液體節(jié)煤催化劑在煤粉鍋爐中的應用研究

蔣正宇,石 永，王秀榮，陳龍海，汪寶全，梅 柳，李慧芝

(1 龍祥雨(深圳)科技有限公司，廣東 深圳 518109；2 陜西延長石油興化化工有限公司，陜西 咸陽 713100；3 深圳陽辰節(jié)能有限公司，廣東 深圳 518109)

碳排放的增加是導致全球氣候變暖、溫室效應，以及出現(xiàn)極端惡劣天氣，碳排放增加的主要因素是由于人類大量使用化石、煤炭能源所造成的，高能源的消耗就意味著高碳和有害氣體的排放量。2021年我國能源消費總量為52.4億噸標準煤，煤炭消費量占能源消費總量的56.0%，我國仍以煤炭消費為主，而它又是不可再生的資源，因此，對其燃燒的基本要求是“高效率、低污染”的清潔利用十分重要。煤粉爐是以煤粉為燃料的鍋爐設備，它具有燃燒迅速、完全、容量大、效率高、適應煤種廣，便于控制調節(jié)等優(yōu)點，被廣泛應用到火力發(fā)電、化工廠等供熱工業(yè)中。如何提高煤粉爐鍋爐效率是提高電廠、化工廠效益的重點。除進行煤粉爐設備結構提升和運行優(yōu)化調整外，使用節(jié)煤催化劑也是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑[1-4]。

因此，在陜西延長石油興化化工有限公司4臺UG-160-9.8/540型煤粉鍋爐添加龍祥雨(深圳)科技有限公司生產(chǎn)的LXY節(jié)煤催化劑進行現(xiàn)場工業(yè)試驗，科學評價液體節(jié)煤催化劑在煤粉鍋爐中的節(jié)煤效果[5-7]。這對提高鍋爐燃燒效率、降低煤耗、減少二氧化碳、固體顆粒物排放和降低灰渣殘?zhí)剂烤哂惺种匾囊饬x。

1 節(jié)煤催化劑特性及使用方法

1.1 節(jié)煤催化劑的特性

LXY節(jié)煤催化劑是龍祥雨(深圳)科技有限公司研發(fā)的高效節(jié)煤催化劑，透明液體，具有不燃、不爆、不揮發(fā)、無毒、對設備無腐蝕，使用安全，對人體不會造成傷害等特點，其基本物化指標如下：pH值：4.51；密度：1.21 t/m3；含固量：31%。

1.2 節(jié)煤原理

煤的燃燒是一個吸熱和放熱的過程，煤實際被利用的熱量等于煤燃燒所放出的熱量減去煤燃燒所需吸收的熱量，因此，如果能夠設法降低煤燃燒所需的吸熱，就相當于提高了煤的發(fā)熱量，從而可降低燃煤內耗。節(jié)煤劑是以降低煤炭燃燒的活化能為切入點，以提高煤的綜合燃燒性能和降低燃煤消耗為目的。

節(jié)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[8]。基于以上理論，經(jīng)節(jié)煤催化劑作用后的煤炭在燃燒過程中表現(xiàn)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(xiàn)象。

1.3 使用方法

節(jié)煤催化劑添加量為原煤量的0.1%，將添加設備噴淋器置于煤磨之前的傳輸皮帶上方，通過傳輸過程中的滲透作用和煤磨的研磨，使節(jié)煤催化劑與原煤充分混合均勻。

2 試驗方法

本次試驗節(jié)煤催化劑及添加設備由龍祥雨(深圳)科技有限公司提供，陜西延長石油興化化工有限公司負責試驗用煤和鍋爐運行操作，各方共同記錄試驗數(shù)據(jù)并進行整理分析修正。

2.1 試驗安排

試驗安排在4臺UG-160-9.8/540型煤粉鍋爐進行，4臺鍋爐共用一條輸送帶，試驗時間共計27天，空白期11天，過渡期1天，添加期15天。具體時間為2022年9月16日00:00至2022年9月26日24:00為空白期，2022年9月27日為過渡期，2022年9月28日00:00 至 2022年10月12日24:00為添加期。

2.2 試驗期間鍋爐運行負荷

空白期鍋爐平均產(chǎn)汽量為148 t/h；由于化工廠生產(chǎn)工藝過程用氣量波動，鍋爐負荷隨時調整，催化劑添加期鍋爐平均產(chǎn)汽量為126.7t/h，添加期負荷小于空白期。

2.3 試驗用煤

由于公司的同一批進煤量有限，不能滿足27天試驗用煤量的要求，因此每天對所用煤的煤質進行1次工業(yè)分析。

2.4 試驗用節(jié)煤催化劑配比

試驗用節(jié)煤催化劑與原煤實際質量配比為1:1000。為了使節(jié)煤催化劑與原煤混合均勻，試驗了節(jié)煤催化劑與水稀釋不同比例進行試驗。結果表明在煤粉爐中不加水稀釋就可以達到節(jié)煤的效果。

3 結果與討論

3.1 數(shù)據(jù)取值說明

每日的蒸汽產(chǎn)量、原煤消耗量，煤樣分析數(shù)據(jù)包括水分、灰分、揮發(fā)分、熱量數(shù)值。標煤的熱值為293076 kJ/kg，節(jié)煤催化劑的價格為2.0萬元/t，原煤價格為1000元/t。

3.2 計算公式

噸汽耗煤量(kg/t)=每天燃煤量(kg)/每天蒸汽產(chǎn)量(t)

(1)

噸汽標煤耗量(kg/t)=噸汽耗煤量(kg)×煤的發(fā)熱量(MJ/kg)/29.3076

(2)

(3)

式中：G0——空白期噸汽耗煤量，kgec/t

G1——添加期噸汽耗煤量，kgec/t

3.3 試驗結果

3.3.1 節(jié)煤率及鍋爐效率

鍋爐添加節(jié)煤催化劑的空白期和和添加期的試驗數(shù)據(jù)匯總如表1所示。表1中的數(shù)據(jù)已經(jīng)根據(jù)煤倉每天的倉位，催化劑用量、稀釋水用量、煤的熱值、水分，鍋爐負荷提高而使煤耗降低等因素進行了修正。添加0.1%節(jié)煤催化劑后爐膛床溫、床壓正常，鍋爐蒸汽參數(shù)正常，鍋爐運行平穩(wěn)。

測試鍋爐正平衡效率(執(zhí)行標準 GB/T10184-2015)作為參考；正平衡計算鍋爐效率結果如下表所示，空白期計算正平衡效率為81.36%，添加期計算正平衡效率為85.20%，可見添加催化劑后鍋爐效率提升了4.72%。

表1 LXY節(jié)煤催化劑添加前、后數(shù)據(jù)采集匯總及計算Table 1 Data collection and calculation before and after adding LXY coal saving catalyst

由表1可見，由于生產(chǎn)系統(tǒng)用汽量波動，鍋爐添加期在較低負荷運行，添加期的負荷較空白期降低21.57 t/h，添加節(jié)煤催化劑期間平均節(jié)煤率為4.69%，具有明顯的節(jié)煤效果，添加催化劑后鍋爐效率提升了4.72%，節(jié)煤率與爐效率提升吻合。10月10日到10月12日節(jié)煤效果尤為顯著，這可能是在10月10日后節(jié)煤催化劑沒有加稀釋水的作用。

3.3.2 煙道氣中顆粒物含量及煙氣溫度

添加節(jié)煤催化劑可以減少了排放到大氣中的粉塵量。如圖1所示，在空白期內，煙氣中顆粒物含量的平均值是15.95 mg/m3；在節(jié)煤催化劑添加期，顆粒物平均值降為7.28 mg/m3，下降了54.22%, 效果明顯。

添加節(jié)煤催化劑后排煙溫度較空白期的平均溫度降低6～8 ℃，說明添加節(jié)煤催化劑使煤炭在爐內充分燃燒。

圖1 煙氣中顆粒物含量變化Fig.1 Change of particulate matter content in flue gas

3.3.3 煙氣中氧含量的變化

圖2所示為煙道氣中氧氣含氧量的變化。空白期煙氣中氧含量平均值是6.3%，添加期煙氣中氧氣含量平均值下降為5.65%，煙氣中氧含量下降率為10.32% 。加入節(jié)煤催化劑后，促進了煤的燃燒，增加了氧氣的消耗量，從而使得排放的煙氣中氧含量降低。

圖2 空白期和添加期煙氣中氧含量對比Fig.2 Comparison of oxygen content in flue gas during blank period and addition period

3.3.4 爐渣、飛灰中可燃物含量變化

飛灰和爐渣含碳量是衡量燃燒效果的一個重要依據(jù)，飛灰和爐渣含碳量越低，說明煤中可燃物燃燒的越徹底。

圖3 空白期、添加期爐渣中可燃物含量對比Fig.3 Comparison of combustible content in slag in blank period and adding period

圖4 空白期、添加期飛灰中可燃物含量對比Fig.4 Comparison of combustible content in fly ash during blank period and adding period

圖3為空白期和添加期爐渣可燃物含量變化對比。爐渣含碳量的平均值由空白期的2.82%降為2.19%，下降率為22.34%；圖4為飛灰空白期和添加期可燃物含量變化對比。飛灰含碳量由空白期的4.42%下降到2.18%，下降率為50.68%；

由于節(jié)煤催化劑對煤燃燒反應的作用，使得煤得以充分燃燒，降低了飛灰和爐渣含碳量，說明節(jié)煤催化劑使煤炭燃燒完全。

3.3.5 二氧化硫氮氧化物減排影響

空白期煙氣中二氧化硫含量平均值為714.78 mg/m3，添加期的平均值為613.08 mg/m3，二氧化硫含量下降了14.23%。空白期煙氣中氮氧化物含量平均值為58.48 mg/m3，添加期NOx含量平均值為47.09 mg/m3。NOx含量下降了19.48%。添加節(jié)煤催化劑對SO2、NOx具有一定的減排效果。SO2、NOx的排放是一個復雜的過程，與很多因素有關，比如煤炭中硫、氮的含量及存在的形式，鍋爐燃燒過程的溫度、氣流量等因素都會影響SO2、NOx的排放。

4 結 論

通過在陜西延長石油興化化工有限公司有4臺蒸汽鍋爐，鍋爐型號UG-160-9.8/540，進行0.1% LXY節(jié)煤催化劑添加測試，鍋爐在添加節(jié)煤催化劑后的運行性能，主要得到以下結論：

(1)鍋爐運行平穩(wěn)，鍋爐各部溫度、壓力、阻力、各輔機設備運行正常，鍋爐蒸汽指標穩(wěn)定。使用安全可靠，9天空白期產(chǎn)蒸汽97918.6噸，噸蒸汽標煤耗118.83 kg/t；添加期產(chǎn)蒸汽182374噸，噸蒸汽標煤耗113.25 kg/t，標煤耗節(jié)煤率4.69%，節(jié)煤效果顯著。

(2)目前煤價按每噸0.1萬元/t計算，節(jié)煤催化劑的價格為2.0萬元/t，每購進1噸節(jié)煤催化劑廠家的效益為：46.9×0.1-2.0=2.69萬元，廠家的盈虧點每噸煤的價格426元/t，具有顯著的經(jīng)濟效益。

(3)對空白期、添加期的粗灰渣、細灰渣中殘留碳進行測定，粗灰渣中殘留碳空白期的平均值為2.79%，添加期的平均值為2.15%，粗渣下降22.34%；細灰渣中殘留碳空白期的平均值為4.42%，添加期的平均值為2.09%，細灰渣中殘留下降50.68%，這說明原煤添加LXY節(jié)煤催化劑后，促進了煤的完全燃燒，使得殘?zhí)紲p少，氧氣消耗增多。

(4)添加LXY節(jié)煤催化劑后煙氣中顆粒物比空白期降低54.22%，說明添加節(jié)煤催化劑后煤炭燃燒更完全了。

(5)添加節(jié)煤催化劑前后的鍋爐效率分別為81.36%和85.20%。可見添加LXY節(jié)煤催化劑提高鍋爐效率4.72%。