.15gCaCO3、0.40gFe(NO3)3、0.40gKMnO4、0.80g鹽泥時(shí)，煤樣失重質(zhì)量最多，燃燒效果最好。

4 燃煤添加劑最佳配比的測(cè)定結(jié)果與討論

4.1 樣品制備

根據(jù)表3所得燃煤添加劑最佳組分配比準(zhǔn)確稱取(5土0.lg)的1#煤樣，放入100mL坩堝內(nèi)均勻鋪平，依次加入0.15gCaCO3、0.40gFe(NO3)3、0.40gKMnO4、0.80g鹽泥（土0.0lg)，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，放入恒溫干燥箱烘?h備用。

另準(zhǔn)確稱取(5土0.lg)的1#煤樣，直接放入恒溫干燥箱烘干2h作為對(duì)照組備用。

4.2 檢測(cè)對(duì)比

圖2 熱重分析對(duì)比圖Fig.2 Comparison of thermogravimetric analysis

經(jīng)熱重分析可知，加入燃煤添加劑后，燃點(diǎn)降低，不同溫度失重較多，表明煤炭燃燒比無(wú)添加劑時(shí)更加充分，污染排放減少。

5 結(jié)論

通過(guò)以上數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論：

1）根據(jù)單組分的最佳添加量，選取L9(34)型正交表，設(shè)定差值，建立正交試驗(yàn)表。依照正交試驗(yàn)表進(jìn)行組分配比實(shí)驗(yàn)，得出燃煤添加劑各組分的最佳配比為0.15gCaCO3、0.40gFe(NO3)3、0.40gKMnO4、0.80g鹽泥。

2）硝酸鐵既起到催化助燃的作用，同時(shí)又起到降塵的作用。

3）燃煤添加劑在煤樣著火中，提高了揮發(fā)分量，降低了煤樣均相著火溫度，縮短了其著火延遲時(shí)間，還充當(dāng)了氧的活性載體，促進(jìn)了氧氣從氣相向碳表面的擴(kuò)散傳遞，使固定碳的燃盡率提高。