燃煤化学干预催化燃烧节煤技术的研究与应用

2018-08-31 10:22崔修强
中国科技纵横 2018年9期
关键词:节能

崔修强

摘 要:在煤中加入少量的化学添加剂可以改变煤的燃烧性能,这就是煤的化学干预煤炭催化燃烧技术。借助燃煤催化剂的催化作用提高分子活度,缩短煤在炉膛里的燃尽时间,提高煤的燃烧强度和炉膛温度,改善煤的燃烧性能,降低废气排放量,达到节煤、减少环境污染的目的。从节能和环保的角度而言,都具有十分重要的现实意义。

关键词:化学干预;催化燃烧;节能

中图分类号:TK227.1 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2018)09-0182-02

国家煤电节能减排升级与改造行动计划要求2020年前现役火电厂煤耗低于310克/千瓦时,目前我国300MW及以下机组纯凝供电煤耗均在320克/千瓦时以上,高于国家目标要求。为实现国家2020年节能减排行动计划,除进行设备改造和运行优化调整外,使用燃煤催化剂实现节能降耗也是一条行之有效措施。为此对煤催化燃烧技术及其推广应用的研究已引起了广泛关注。

1 燃煤催化剂研究简述

对于燃煤催化剂的助燃作用,可以将已有的研究结果归纳为两种观点,即电子转移学说和氧传递学说。实验表明,电子转移理论可以解释碱土金属、碱金属的盐及其氧化物的催化作用;氧传递理论可以解释稀土钙钛矿型催化剂或者碱土金属、碱金属的盐及其氧化物催化剂的催化作用。

国内市场上目前销售的主要有增氧助燃型与助磨助燃型节煤剂。其中,增氧助燃型节煤剂主要节煤途径是在燃煤中混入在受热过程中能够放出氧气的物质,比如:高锰酸钾、氯酸钾、硝酸钠等,通过提高燃烧过程中的供氧量,提高燃尽率,降低不完全燃烧热损失,由于大型锅炉效率均在92%以上,该类型的节煤产品无法适用于未来发展的需求。助磨助燃型节煤剂多采用易燃粘稠油类、易燃有机物混合而成,运输危险,其可改善燃烧的状况,但节煤效果不显著。因此,研究新型的催化节煤产品是市场和社会发展的必然要求。

化学干预煤炭燃烧催化技术是通过从煤炭燃烧过程着手的节能新技术,其催化剂采用过渡金属有机化合物,产品自身不燃不爆,运输安全。按照国家标准要求,可以利用利用氧弹热量分析仪将节能效果测出,适用于任何類型燃煤锅炉。

2 化学干预煤炭催化燃烧技术研究

在煤中加入少量的化学添加剂可以改变煤的燃烧性能,这就是煤的化学干预煤炭催化燃烧技术。煤炭与氧的燃烧反应,催化剂存在的条件下,可以认为是气固两相的表面吸附反应。依据表面吸附反应理论,氧分子首先被催化剂表面所吸附,在催化剂正电中心的静电作用下,氧分子变形,并迅速将其双键断开,形成氧原子。然后活化了的炭原子和氧原子结合,生成CO2分子,离开催化剂表面,如此循环不断。

2.1 化学干预煤炭催化燃烧原理

从煤炭燃烧的本质分析采用化学干预催化节能的可行性,本质上煤炭燃烧是碳氢化合物被氧化生成CO2、H2O等产物,并放出热能的过程。煤炭在燃烧过程中,第一步是氧分子离解成氧原子、炭原子被活化的过程,这两个过程需要吸收大量热能,煤炭燃烧放出的热量几乎有70%被其消耗掉。

引入催化剂后,煤炭在燃烧过程中,活化能降低,燃烧过程的内耗减少、显热发热量增加,实现了由根本上节能的目的。同时可降低着火温度、提高燃烧速度、加速内能的释放,缩短煤在炉膛里的燃尽时间,提高煤的燃烧强度和炉膛温度,改善了煤的燃烧性能。

由催化剂的原理可知,催化剂不改变化学反应的初始反应物和生成终产物,其本质是给化学反应提供了一条能量较低的反应途径,降低了燃烧反应的活化能,实现了从源头上、根本上的节能。未加催化剂前煤炭的着火活化能为Q1、其着火点为T1,添加催化剂后煤炭的着火活化能降为Q2、着火点降为T2,实际燃烧过程中可以多释放出的显热发热量即为二者只差:ΔQ=Q1-Q2。

由于着火点的降低,煤炭在锅炉中的燃烧时间增长,物理不完全燃烧损耗小,因此可以降低煤灰中的含炭量和烟气中的CO含量,从而起到很好的综合效果。

2.2 化学干预煤炭催化剂对煤样的作用方式

添加化学干预煤炭催化剂后,煤结构中的表面基团与催化剂中的离子反应形成了新的基团,但煤中原有的C与C,C与H的化学键并未被破坏,在外加基团的影响下,燃烧反应过程中所需要的活化能降低,同时加入的离子在反应过程中,变成了氧化物对燃烧进行催化,二者结合降低燃烧内耗和反应活化能,实现了提高煤燃烧显热的作用。

2.3 化学干预煤炭催化剂主要成分

化学干预煤炭高性能燃烧催化剂是由如下质量份数的原料溶于100份水中混匀即得:硫酸厂废渣20~30、电镀厂废液20~35、电解铜厂废液25~30、硝化稀土5~10、阴离子表面活性剂3~5和可溶性钙盐2~5。煤炭燃烧催化剂使用方便,可提高煤的燃烧强度和炉膛温度,改善煤的燃烧性能,降低废气排放量和节煤3~5%。

3 催化剂工业应用技术关键研究

从工业实际应用角度出发,为更好的实现锅炉添加燃煤催化剂的节能效果,应深入研究一下几个关键技术。

3.1 催化剂配方

工业燃烧煤质特性由于产地变化而波动较大,而具有催化作用的物质中,其不同离子间具有相互遏制或促进作用的二重作用。因此在总结单一化合物催化实验研究的基础上,更需要研究适应性强的优良复合型催化剂。

3.2 选择催化剂原材料

催化剂的活性是影响其催化剂作用效果的主要因素,其活性与分子结构、元素性质等有关。此外,选择催化剂的原材料还应考虑三个方面:一是应保证催化剂原材料的可溶性,按照工业应用现场需要,确定最佳的添加方式,以改善催化剂的应用效果;二是由于催化剂既是燃烧促进剂,也是硫、氮氧化物的还原剂,因此应防止催化剂带来二次污染;三是合理控制原材料的成本,提高催化剂的工业应用经济效益。

3.3 催化剂添加量

合理的配方除了要确定催化剂的材料成分,还要确定各种成分的用量比例。催化剂的添加量直接影响着催化剂的作用效果,用量少催化效果不明显,用量过多,不但增加费用,催化效果也可能减小。在工业生产实践中应重视煤中灰分的催化作用,由于锅炉燃烧用煤种经常变化,不同煤种的燃烧特性有所变化,导致催化剂最佳添加量发生变化。

3.4 催化剂添加方式

采用最佳添加方式,其提高催化剂在煤中的分散程度,从而实现最好的催化效果,应深入的研究不同添加方式对催化剂分散程度改善效果,以推进其实际应用进程。目前添加燃煤催化剂的方式主要有喷洒式、直接混入式与离子交换法。将煤炭燃烧催化剂均匀喷洒或混入煤炭表面,利用磨煤机充分混匀,是目前催化剂混合的主要方式,离子交换法虽然可以有效提高催化剂分散程度,但由于工艺方法复杂难以实现工业化生产。

4 催化燃烧技术在工业企业的应用

为研究燃煤催化剂在火电企业的节煤效果,在140MW锅炉初步工业应用试验。为了客观评价催化剂节煤效果,专门成立了催化剂节煤效果试验领导小组与工作小组,确保了催化剂节煤试验工作全过程按照“安全、公平、公正”的原则顺利开展,同时确保试验结果的能真实、科学反应燃煤催化节煤剂效果。

根据试验期间入炉煤、发电量及运行参数统计结果,与空白试验阶段相比,按照0.036%的比例在入炉煤中添加燃煤催化剂后,试验阶段节煤效果明显。正平衡统计供电煤耗降低8.54g/kW·h,试验中同时采取了锅炉正平衡效率、单位发电量给粉机转速、辅机厂用电等不同方法测算其节煤效果,不同的统计口径结果表明,添加燃煤催化剂后,机组节煤效果在8.5g/kW·h左右,锅炉SO2排放浓度降低了76.9mg/Nm3,NOX排放浓度降低了19.5mg/Nm3。

5 结语

随着对燃煤催化劑的原材料的选择、配方、添加量与添加方式的深入研究,燃煤催化剂的种类已逐渐多样化,其催化机理亦逐渐丰富完善。化学干预煤炭催化燃烧技术,在水泥行业已有规模应用案例,水泥厂节能效果在5%左右;在电力行业部分电厂进行了工业试验,但未规模应用,电厂试验结果看节能效果在2-3%,可降低机组供电煤耗7-10克/千瓦时。

参考文献

[1]刘瑞芝,陈新智,李霞.燃煤催化剂对混煤催化燃烧的研究与应用[J].水泥技术,2013,(04):27-30+44.

[2]曹丽琼.燃煤催化剂对煤炭燃烧性能的影响[J].化工管理,2015,(09):194-196.

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