燃煤催化劑對混煤催化燃燒的研究與應用

劉瑞芝，陳新智，李霞

1 引言

我國煤炭資源非常豐富，但儲量及煤種分布不均，為了實現不同種類、不同性質煤的優勢互補，發揮各煤種的優點，或者為了充分利用當地煤炭資源，做到物盡其用，降低熟料生產成本，部分水泥企業采用混煤或摻燒技術。無煙煤揮發分低，著火溫度高，燃燒速度慢，燃盡時間長，但由于其儲量豐富而且價格便宜，很多水泥生產企業選擇以無煙煤與煙煤混合搭配使用。我們在成功開發并應用無煙煤燃煤催化劑的基礎上，又開發了針對混煤的燃煤催化劑，并在華潤（巖山）水泥有限公司5000t/d生產線上進行了工業試驗。

2 試驗用燃煤催化劑

試驗采用的燃煤催化劑其主要組成為助燃劑、增氧劑、分散劑、穩定劑、膨松劑等。此種催化劑安全添加量為0.01%～0.05%，對熟料質量和窯設備都無影響，能起到提高煤的活性、降低著火溫度、增加發熱強度、改善煤的燃盡特性、使煤的燃燒更加充分等作用，從而使窯工況穩定性提高，窯結皮減少，窯投料量增加，NOx排放量減少，熟料強度提高并且達到節煤增產的目的。

3 燃煤催化劑的催化機理

本燃煤催化劑針對不同煤種和不同工況要求，提供針對性配方，適應性強。加入燃煤催化劑一方面可以使揮發分含量增加，析出速率加快，從而降低煤的著火溫度，降低反應所需的活化能，使反應在較低的溫度下進行，同時增強分子的熱運動，提高煤的熱傳遞，進而達到提高燃燒效率的目的；另一方面，燃煤催化劑中的金屬化合物被還原成金屬，金屬一直處于氧化還原循環中，氧氣也不斷從金屬向碳原子傳遞，加快了氧氣的擴散速度，從而促進固定炭的燃燒。從宏觀上看，在分解爐內，催化劑能夠加快煤的燃燒速度，縮短燃盡時間，提高燃盡率，從而使煤燃燒更完全；在窯內，催化劑可以增加平均放熱強度，從而提高火焰溫度，使火焰明亮，黑火頭減少，窯工況變好，窯系統結皮減少。

本燃煤催化劑不但能在分解爐中節煤，還能降低窯中熟料燒成熱耗。針對水泥生產特點，對影響水泥質量的離子進行適當控制，同時添加一些利于水泥燒成的微量元素，一方面可降低生料燒成熔點，使液相提前出現，降低熟料形成活化能，從而降低水泥熟料的燒成熱耗；另一方面由于微量元素的晶體誘導作用，可促進熟料中新生C3S的高活化性，提高熟料強度。

4 試驗方法

4.1 巖山混煤工業分析

巖山混煤為90%的無煙煤與10%的煙煤混合而成，具體工業分析如表1所示。

4.2 巖山混煤熱分析實驗

圖1和圖2為巖山煤粉加催化劑前后的熱分析曲線。

表2為巖山煤粉添加催化劑前后的熱分析參數對比。其中平均放熱強度為單位質量煤粉從開始放熱到結束放熱時間段的放熱量；平均燃燒速度為煤粉在開始著火到燃盡時間段的平均失重量；燃盡率為除去殘留質量后的失重量。從表2可以看出，加催化劑后放熱起始溫度和著火溫度分別降低，這表明加催化劑后煤的活性增加，更容易點燃。此外，添加催化劑后煤的燃燒速度和平均放熱強度也提高了，這是因為催化劑中的金屬氧化物為碳和氧的結合起到了催化的媒介作用，加快了氧氣向碳原子傳遞的過程。

4.3 巖山混煤應用催化劑的工業試驗

4.3.1 試驗現場及條件

表1 巖山煤粉的工業分析

圖1 巖山混煤未加催化劑的熱分析曲線

圖2 巖山混煤摻加催化劑的熱分析曲線

表2 巖山煤粉加催化劑前后的熱分析參數對比

（1）燃煤催化劑經過計量泵計量后，滴加在入煤磨皮帶秤上，原煤和催化劑經混合粉磨后，由羅茨風機送入窯頭和分解爐，試驗加入量為原煤用量的0.03%。

（2）試驗時間分為2012-06-12～2012-06-19 和 2012-06-21～2012-06-28。第一階段為未添加催化劑的空白試驗，第二階段為添加催化劑的對照試驗，每個階段8d左右時間。

4.3.2 試驗數據采集

試驗通過分別采集使用燃煤催化劑前后燒成系統的運行數據進行對比，從而驗證該催化劑的節能效果。中控操作人員每小時記錄運行數據，包括窯喂料量、窯電流、窯轉速、預熱器與分解爐溫度、壓力及煙氣成分、窯頭及窯尾喂煤量、煤粉細度及工業分析、生熟料化學分析等，填寫催化劑工業試驗記錄表。系統24h連續運轉，以減少系統間斷運行造成的誤差，增強記錄數據的準確性。

5 工業試驗數據分析

5.1 產量對比

統計空白期間未加催化劑與加入催化劑的熟料產量，未加催化劑空白試驗期間的日均熟料產量為5203.8t/d，加入催化劑期間的日均熟料產量為5425.0t/d，其中加催化劑試驗的第5天的7:20～9:00時段生料提升機出現故障，止料停窯，該日產量較低，但仍然可見加催化劑期間熟料產量明顯增加，經計算增加了4.25%，這是由于加入催化劑后煤粉燃燒速度加快。由熱分析實驗得知燃盡率增加了0.66%，分解爐內與窯內溫度上升，窯電流上升，燒成系統工況比較穩定，使得熟料產量上升。

5.2 游離鈣合格率對比

華潤（巖山）水泥有限公司規定游離鈣在低于1.5時視為合格，從圖7可以看出，未加催化劑游離鈣含量合格率平均為86.5%，而加催化劑后游離鈣含量合格率平均為92.6%，提升了7.08%。加催化劑試驗第6天游離鈣合格率較低是因為配料飽和比較高（熟料KH達到0.929），另外該日窯皮掉落較多。游離鈣合格率提升是由于催化劑促進煤粉燃燒更完全，火焰熱力強度增大，窯內煅燒溫度提高，熟料煅燒過程中C2S被CaO飽和成C3S的程度提高。

5.3 熟料升重對比

從圖8可以看出，未加催化劑時熟料升重的平均值為1173g/L，而加入催化劑后熟料升重有明顯提升，平均值為1272g/L，提高了99g/L，提高率為8.46%。盡管熟料的升重受到很多因素的影響，但是從煅燒溫度提高的角度講，催化劑可促進煤的燃燒，提高煅燒溫度，優化礦物結晶情況，對提高立升重是有益的。

5.4 NOX排放對比

從圖9可以看出，加入催化劑后廢氣總管出口NOx排放量降低了7.45%。在燃燒過程中，NO的形成基本在高溫區，溫度脈動越大，峰值溫度越高，煙氣中NO的濃度越大。加入催化劑后，一方面加強了燃燒的穩定性，避免了窯內高溫溫度脈動，減少了窯內NO的形成量；另一方面，加入催化劑后，由于燃燒速度加快，用吸附態氧和晶格氧對C進行氧化，減少了燃料N向NOx的轉化。

5.5 節煤率

表3為加入催化劑期間的節煤率，這是從試驗8d期間的生料投入量、熟料產量、煤粉消耗量、燃煤熱值計算出的標準煤耗得出的。其中：

熟料產量=生料投入量÷1.57

節煤率=（空白煤耗-加劑煤耗）/空白煤耗×100%

加入催化劑后，分解爐內煤粉的燃燒速度增加，煤粉燃盡率提高，使得分解爐出口溫度增加，此時為了控制分解爐出口溫度可以適當降低分解爐的喂煤量。另外，在窯內加入催化劑后，液相提前出現，降低了熟料形成所需的活化能，使得燃燒環境變好，窯電流穩定上升，這樣可以適當減少窯頭的喂煤量。以上因素使得整個燒成系統的喂煤量得以下降，從而體現了節煤的效果。

根據計算機實時記錄的數據進行統計分析，研究燃煤催化劑對華潤（巖山）水泥有限公司的節煤狀況，由表3中數據可知，摻加催化劑時，噸熟料標煤耗用量減少了8.34kg，下降了7.3%，節煤效果顯著。

6 結論

該催化劑能使煤粉燃盡率提高，在以用煤量的0.3‰的比例從磨頭原煤秤處添加該燃煤催化劑后，窯工況穩定，窯結皮減少，熟料產量增加4.25%，NOX排放量減少7.45%，熟料標煤耗降低7.3%，熟料升重提高了8.46%。催化劑的使用有效降低了燒成系統的熱耗，起到了節煤增產、降低NOX排放、顯著改善窯況等作用。

表3 加入催化劑期間的節煤率*

由于該燃煤催化劑節能效果明顯，其使用經濟性較強，以5000t/d生產線為例，假設其實際產能為5300t/d，一天約使用850t煤炭，煤炭價格按照850元/t，催化劑干粉價格按38000元/t計算，則一天使用催化劑的成本為38000×850×3×10-4=9690元，每噸熟料使用催化劑成本為1.8元。如果使用催化劑節煤率為4%，則一天通過節煤減少成本為850×4%×850-9690=19210元，折合成每噸熟料收益為3.62元/t。如果該廠運轉率按照90%計算，則其使用燃煤催化劑僅節煤一項其一年收益可達到 3.62×5300×365×90%=631萬元。隨著煤炭價格的上漲，此催化劑的經濟性將更加明顯。

綜上所述，此燃煤催化劑在技術上和經濟上都具有明顯優勢，能為企業帶來顯著的經濟效益和社會效益，可為當前節能減排工作做出突出貢獻。

[1]謝峻林,何峰.水泥窯用無煙煤的催化燃燒[J].硅酸鹽學報,1998,26(6):792-795.

[2]Zhu Q,Grant K A,Thomas K M.The effect of Fe catalyst on the release of NO during the combustion of anisotropic and isotropic carbons[J].Carbon,1996,34(4):523-532.

[3]Wang Rui,Patrick J W,Clarke D E.Coal hydrogenation catalysis using industrial catalyst(MoO3-NiO/Al2O3)"waste"[J].Fuel,1996,75(14):1671-1675.

[4]Ma Baoguo,Li Xiangguo,Xu Li,et al.Investigation on catalyzed combustion of high ash coal by thermogravimetric analysis[J].Thermochem Acta,2006,445(1):19-22.

[5]Gong Xuzhong,Guo Zhancheng,Wang Zhi.Experimental study on mechanism of lowering ignition temperature of anthracite combustion catalyzed by Fe2O3[J].J Chem Ind Eng Soc China,2009,60(7):1707-1713.■