催化剂性能对煤炭燃烧产生的影响

李晋萍

（宁夏工商职业技术学院，宁夏银川 750021）

催化剂性能对煤炭燃烧产生的影响

李晋萍

（宁夏工商职业技术学院，宁夏银川 750021）

中国现今对于煤炭产业的长期发展战略离不开发展“洁净煤技术”，以提高煤炭的资源利用率。然而在煤炭燃烧利用过程中存在燃烧不完全，热能利用效率低，利用过程中产生大量容易对大气产生污染的有害物质如烟尘、一氧化碳、二氧化硫等气体，因此，提高煤炭的燃烧利用率对整个社会及国家都会产生极其重要的意义。以氧化铁废渣为原料，把评价指标侧重点放在烧失率、热值释放率和硫释放率上，研究对煤炭燃烧具有催化作用的Fe2O3对于燃烧性能的影响。通过一系列实验研究，最后得出结论：煤炭的燃烧性可通过添加合适的催化剂得到提高，在整个燃烧过程中煤炭的燃尽率在催化剂的作用下有了明显的提高。但是煤炭的燃烧性能也会受到会阻碍，通过多次实验发现，催化剂量的加入应该适量并且少量，否则只能适得其反。在实验中，对结果进行多次量化，对于添加量进行调整，得到了对于提高燃尽率最为合适的添加量。

燃煤催化剂；燃烧性能；烧失率；热值释放率

中国是世界上最大的产煤国，同时也是最大燃煤国之一，原煤产量10亿多t，在不可再生资源中占总资源的2/3以上，在我国能源的可持续利用中扮演着重要的角色。而其中存在的两大问题也在煤的燃烧利用中尤为突出：一是煤炭在燃烧过程中不够充分，煤耗大，热效率利用率低，煤炭资源浪费严重；二是一些有害气体物质例如一氧化碳、二氧化硫以及大量烟尘产生于煤燃烧过程中增加了排放量，大气被污染的程度加剧。那么，能否通过其他方式使较低的煤炭资源的利用率得以提高，将在今后的若干年内对希望发展“洁净煤技术”的煤化工行业产生长久以及重大的影响。我国煤炭储量虽然较大，但大多数是含灰分较多的煤炭资源，在煤化工发展初期主要通过运用技改方案增加设备利用率及操作水平的改善来提高资源利用率，这使得在实施过程中成本增高，生产过程控制难度加大，而且根本无法完全改变燃烧炉底部副产品量过大，炉渣中未被利用的碳含量过高，原料浪费极大这些严重的缺点。现今煤化工发展速度迅猛，通过加入催化剂的方式提高煤炭利用率成为了煤炭资源利用的更有效方式。合理利用有效的催化剂不但能够充分利用我国煤炭挥发分较高的特点，令燃煤挥发分析出率增高，提高煤炭利用率，同时使煤炭在燃烧炉内的熔融温度稳定降低，燃尽速率被迅速加快，同时还能脱除氮、硫等对大气产生污染作用的有害元素。燃烧炉内有效催化剂的加入，使煤炭的燃烧更加完全，燃煤消耗率降低，提高了汽煤比，改善了燃烧炉工况，燃烧炉热效率相应提高，对于高灰分的劣质煤的燃烧率也得到了提高，且污染物的排放量得到了控制，在炼铁工业用炉上也适用，因此对于整个社会来说具有巨大的经济效益和社会效益。在煤化工行业中：碱金属、碱土金属和过渡元素的氧化物、氢氧化物及其盐类都是常用燃煤催化剂，可以增强燃煤的燃烧性。本研究通过利用KMnO4是强氧化剂（在实验过程中对KMnO4进行加热则会产生大量氧气，周围具有合适粒度的煤炭能够与被释放出的氧气接触，从而令更多的挥发分从孔隙中析出，使煤炭内部燃烧加剧，改善了燃煤的燃烧性质）这一性质，在煤炭试样中，加入一定量的废渣（含少量的V2O5、Al2O3以及18%的Fe2O3），通过实验来探讨此种催化剂对煤炭燃烧性质以及有害物质硫的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料、仪器

原煤：实验所用的煤为挥发分含量较高的烟煤，取自宁夏石嘴山马莲台煤矿所，在宁夏工商职业技术学院做了工业分析。

仪器：多用热量测定仪（型号：CT5000A）、微机汉显快速测硫仪（型号：WDL-9）、马弗炉（型号：CTM300）。

试剂：KMnO4（试剂）、Fe2O3废渣（石嘴山钢厂所产）、纯Fe2O3。

1.2 实验过程和方法

取所需实验煤样进行筛分，选取粒径＜3mm；将600g该实验煤样与催化剂混合，取40g/phr，加入一定量水分，给予20MPa压力在模具中制成煤饼，烘干时间定为2.0h，烘干温度定为105℃，取出后立即密封；实验中在型号为CTM300的马弗炉中放入从密封袋中立即取出的煤饼，从20℃逐渐开始升温，记录各组数据，以便后期绘图并进行结果分析。①煤面变红温度；②煤面着火温度；③煤面着火后，分别燃烧lh、1.5h、2h、2.5h、3h，煤面维持580℃；④燃烧结束后，取出煤饼，冷却至20℃，对其剩余部分进行称量，测试剩余部分中的所含硫元素质量和残余的热值，计算进行不同实际煅烧后燃煤试样的烧失率、热值释放率（热值消耗量/原煤快热值）和硫释放率（硫释放量/原煤块含硫量）。

其中：

式中：M0为起始煤重，g；MI为燃烧后煤重，g。

式中：C0为燃烧前煤中所含热值，Cal/g；CI为燃烧后渣中所含热值，Cal/g。

式中：S0为燃烧前煤中含硫量，%；SI为燃烧后渣中含硫量，%。

2 分析与结果

2.1 原煤的工业分析结果

表1 原煤的工业分析结果

2.2 Fe2O3催化效应研究

催化燃烧效果的实验，主要研究了Fe2O3的催化作用：第一组为原料煤样，第二组试样内加入了2%的KMnO4作为催化剂，第三组把2%KMnO4加入到了0.8%的Fe2O3内。对原料煤样，只加入了2%KMnO4作为催化剂的煤样，以及除了加入2%KMnO4同时还加入了0.8%Fe2O3的煤样；分别给予了不同的燃烧时间做了燃烧实验，将实验数据进行记录，绘得随时间的变化的热值释放率及烧失率如图1和图2所示。

图1 烧失率随燃烧时间的变化趋势

图2 热值释放率随燃烧时间的变化趋势

由图1、图2可知，在只有原料煤样存在的条件下，采用不同的燃烧时间（1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3h）后，渣中的热值分别为3 737cal/g、3 628cal/g、3 205cal/g、2 682cal/g、2 322cal/g，其热值释放率分别为26.54%、36.01%、47.08%、55.06%、63.77%，可见，煤样并没有完全燃烧，大量的热值仍然蕴含于煤样当中可以加以利用。在增加了KMnO4作为催化剂，或者在另一种情况下，即同时增加KMnO4和Fe2O3作为催化剂将煤样进行燃烧，其状况与没有增加任何催化剂的煤样燃烧相比，烧失率和热值释放率均显著提高，而且添加了双重催化剂KMnO4和Fe2O3后，煤样的烧失率和热值释放率要明显高于单纯添加一种催化剂KMnO4的煤样的燃烧效果，从这些实验结果可以得出，Fe2O3在煤样燃烧的中起到助燃以及催化作用。

2.3 不同量的Fe2O3对煤炭燃烧的催化作用

那么如果加入的Fe2O3量发生改变，效果会不会有所改变呢？我们做了另一个实验：第一组仍然为原煤试样，在第二组试样中增加了2%的KMnO4和0.4%的Fe2O3，在第三组试样中不但增加了2%的KMnO4作为催化剂同时还增加了0.8%的Fe2O3，在选取的第四组煤样中改变了其中一种催化剂的量，2%的KMnO4不变，把Fe2O3的浓度增加到了2.0%。同样给予了不同的燃烧时间进行燃烧实验，将实验所得数据绘制成图，得到随时间变化的热值释放率及烧失率。

通过数据分析得知，增加了三氧化二铁作为催化剂原料煤的燃烧烧失率和热值释放率明显比不增加任何催化剂的煤样有所提高，烧失率提高了大约29.8%，热值释放率提高了大约19.9%，对于原料煤样的燃烧来说三氧化二铁的催化作用十分显著；可是同时也发现，虽然三氧化二铁的浓度也有所提高，可是实验数据表明原料煤样的燃烧性能并没有提高，说明影响较小，烧失率和热值释放率曲线依旧呈交替性上升趋势。这是因为三氧化二铁催化剂并不是纯物质，所含杂质不具有潜热，添加量增大反而会阻碍煤炭的燃烧，由于杂质的存在，包裹于原煤颗粒外层，使得氧气于原煤煤粒接触机会降低，同时燃烧产生的气体也无法顺利释放，其结果就是直接降低原煤试样的燃烧效率，所以增加的催化剂尽量应该做到少量而且适量。

2.4 Fe2O3在煤燃烧过程中对硫释放的影响

硫是煤炭利用中的一个重要因素，因此对煤炭燃烧过程中产生硫的变化也进行了研究，希望通过研究找出催化剂对于硫释放的影响：第一组仍然为原煤试样，在第二组试样中增加了2%的KMnO4催化剂共计4.0g，在第三组试样中不但增加了2%的KMnO44.0g作为催化剂同时还增加了4.0g的Fe2O3。同样给予了不同的燃烧时间进行燃烧实验，将实验所得数据进行分析得知对于同时添加2%（4.0g）KMnO4和2%（4.0g）Fe2O3与只添加2%（4.0g）KMnO4对原煤试样的燃烧影响相比，硫的释放率明显得到提高，约提高15.8%，比单纯原煤试样提高约63.2%，由此我们得出结论因为KMnO4和Fe2O3既能促进煤炭燃烧也能增强硫的释放率，要想达到不使硫气化的效果，在使用入催化剂的同时必须加入固硫剂成分（如MgO、CaO等）。

2.5 Fe2O3含量对原煤试样催化作用的比较

在前面研究中一直使用的是Fe2O3含量较低的催化剂，发现效果并不是很理想，因此将含量提高希望研究对原煤试样燃烧时的催化作用是否有显著提升：第一组在原煤试样中增加了2%的KMnO4催化剂共计4.0g，同时还增加了4.0g含2%Fe2O3废料；在第二组试样中增加了4.0g 2%的KMnO4催化剂以及4.0g2%的纯Fe2O3。同样给予了不同的燃烧时间进行燃烧实验，得到随时间变化的热值释放率及烧失率。

通过分析数据得出结论，事实并不像我们想象的那样，而是显现出从原料煤样烧失率和热值释放率整体趋势来看，Fe2O3废料所体现出的性能要优于纯的Fe2O3，说明从催化燃烧效果上来看纯的Fe2O3性能要略逊于Fe2O3废料，究其其原因主要是因为实验选择的Fe2O3废料为工业废料，其成分主要含有如矾、铜、铬等的过渡金属以及一些碱土金属，并且以氧化态的形式存在，只有约20%的Fe2O3，这些成分都是可以作为催化煤炭燃烧的良好催化剂，并且其催化活性都要大于金属铁，通过研究发现三氧化二铁废料是一种很好的燃煤催化剂。

2.6 燃烧机理分析

对碱金属、碱土金属和过渡元素的氧化物、氢氧化物及其盐类的燃煤催化作用，前人做了很多科学研究，根据研究结果现如今发展成为两种观点，即电子转移学说和氧传递学说。电子转移学说认为：在整个燃烧加热过程中存在于催化剂中的金属离子得到能量被活化，存在于原子核的电子发生了转移。结果，金属离子将形成空穴，同时发生改变的还有碳表面的电子构型，空穴的形成，电荷的迁移这两个条件就增加了一些反应的速度，进而使整体反应速度同时提高，于是从各方面都体现出煤炭的燃烧更加充分。氧传递学说认为：催化剂在温度升高时首先被还原成金属（或低价金属氧化物），被还原的金属（或低价金属氧化物）进行了氧气的吸附，使金属（或低价金属氧化物）氧化得到金属氧化物（或高价金属氧化物），紧接着碳再次还原金属氧化物（或高价金属氧化物），就这样金属（或低价金属氧化物）一直处于氧化—还原循环中，在金属（或低价金属氧化物）和氧化物（或高价金属氧化物）两种状态来回变动。从宏观上，从金属（或低价金属氧化物）中扩散出来的氧原子不断传递给了碳原子，氧气扩散速度的增，使煤燃烧反应更易于进行。

3 结语

1）为了尽可能地提高煤炭的燃尽率，可以通过在煤炭中添加燃煤催化剂Fe2O3废料的方式，来使煤炭的燃烧性得以提高，且此催化可作用于燃烧的整个过程。

2）催化剂的使用量要严格控制，在适量的前提条件下应尽可能少量。

3）Fe2O3废料作为催化剂既能促进煤炭燃烧也能增强硫的释放率，要想达到不使硫气化的效果，在使用催化剂的同时必须加入固硫剂成分（如MgO、CaO等）。

4）纯的Fe2O3作为燃煤催化剂，可起到良好作用，但实验证明含有V2O5、Al2O3杂质的Fe2O3废渣对煤炭燃烧的催化效果更好。

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The Influence of Catalyst Performance on Coal Combustion

Li Jin-ping

China’s long-term development strategy for the coal industry is inseparable from the development of “clean coal technology” to improve the utilization of coal resources.However，in the process of coal combustion，there is incomplete combustion，low efficiency of heat utilization，the use of the process to produce a large number of harmful substances that are prone to pollution to the atmosphere such as soot，carbon monoxide，sulfur dioxide and other gases，so the mention of coal combustion efficiency Society and the country will have a very important significance.The raw materials used in this study are iron oxide slag，and the evaluation index is focused on the burning rate，calorific value release rate and sulfur release rate to study the effect of Fe2O3catalyzed by coal combustion on the combustion performance.Through a series of experimental studies，it is concluded that the combustion of coal can be improved by adding the appropriate catalyst，and the burning rate of coal in the whole combustion process is obviously improved under the action of the catalyst.But the combustion performance of coal will be hampered by several experiments found that the amount of catalyst should be appropriate and a small amount，otherwise it can only be counterproductive.In the experiment，the results of a number of quantitative，for the amount of adjustment，how much added to increase the burning rate for the most appropriate results.

coal combustion catalyst；combustion performance；burnout rate；calorific value release rate

TQ534

B

1003-6490（2017）12-0007-03

2017-10-12

李晋萍（1978—），女，陕西乾县人，讲师，主要研究方向为煤化工应用。