燃煤化學干預催化燃燒節煤技術的研究與應用

崔修強

摘 要：在煤中加入少量的化學添加劑可以改變煤的燃燒性能，這就是煤的化學干預煤炭催化燃燒技術。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間，提高煤的燃燒強度和爐膛溫度，改善煤的燃燒性能，降低廢氣排放量，達到節煤、減少環境污染的目的。從節能和環保的角度而言，都具有十分重要的現實意義。

關鍵詞：化學干預；催化燃燒；節能

中圖分類號：TK227.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0182-02

國家煤電節能減排升級與改造行動計劃要求2020年前現役火電廠煤耗低于310克/千瓦時，目前我國300MW及以下機組純凝供電煤耗均在320克/千瓦時以上，高于國家目標要求。為實現國家2020年節能減排行動計劃，除進行設備改造和運行優化調整外，使用燃煤催化劑實現節能降耗也是一條行之有效措施。為此對煤催化燃燒技術及其推廣應用的研究已引起了廣泛關注。

1 燃煤催化劑研究簡述

對于燃煤催化劑的助燃作用，可以將已有的研究結果歸納為兩種觀點，即電子轉移學說和氧傳遞學說。實驗表明，電子轉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。

國內市場上目前銷售的主要有增氧助燃型與助磨助燃型節煤劑。其中，增氧助燃型節煤劑主要節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，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，該類型的節煤產品無法適用于未來發展的需求。助磨助燃型節煤劑多采用易燃粘稠油類、易燃有機物混合而成，運輸危險，其可改善燃燒的狀況，但節煤效果不顯著。因此，研究新型的催化節煤產品是市場和社會發展的必然要求。

化學干預煤炭燃燒催化技術是通過從煤炭燃燒過程著手的節能新技術，其催化劑采用過渡金屬有機化合物，產品自身不燃不爆，運輸安全。按照國家標準要求，可以利用利用氧彈熱量分析儀將節能效果測出，適用于任何類型燃煤鍋爐。

2 化學干預煤炭催化燃燒技術研究

在煤中加入少量的化學添加劑可以改變煤的燃燒性能，這就是煤的化學干預煤炭催化燃燒技術。煤炭與氧的燃燒反應，催化劑存在的條件下，可以認為是氣固兩相的表面吸附反應。依據表面吸附反應理論，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合，生成CO2分子，離開催化劑表面，如此循環不斷。

2.1 化學干預煤炭催化燃燒原理

從煤炭燃燒的本質分析采用化學干預催化節能的可行性，本質上煤炭燃燒是碳氫化合物被氧化生成CO2、H2O等產物，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，燃燒過程的內耗減少、顯熱發熱量增加，實現了由根本上節能的目的。同時可降低著火溫度、提高燃燒速度、加速內能的釋放，縮短煤在爐膛里的燃盡時間，提高煤的燃燒強度和爐膛溫度，改善了煤的燃燒性能。

由催化劑的原理可知，催化劑不改變化學反應的初始反應物和生成終產物，其本質是給化學反應提供了一條能量較低的反應途徑，降低了燃燒反應的活化能，實現了從源頭上、根本上的節能。未加催化劑前煤炭的著火活化能為Q1、其著火點為T1，添加催化劑后煤炭的著火活化能降為Q2、著火點降為T2，實際燃燒過程中可以多釋放出的顯熱發熱量即為二者只差：ΔQ=Q1-Q2。

由于著火點的降低，煤炭在鍋爐中的燃燒時間增長，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 化學干預煤炭催化劑對煤樣的作用方式

添加化學干預煤炭催化劑后，煤結構中的表面基團與催化劑中的離子反應形成了新的基團，但煤中原有的C與C，C與H的化學鍵并未被破壞，在外加基團的影響下，燃燒反應過程中所需要的活化能降低，同時加入的離子在反應過程中，變成了氧化物對燃燒進行催化，二者結合降低燃燒內耗和反應活化能，實現了提高煤燃燒顯熱的作用。

2.3 化學干預煤炭催化劑主要成分

化學干預煤炭高性能燃燒催化劑是由如下質量份數的原料溶于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，可提高煤的燃燒強度和爐膛溫度，改善煤的燃燒性能，降低廢氣排放量和節煤3～5%。

3 催化劑工業應用技術關鍵研究

從工業實際應用角度出發，為更好的實現鍋爐添加燃煤催化劑的節能效果，應深入研究一下幾個關鍵技術。

3.1 催化劑配方

工業燃燒煤質特性由于產地變化而波動較大，而具有催化作用的物質中，其不同離子間具有相互遏制或促進作用的二重作用。因此在總結單一化合物催化實驗研究的基礎上，更需要研究適應性強的優良復合型催化劑。

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，其活性與分子結構、元素性質等有關。此外，選擇催化劑的原材料還應考慮三個方面：一是應保證催化劑原材料的可溶性，按照工業應用現場需要，確定最佳的添加方式，以改善催化劑的應用效果；二是由于催化劑既是燃燒促進劑，也是硫、氮氧化物的還原劑，因此應防止催化劑帶來二次污染；三是合理控制原材料的成本，提高催化劑的工業應用經濟效益。

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，不但增加費用，催化效果也可能減小。在工業生產實踐中應重視煤中灰分的催化作用，由于鍋爐燃燒用煤種經常變化，不同煤種的燃燒特性有所變化，導致催化劑最佳添加量發生變化。

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，從而實現最好的催化效果，應深入的研究不同添加方式對催化劑分散程度改善效果，以推進其實際應用進程。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，但由于工藝方法復雜難以實現工業化生產。

4 催化燃燒技術在工業企業的應用

為研究燃煤催化劑在火電企業的節煤效果，在140MW鍋爐初步工業應用試驗。為了客觀評價催化劑節煤效果，專門成立了催化劑節煤效果試驗領導小組與工作小組，確保了催化劑節煤試驗工作全過程按照“安全、公平、公正”的原則順利開展，同時確保試驗結果的能真實、科學反應燃煤催化節煤劑效果。

根據試驗期間入爐煤、發電量及運行參數統計結果，與空白試驗階段相比，按照0.036%的比例在入爐煤中添加燃煤催化劑后，試驗階段節煤效果明顯。正平衡統計供電煤耗降低8.54g/kW·h，試驗中同時采取了鍋爐正平衡效率、單位發電量給粉機轉速、輔機廠用電等不同方法測算其節煤效果，不同的統計口徑結果表明，添加燃煤催化劑后，機組節煤效果在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 結語

隨著對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，其催化機理亦逐漸豐富完善。化學干預煤炭催化燃燒技術，在水泥行業已有規模應用案例，水泥廠節能效果在5%左右；在電力行業部分電廠進行了工業試驗，但未規模應用，電廠試驗結果看節能效果在2-3%，可降低機組供電煤耗7-10克/千瓦時。

參考文獻

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