鈣鐵型煤炭燃燒催化劑的制備及應(yīng)用研究

白青子，白云起

（黑龍江科技大學，哈爾濱 150022）

0 引言

能源是國民經(jīng)濟建設(shè)的基礎(chǔ)，我國一次能源以煤為主，而傳統(tǒng)的用煤方式導致能源利用效率低，造成嚴重的燃煤型大氣污染。燃煤催化劑的研究和應(yīng)用是在不改變?nèi)济涸O(shè)備的情況下，在煤中添加少量的催化劑，改善煤炭的燃燒特性，提高其燃盡率和發(fā)熱量。

本文利用工業(yè)廢棄物鹽泥為原料制備鈣鐵型燃煤催化劑，并在生產(chǎn)實際中進行對比實驗研究，探索鈣鐵型煤炭燃燒催化劑配制方法，以及提高燃燒效率、降低污染物排放的效果。

據(jù)文獻資料表明，燃煤催化劑的有效成分主要有氧化劑、催化劑、固硫劑、降塵劑和粘結(jié)劑。常用的氧化劑有硝酸鹽類如Ba(NO3)2、NaNO3、NH4NO3、KNO3；氯酸鹽類如 KClO3、NaClO3；高錳酸鹽類如KMnO4。通過加入氧化劑，在煤燃燒過程中進行分解反應(yīng)，提供氧氣，改變煤燃燒時局部缺氧的狀況，繼而起到提高煤的燃燒率。同時，氧化劑的加入可以增加碳的晶格發(fā)生扭曲變化，提高煤炭的活性，特別是鉀和鈉的氧化物或鹽類對提高煤炭的活性最為明顯。

常用的固硫劑有白云石、熟石灰等，燃燒過程中產(chǎn)生的SO2與CaO和O2反應(yīng)生成CaSO4。煤中的鈣硫比越高，煙氣中SO2的濃度越低。常用除塵劑有Fe2O3、FeCl3、Fe(NO3)3等，主用與燃燒過程中的CO反應(yīng)，生成Fe3O4和CO2。由于不同離子間能夠相互促進作用，Ca2+和Fe3+(Fe2+)構(gòu)成的復合催化劑比單一離子催化劑具有更高的催化效果。本文通過利用工業(yè)廢棄物鹽泥為原料，加入適量的鈣和鐵，制備鈣鐵型燃煤催化劑，并進行升溫速率、燃燒效率、林格曼黑度、煙塵原始排放濃度現(xiàn)場的對比實驗對鈣鐵型煤炭燃燒催化劑的制備及應(yīng)用進行深入探討。

1 實驗

1.1 鹽泥的定性分析和定量分析

從鹽泥的來源初步判定鹽泥中可能存在成分為Na2CO3、CaCO3、NaCl、MgCl2、CaCl2、Fe(OH)3、Na2SO4、MgCO3及泥沙。將鹽泥進行定性分析和定量分析，測定結(jié)果見下表1。

表1 鹽泥的化學組成Table 1 Chemical Composition of Salt Sludge

1.2 鹽泥中Fe3+和Ca2+添加量的確定

根據(jù)文獻資料，在燃煤催化劑中氧化劑約18%，除塵劑Fe3+的含量為4%-7%，固硫劑Ca2+的含量為4%-8%，催化劑堿金屬氧化物或鹽為1-3%。在制備催化劑中主要加Fe(NO3)3為主，、熟石灰為輔，確保鹽泥制備的催化劑中加入一定量的氧化劑和除塵劑成分。本文中，鈣和鐵加入比例見表2。

表2 試驗表Table 2 Test Table

將鹽泥以3-5min/s的速率由室溫升到450℃左右，在此溫度下保持60-90 min，反應(yīng)后冷卻至室溫，按上表比例將Fe(NO3)3、熟石灰放到有鹽泥的燒杯內(nèi)（Fe3+的加入量為催化劑質(zhì)量的2%、4%、6%、8%，Ca2+的加入量為催化劑質(zhì)量的2%、4%、6%、8%），并將此催化劑用醋酸調(diào)制pH為5-7，即可使用。

準確稱取10g煤樣（精確至0.0001g），放入坩堝中，加入1%的按表2制備的鈣鐵型燃煤催化劑，充分攪拌均勻后，依次放入預熱至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，冷卻至室溫，稱重并記錄數(shù)據(jù)。

表3 不同比例鈣和鐵鹽泥催化劑煤樣燃燒實驗數(shù)據(jù)表Table 3 Data sheet of coal sample combustion experiments with different ratios of calcium and iron salt slurry catalysts

由上表可見Ca2+的添加量在8%，F(xiàn)e3+的添加量在6%-8%時對燃煤催化效果最為明顯。

1.3 鈣鐵型燃煤催化劑的制備

將鹽泥以3-5min/s的速率由室溫升到450℃左右，在此溫度下保持60-90 min，反應(yīng)后冷卻至室溫，將Fe(NO3)3、熟石灰放到有鹽泥的燒杯內(nèi)（其中，F(xiàn)e3+的加入量為催化劑質(zhì)量的6-8%，Ca2+的加入量為催化劑質(zhì)量的8%及以上），并將此催化劑用醋酸調(diào)制pH為5-7，即可使用。其中，鈣的含量視鹽泥中存在的量來決定是否加入。鈣的量越多，鈣硫比越高，固硫率就越好。

1.4 鈣鐵型燃煤催化劑在工業(yè)采暖鍋爐上的測試

⑴升溫速度試驗：各種煤800kg，催化劑添加1-2%，燃燒70min，系統(tǒng)升溫比較。

⑵燃盡率實驗：煤燃燒后分別取灰樣，經(jīng)粉碎、縮分、制樣、烘干后，在810℃灼燒40min。

⑶林格曼黑度測試

⑷煙塵原始排放濃度

2 試驗結(jié)果與討論

升溫速度試驗測試結(jié)果如表4所示。

表4 升溫速度試驗結(jié)果Table 4 Test results of heating rate

燃盡率實驗灼燒損失結(jié)果如表5所示。

表5 灼燒試驗結(jié)果Table 5 Burning test results

林格曼黑度測試結(jié)果如表6所示。

表6 林格曼黑度測試結(jié)果Table 6 Lingman blackness test results

煙塵原始排放濃度測試結(jié)果如表7所示。

表7 煙塵原始排放濃度測試結(jié)果Table 7 Test results of original emission concentration of smoke and dust

通過對比試驗，添加鈣鐵型燃煤催化劑使鍋爐升溫速率提高了約40%，灰分殘?zhí)柯氏陆盗思s17.5%，林格曼黑度小于1級，煙塵原始排放濃度降低了約51.1%。由于燃煤催化劑能夠降低煤的著火溫度和料層燃燒溫度，因此熱力型NOx在相當程度上得到控制；加之許多催化劑成分對氧的親和力遠大于氮對氧的親和力，致使NOx總排放量大大降低。

3 鈣鐵型煤炭燃燒催化劑的應(yīng)用范圍及影響因素

3.1 應(yīng)用范圍

鈣鐵型煤炭燃燒催化劑，采取固體摻混或?qū)⒋呋瘎┲苽涑扇芤簢姙⒌矫褐惺褂茫使潭ɑ鸫矤t、鏈條爐、往復爐排爐、拋煤機爐、振動爐排爐、流化床鍋爐等均可使用。

3.2 影響鈣鐵型煤炭燃燒催化劑的因素

3.2.1 煤種的影響

煤灰中的金屬化合物是內(nèi)在催化劑，由于不同煤種中金屬化合物種類與含量不同，因而在外加催化劑添加量相同的條件下，催化效果也不同；同時，因為年輕煤中的礦物質(zhì)含量、揮發(fā)分高、燃燒性能好對催化效果的掩蓋作用，致使催化劑對高變質(zhì)程度煤比年輕煤有較高的催化作用。

3.2.2 催化劑的添加方式

增加催化劑在煤中的擴散度。實驗證明，催化劑在煤中的分布越均勻，催化效果越好，最好的辦法是直接將催化劑制溶液噴灑在煤中使用。

根據(jù)燃燒設(shè)備不同而采用不同的添加方法。用于燃用型煤時，可采用摻混法，或?qū)⒋呋瘎┤苡谒?，再將催化劑溶液加入煤粉中；用于燃用散煤時，對固定火床爐、鏈條爐、往復爐排爐、拋煤機爐、振動爐排爐等，應(yīng)提倡溶液浸漬法，盡量避免采用摻混法；對于流化床鍋爐，特別是循環(huán)流化床鍋爐，采用摻混法則顯得更為簡便。

3.2.3 催化劑的添加量

添加量對催化效果影響較大，用量不足則催化作用微弱。用量過大時，由于添加物包裹在顆粒表面，堵塞氣孔，導致煤的燃燒性能下降因而催化劑存在最佳的添加量，一般加入量為1-2%。

另外，工業(yè)鍋爐用煤時，還要考慮燃煤粒度、配煤、布風、給煤方式、爐溫分布、飛灰再燃、運行水平等諸多影響因素。這些影響因素不僅決定了鍋爐的能量轉(zhuǎn)化效率，也決定了鍋爐的污染物排放水平。

4 結(jié)論

通過研究表明，氯堿工業(yè)廢棄物鹽泥中含有大量的促進燃煤的添加劑，添加鈣和鐵等化合物可以制備成鈣鐵型煤炭燃燒催化劑，提高燃燒效率，減少燃煤型污染物的排放，達到節(jié)能減排的目的。