煤炭催化燃燒實驗研究

陳彥杰

（重慶工程職業技術學院，重慶 沙坪壩 400037）

概述

煤煙型大氣污染是中國環境污染的重要因素，尤其是燃煤PM2.5是造成中國霧霾天氣的主要原因之一。傳統煤炭燃燒過程中普遍存在著火溫度高、燃燒速率低及燃不盡等問題，使得煤炭燃燒有效利用率低、污染物排放嚴重。煤炭催化燃燒技術，通過應用游離基催化及擴散燃燒機理，可以有效地改善燃煤燃燒的動力學特征，可以降低煤炭的著火點、提高煤炭燃燒速度及燃燒效率，達到節煤的目的，同時可以減少粉塵、氮氧化物、硫氧化物以及其它燃燒副產物等污染物的排放。目前，煤炭催化劑研究主要集中于鹵化物類、硝酸鹽類、堿金屬、堿土金屬鹽類物質及稀土元素等。這些催化劑基本上為純凈的化學物質，價格昂貴，難以實現工業應用。本文嘗試對工業生產中的相關廢料催化煤燃燒的效果進行深入的研究，以達到尋找高效廉價助燃劑之目的，取得顯著的經濟效益和社會效益。

1 煤炭催化燃燒實驗設計

1.1 實驗原料

采用工業應用混合煤，碾磨成80%的煤粉粒度小于80網目的煤粉。原料工業分析如表1。實驗用的催化劑主要為工業性高錳酸鉀、硫鐵礦燒渣、電解金屬錳浸出渣。硫鐵礦燒渣、電解金屬錳浸出渣主要化學組成分別見表2。硫鐵礦燒渣、電解金屬錳浸出渣同樣碾磨至粒度小于80網目。

圖1 原煤粉及添加不同用量高錳酸鉀后煤粉催化燃燒特性

1.2 實驗方法

采用WRT-3P量熱天平分析儀進行煤粉燃燒特性研究。實驗條件：穩態流動空氣中，空氣的流速為100mL／min，以15K／min的升溫速率為試樣升溫，實驗樣品總質量為20mg（誤差<2%）。研究不同種類的催化劑在不同添加量的情況下，對煤粉催化燃燒特性的影響。利用量熱天平分析儀進行煤粉燃燒特性，研究記錄試樣質量隨溫度的變化即得熱重曲線。

表1 煤樣化驗指標

2 煤炭催化燃燒實驗結果與分析

煤樣添加催化劑前后的TG-DTG圖可用熱重分析儀獲得，可以繪制出1-升溫速率曲線，2-煤燃燒熱重微分曲線DTG和3-煤燃燒熱重曲線TG。在DTG曲線上，過峰值點作垂線與TG曲線交于一點M，過M點作TG曲線切線。該切線與失重開始時平行線的交點所對應的溫度定義為著火溫度；該切線與失重結束時平行線的交點所對應的溫度定義為燃燼溫度；M點所對應的溫度為最大失重速率溫度。

表2 硫鐵礦燒渣和電解金屬錳浸出渣的主要化學組成（%）

2.1 高錳酸鉀對煤粉燃燒特性的影響

先對原煤粉做熱重曲線，然后取高錳酸鉀添加量分別為煤粉重量的0.5%、1.0%和1.5%時，做煤粉催化燃燒的熱重曲線，測定結果如圖1。

l-升溫速率曲線；2-煤燃燒熱重微分曲線DTG； 3-煤燃燒熱重曲線TG

通過圖1分析，煤粉中添加高錳酸鉀催化燃燒，能有效降低煤粉的著火點、加快煤粉燃燒失重速率，并降低煤粉燃燒燃燼溫度。當添加1%高錳酸鉀時，煤粉催化燃燒效果最好，著火點降低約20℃，最大失重速率溫度降低了50℃左右，燃燼溫度降低了約60℃。

2.2 硫鐵礦燒渣對煤粉燃燒特性的影響

取硫鐵礦燒渣添加量分別為煤粉重量的0.5%、1.0%和1.5%時，做煤粉催化燃燒的熱重曲線，并與原煤粉熱重曲線做了對比，測定結果如圖2。

通過圖2分析，煤粉中添加硫鐵礦燒渣催化燃燒，能有效降低煤粉的著火點、加快煤粉燃燒失重速率，并降低煤粉燃燒燃燼溫度。當添加1.5%硫鐵礦燒渣時，煤粉催化燃燒效果最好，著火點降低約40℃，最大失重速率溫度降低了30℃左右，燃燼溫度降低了約30℃。

2.3 電解金屬錳浸出渣對煤粉燃燒特性的影響

取電解金屬錳浸出渣添加量分別為煤粉重量的0.5%、1.0%和1.5%時，做煤粉催化燃燒的熱重曲線，并與原煤粉熱重曲線做了對比，測定結果如圖3。

通過圖3分析，煤粉中添加電解金屬錳浸出渣催化燃燒，能有效降低煤粉的著火點、加快煤粉燃燒失重速率，并降低煤粉燃燒燃燼溫度。當添加1.0%電解金屬錳浸出渣時，煤粉催化燃燒效果最好，著火點降低約30℃，最大失重速率溫度降低了80℃左右，燃燼溫度降低了約70℃。

3 煤炭催化燃燒機理研究與探討

高錳酸鉀作為強氧化劑，在300℃左右分解出O2和MnO2。MnO2在高溫下被煤中焦炭快速還原成金屬Mn，促進煤中C-C的斷裂，形成揮發分；同時，MnO2在被還原成金屬Mn的過程中為焦炭提供氧離子，改變焦炭表面活性，促進焦炭的燃燒。然后，金屬Mn在高溫下又被氧化成MnO2，并再次被還原釋放出氧離子，從而實現周而復始的催化作用。煤炭釋放出的揮發分著火點較低，在與O2接觸后迅速燃燒，加快了煤粒著火初期的火焰傳播速率，從而減低了煤炭的著火溫度。揮發分的燃燒迅速提升了燃燒空間的溫度，進一步促進了煤炭燃燒速度，增強了煤炭燃燒失重速率，并最終減低了煤炭燃燼溫度。硫鐵礦燒渣中主要起催化燃燒作用的是Fe2O3，電解金屬錳浸出渣中主要起催化燃燒作用的是MnO 、Fe2O3和K2O 。這些金屬化合物催化燃燒機理和MnO2相同，遵循氧傳遞催化理論。

圖2 原煤粉及添加不同用量硫鐵礦燒渣后煤粉催化燃燒特性

圖3 原煤粉及添加不同用量電解金屬錳浸出渣后煤粉催化燃燒特性

結語

利用熱重分析法研究了高錳酸鉀、硫鐵礦燒渣、電解金屬錳浸出渣對煤炭的催化燃燒性能和動力學的影響。結果表明：這些物質都可以在一定程度上降低煤炭燃燒的著火溫度、最大失重速率溫度和燃燼溫度。MnO2、MnO、Fe2O3和K2O 等金屬氧化物是起催化燃燒作用的物質成分，各成分的催化燃燒機理符合氧傳遞理論。

[1]Babich A,Yaroshevskii,Formoso A.Increase of pulverized col use efficiency in blast furnace.ISIJ Int,1996,10:1250-1258.

[2]馬保國，徐立，李相國，等.堿/堿土金屬鹽對高灰分煤粉燃燒的催化作用[J].煤炭科學技術，2007，35（09）：69-72.

[3]范浩杰，曹欣玉，馮元群，等.金屬化合物催化煤燃燒的規律研究[J].燃燒科學與技術，1995，01（03）：212-218.

[4]熊禮國，楊少俊，王祖衛，等.熱重法研究煤燃燒添加劑的催化效果[J].環境與開發，2000，15（04）：33-34.