固體燃煤催化劑在循環流化床鍋爐中的應用研究

沈怡青

(中國煤炭開發有限責任公司，北京市東城區，100011)

隨著國家資源綜合利用扶持力度的加大，坑口資源綜合利用電廠數量也有所增加。坑口綜合利用電廠主要利用循環流化床鍋爐燃燒低熱值燃料，使其就地轉化為綠色清潔的電能輸出，從而提高資源利用效率并減少運輸成本。因此如何提高循環流化床鍋爐效率成為資源綜合利用電廠生存發展的重點。除進行循環流化床鍋爐設備結構提升和運行優化調整外，使用燃煤催化劑也是實現節能減排的一條有效途徑。

為此，采用不同配比在不同工況下添加燃煤催化劑進行現場工業試驗，以科學評價固態燃煤催化劑在循環流化床鍋爐中的節煤效果。這對提高鍋爐燃燒效率、降低煤耗、減少二氧化硫排放和降低灰渣殘碳量具有重要意義。

1 燃煤催化劑原理

燃煤催化劑不改變化學反應的初始反應物和生成物，只加快燃燒過程使可燃物充分燃燒，作用機理主要是氧傳遞理論和電子轉移理論。

氧傳遞理論假定非催化反應的速度受制于氧氣、二氧化碳或水的表面化學吸附，并且認定催化劑顆粒為具有活性的化學吸附中心。表面催化劑在金屬到金屬氧化物、或者低價氧化物到高價氧化物之間的氧化還原循環中由于不穩定的表面狀態，可分解產生氧原子，分解的氧原子立即與碳表面反應，加快了氧氣擴散的速度，使燃燒更易進行。因此，該理論中催化劑可以視為氧原子的分解中心。

電子轉移理論認為在加入催化劑的燃燒反應中，存在2種固相和1種氣相，即氣-固兩相反應，其中助燃劑和碳直接發生固相電子轉移，助燃劑中的金屬離子能夠被活化，從而使自身的電子發生轉移成為電子給予體，金屬離子形成空穴，而碳表面的電子結構也發生變化，碳氫組合更為有序，從而能更多地接觸氧分子；同時催化劑在加快自由基的生成和運動速度的過程中會釋放更多的氧分子，使得反應溫度要比正常燃燒溫度低得多。

基于以上理論，經燃煤催化劑作用后的煤炭在燃燒過程中表現出著火溫度降低、燃燒速度提高、煤在爐膛里的燃盡時間縮短、燃燒強度提高和爐膛溫度升高等現象。

2 試驗研究

2.1 試驗條件及內容

本試驗所用催化劑是由美國亞洲煤催化劑有限公司生產的固體堿金屬催化劑，該固體催化劑中的氧化劑能夠加速自由基的運動，即加速碳原子活化過程，在這一過程中使碳氫組合更為有序，從而能夠更多地接觸氧分子，有助于加快燃燒過程中發生的物理及化學反應。催化劑在加快自由基生成和運動速度的過程中會釋放更多的氧分子，使得反應溫度要比正常燃燒溫度低得多。

本試驗采用添加催化劑前、后鍋爐的重要能耗指標及排污指標對比的方法測試催化劑效果。在控制鍋爐給煤量不變、入爐煤低位發熱量不變，且鍋爐其他工況穩定的條件下，通過加入不同比例的催化劑，觀察鍋爐床溫、鍋爐負荷、測量出口煙氣及灰渣成分變化，從而計算出鍋爐噸標煤產蒸汽量與正平衡熱效率指標等數據，得出催化劑在節能環保方面的性能。

2.2 試驗準備

(1)試驗鍋爐選擇。節煤效果評價的準確程度首先取決于鍋爐負荷和入爐煤質穩定等條件，根據生產條件及現場情況，需要選擇1臺工況相對穩定的鍋爐，開展燃煤添加應用對比試驗。試驗期間，試驗機組采用單爐上煤的運行方式。鍋爐選用2008年啟用的中煤龍化公司6#循環流化床鍋爐，其型號為CG-130/9.81-MX15，設計能力為130 t/h。

(2)計量儀表校正。在試驗開始前，檢查和校正皮帶秤、電功率表等計量儀表的準確性和穩定性，以確保試驗數據的準確性。

(3)催化劑添加方案選擇。國內外不同類型鍋爐的試驗數據表明，催化劑與入爐煤燃料比例在0.50%～1.50%之間節能效果較為明顯，且在有石灰石的情況下對催化劑的作用有一定抑制作用。為保證試驗用催化劑的供應量，本試驗在無石灰石的條件下選用催化劑添加量為0.50 kg/t與1.50 kg/t這2個比例進行測試；在有石灰石的條件下添加0.50 kg/t的比例進行試驗。根據現場條件，選擇燃料煤皮帶車間作為催化劑的最佳添加點，在燃料煤到達燃料煤倉之前，將催化劑通過填料斗均勻灑在經帶式輸送機運送的燃料煤上一同入倉，做到分散均勻。

2.3 試驗進度與安排

本次測試分為無催化劑運行和有催化劑運行2個不同測試條件。每個測試條件的測試時間、參數選取和現場配合等全部相同，每一個測試條件下測試時間為24 h。具體測試時間分配情況如下：第一入爐煤置換階段為8 h，更換催化劑配比；第二測試準備階段為4 h，觀察數據穩定性；第三正式測試階段為12 h，每隔15～20 min記錄一組數據。

3 結果及數據分析

3.1 數據分析

試驗采用鍋爐正平衡效率和噸標煤產蒸汽量這2個指標來表示催化劑提高燃燒效率的作用，并分析煙氣中二氧化硫、氮氧化物及含氧量等指標，檢測底灰和飛灰中的殘碳量等，進一步證明催化劑的節能環保效果。加入催化劑前、后的數據采集與計算見表1。

表1 加入催化劑前、后的數據采集與計算

3.1.1 燃燒效率

由表1可以看出，有石灰石正常工況下鍋爐正平衡效率為86.02%，噸標煤產蒸汽量為9.14 t；無石灰石時鍋爐正平衡效率為86.60%，噸標煤產蒸汽量為9.15 t。加入催化劑后鍋爐熱效率和噸標煤產蒸汽量均發生了一定的變化。

(1)催化劑加入量為0.50 kg/t時，在有石灰石工況條件下，置換階段鍋爐效率為88.48%，測試階段鍋爐效率為87.82%，鍋爐效率平均提高了2.48%；催化劑加入后置換階段噸標煤產蒸汽量為9.47 t，測試階段噸標煤產蒸汽量為9.35 t，平均煤耗降低為2.95%。

(2)催化劑加入量為0.50 kg/t時，在無石灰石工況條件下，催化劑加入置換階段鍋爐效率為90.76%，測試階段鍋爐效率為89.03%，鍋爐效率平均提高3.81%；催化劑加入后置換階段噸標煤產蒸汽量為9.61 t，測試階段噸標煤產蒸汽量為9.39 t，平均煤耗降低3.83%。

(3)在催化劑加入量為1.50 kg/t條件下的置換階段和測試階段，鍋爐效率沒有明顯變化，基本與空白值保持一致，沒有表現出節煤效果，該結果有待進一步分析。

(4)在無石灰石工況下催化劑對于鍋爐節煤效果更為明顯，主要是石灰石脫硫過程中的脫硫反應可能對于催化劑的活化作用有一定的抑制作用，主要化學反應機理有待進一步驗證。

3.1.2 灰渣變化

加入催化劑前、后鍋爐排放灰渣中含碳量的變化情況見表2。

由表2可以看出：

(1)在有石灰石的條件下，按照0.50 kg/t比例加入催化劑，灰、渣中的含碳量分別降低了8.72%和40.49%；

(2)在無石灰石的條件下，按照0.50 kg/t加入催化劑，灰中的含碳量沒有降低，渣中的含碳量減少64.92%；在催化劑加入率為1.50 kg/t時，灰中的含碳量也沒有降低，渣中的含碳量減少了52.02%。

無論有無石灰石的運行條件，爐渣的含碳量都大幅降低，其主要原因是催化劑的作用使得燃燒更為充分，提高了燃燒效率。

表2 加入催化劑前、后鍋爐排放灰渣中含碳量的變化情況 %

3.1.3 煙氣變化

試驗中催化劑用量為0.50 kg/t時加入前后煙氣中主要成分的變化見表3。

表3 催化劑為0.50 kg/t時加入前、后煙氣中主要成分的變化

由表3可以得出，加入催化劑后煙氣中的二氧化碳含量升高了10.6%，氧氣含量降低13.12%，二氧化硫含量降低19.70%，一氧化氮含量降低21.88%。這主要是由于催化劑的作用使得燃燒所需氧氣減少，進而空氣量減少，因此氮氧化物隨之有所減少。

3.2 其他試驗現象

試驗后中控室儀表數據顯示鍋爐負荷明顯提高，加入催化劑后，鍋爐負荷由正常工況下的114 t/h提高到117 t/h，最高達到124 t/h，提高了最多8.7%。鍋爐床溫明顯提高，加催化劑后爐溫提高至950℃，較正常工況的930℃，提高了近20℃。

可以提高燃燒強度從而爐膛溫度升高主要原因是催化劑的加入加速了燃燒反應速率，提高了燃燒強度，同樣入爐煤條件下，產生的熱量更多、蒸汽量更大，從而可以提高鍋爐效率。

4 結論

4.1 試驗結果

(1)催化劑加入對提高鍋爐效率具有一定作用。催化劑加入量為0.50 kg/t時，有石灰石情況下，鍋爐效率提高了2.48%，節煤率為2.95%；無石灰石情況下，鍋爐效率可提高3.81%，節煤率達到3.83%。在無石灰石加入的運行工況下，催化劑提高鍋爐效率的效果更為明顯。

(2)催化劑對于灰渣含碳量的減少具有一定的作用，尤其對爐渣含碳量降低作用明顯。但在沒有石灰石的條件下，對飛灰中的含碳量降低作用不明顯，且隨著催化劑加入量的增加，降低含碳量的作用也沒有隨之增加。

(3)催化劑的加入可以起到一定脫硫除氮的效果，在催化劑加入量為0.50 kg/t時，二氧化硫可降低19.70%，氮氧化物降低21.88%，具備一定脫硫除氮的效果，且煙氣中氧含量降低，說明催化劑具有一定助燃效果。

4.2 結論

此次試驗實現了3.83%的節煤率。按照單臺爐運行7000 h/a計算，節煤量為7280 t/a，折算成標煤約為3120 t。如果現有鍋爐均使用催化劑，達到同等效果的情況下，可實現節煤量為21840 t/a，折算成標煤約為9360 t。此次試驗是催化劑產品首次在大型工業鍋爐進行的測試，時間短暫、 工況變化較多，雖取得了一定的效果，但仍不能完全證明催化劑對于循環流化床鍋爐的全方面優化效果，應在該類型鍋爐進行更長期工業試驗。