化学干预煤炭催化燃烧节煤技术介绍

作者:本站原创 2017年02月23日

1  化学干预燃烧节能原理

从煤炭燃烧的本质看项目采用化学干预催化节能的可行性,煤炭燃烧实质上是碳氢化合物被氧化生成CO2H2O并放出热能的过程。以C的燃烧过程为例,其化学反应方程式是:

C+O2→CO2 ΔH=-94.1×4.184kJ/mol

上式中,ΔH是反应放出的热能,简称“焓变”。焓变的实质是断开或者形成化学键所产生的能量变化。在炭被氧化生成CO2的过程中,有两种化学键发生了变化,其中一种是氧分子[O2]中氧原子之间的双键被断开,如下式:

O=O→O+O

另一种是炭原子和2个氧原子形成的2个炭氧双键,如下式:

O+O+C→O=C=O

热力学测定结果表明:断开1mo1氧分子双键,需要吸收96×4.184kJ热能;形成1mo1炭氧双键,可以放出171×4.184kJ热能;1CO2分子含2个炭氧双键,所以生成1mo1CO2,可放出2×171×4.184kJ热能,如下图1所示。这个能量如此之大,相当于每1千克炭氧化后可以放出28500×4.184kJ热能,比热工计算中确定的标准煤炭发热值高出许多,那么它多出的热能到哪里去了呢?





1煤炭燃烧步骤

 

从上图1可以知道,煤炭燃烧实际上是分两步进行的。

第一步,氧分子[O2]离解成氧原子[O],其热效应我们用ΔH1表示。与此同时,炭原子被活化,炭的活化实质是炭原子内的成键电子从低能轨道向高能轨道跃迁,达到成键能态的过程,所需的能量称为活化能,这个能量我们用ΔH2表示。这一步的两个过程需要吸收大量热能(ΔH1+ΔH2),几乎煤炭燃烧所放出的热能有70%被其消耗掉。

第二步,氧原子[O]与活化状态下的炭原子化合生成CO2,这一步是个成键反应,放出大量热能。我们用ΔH3表示,实际上我们平常讲的标准煤发热值不是指第二步反应所放出热量的全部,而是指第二步反应放出热量值与第一步反应所吸收的热量的代数和,我们用方程ΔH=ΔH3+ΔH1+ΔH2)来表示。

然而,第二步反应所放出的热量是不变的,即ΔH3是一个恒量。如果能够降低第一步反应所吸收的热量,即减少(ΔH1+ΔH2)的值,就可以提高煤炭的发热量ΔH

由以上分析可知,根据表面吸附反应原理,设计带正电荷中心的能吸附氧分子[O2]的催化剂,可使氧分子变形并迅速将它的双键断开变成氧原子[O]。随后,活化了的炭原子和氧原子结合生成CO2分子后离开催化剂表面,如此循环不断,如下图2所示。


2 化学干预煤炭催化燃烧节煤剂的作用原理

 


3催化剂对燃烧活化能的影响

从催化剂能使反应活化能降低,并不改变初始反应物和反应生成终产物的原理,其实质是给反应提供了一条较低能量的反应途径,如图3所示,化学干预煤炭催化节煤剂能够很好的降低燃烧反应的活化能,即降低燃烧过程的内耗,实现从根本上、源头上的节能。

 

 2  化学干预煤炭燃烧固硫和抑制氮氧化物生成机理

煤炭燃烧过程中的固硫效应,主要是煤炭中的CaOSOx在高温下反应形成CaSO4而固定在渣中。从固硫反应的过程来看,CaO固硫初期为表面化学反应控制阶段,然后转变为扩散控制阶段。由于生成的CaSO4体积比CaO大,导致CaO颗粒表面被CaSO4覆盖,CaO颗粒中的空隙被CaSO4填充,影响CaO的固硫效果。化学干预煤炭燃烧催化剂中通过引入Fe等元素,能够起到促进SO2的扩散、弱化CaO固硫反应孔窒息效应的作用,从而加强燃料本身所含有的CaO的固硫效果。

燃烧过程中NOx的生成有以下3种途径:1)燃料型NOx (Fuel NOx),由燃料中的氮化物热分解后氧化产生;2)热力型NOx (Thermal NOx),空气中的N2在高温下氧化而成;3)快速型NOx (Prompt NOx),由空气中的N2与燃料中的碳氢离子团(CH)反应产生。化学干预煤炭催化燃烧节煤剂能够起到降低燃烧活化能、加速燃烧、集中释放热能的作用,从而缩短燃烧的时间,进而减少热力型NOx的生成。同时,化学干预煤炭催化燃烧节煤剂能够起到将空气中的O2离解成活性氧原子[O]的作用,使得燃烧氛围中活性氧原子[O]的浓度高,从而可以促使CHi自由基的氧化反应,抑制了CHi自由基和N2的反应,从而达到减少快速型NOx的目的。

 

3  项目的原理和技术创新性

1)原理创新

本项目采用在煤中加入少量的化学添加剂的方法改变煤的燃烧性能,并借助自主研发的成套自动化催化剂添加设备使得煤在燃烧过程中,借助催化剂的催化作用,实现提高分子活度、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,既可提高煤的燃烧强度和炉膛温度,改善煤的燃烧性能,又可较大幅度降低空气过剩系数,降低废气排放量,达到节煤、减少环境污染的目的。该技术是从煤炭燃烧过程着手的节能方法,有别于现今采用改进设备、添加受热释放氧气的物质等实现节能的方法,是一种从根本上实现节能的方法,能够适应于任何燃煤过程。同时,该技术的研究成果,对有机物需氧燃烧的过程都具有广泛的适用性,对生物质能源、其他化石燃料等的节能、减排等亦具有重要的研究和推广意义。

2)技术创新

1)多组分系统催化效应的研究,化学干预煤炭催化燃烧节煤剂的制备

目前在煤炭催化燃烧节能领域,通过采用多组分催化化学干预燃烧过程,提升煤炭显热发热量达5%以上的产品未见研究和报道,同时,能够应用于新型干法旋窑和电厂的节煤产品,国内还鲜有生产和应用。因此,对比市场和现有的研究情况,本项目确定的技术参数指标提升热值等具有突破性和前瞻性。

由于目前市场上销售的节煤产品,基本上是采用能够在高温下放出氧气的物质和一些辅料做成,随着现今锅炉改造和燃烧技术的进步,该类型产品均无法在燃烧效率高的先进锅炉上使用,因此其应用具有很大的局限性。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,节能效果能够实现按照国家标准(氧弹法测热量)测出,能够适用于任何燃煤锅炉。目前,国内外还没有同类产品销售。

2)在不同类型煤炭上的实际应用技术

由于不同产地和类型的煤炭中微量元素的含量不同,由于催化剂的作用效果易于受到杂质的干扰,因此,研究不同类型和产地煤炭的微量元素分布,以及对催化效果的影响和催化剂配方的调整是项目能够广泛应用的关键。项目通过采用聚类分析等手段,对煤炭产地和类型进行聚类分析,通过对不同聚类的煤炭针对性的改进配方,提升产品的适用性。

3)本项目通过采用自动化控制技术,实现皮带秤的输送煤炭过程中,化学干预煤炭催化燃烧节煤剂的定量添加,保证了添加的准确性和实际应用效果。

 

2.4与其他节煤产品的对比

目前,国内外对燃煤节能采用的主要的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),通过这种模式来提高燃烧过程中的供氧量,到达提高燃尽率的目的,从而提高热效率;但是,随着燃烧设备的发展,目前新型的燃烧设备已经可以使得燃烧的效率达到98%以上(比如:水煤浆炉、直吹式煤粉炉等设计燃烧效率都在98%以上),采用加入受热过程中能够放出氧气的物质混合燃烧难以提高煤炭的燃烧效率,该类型的节煤产品无法适用于未来发展的需求,因此,研究新型的催化节煤产品是市场和社会发展的必要。由于目前市场上销售的节煤产品,基本上是采用能够在高温下放出氧气的物质和一些辅料做成,随着现今锅炉改造和燃烧技术的进步,该类型产品均无法在燃烧效率高的先进锅炉上使用,因此其应用具有很大的局限性。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,节能效果能够实现按照国家标准(氧弹法测热量)测出,能够适用于任何燃煤锅炉。目前,国内外还没有同类产品销售,该产品研制成功后将具有广阔的市场空间和实际应用价值。同时,该技术能够推广应用于其他化石燃料、生物质燃烧等领域,对推进高性能催化燃烧、节能减排等具有重要的推动作用。

当前,国内外在燃煤催化剂的研究方向主要有以下几个:

1)、催化剂原材料的选择。催化剂的活性是影响其催化作用的主要因素,而其活性与元素性质和分子结构等有关。除此之外,催化剂原材料的选择,还应考虑以下三个方面。a)应考虑到煤燃烧催化剂的两大作用既是燃烧促进剂也是硫、氮氧化物的还原剂以便防止催化剂带来二次污染;b)按照催化剂的添加方式的需要,最好能保证原材料的可溶性以改善催化剂的应用效果。c)原材料的成本,以提高催化剂的实际应用效益。

2)、添加方式的研究。目前,能够接受的添加燃煤催化剂的方式有直接混入和喷洒两种方式。为了提高催化剂在煤中的分散程度以便达到最好的催化效果,离子交换法应运而生,然而此方法工艺复杂难以实现工业化生产。因而,有必要对改善催化剂分散程度添加方式进行更深入的研究,以推进其实际应用进程。

3)、催化剂的配方。由于起催化作用的物质中的不同离子间具有相互促进或遏制作用,同时,实际工业燃烧的煤质因产地不同而波动较大。因而,需要在总结单一化合物催化实验研究的基础上,研究性能优良、适应性强的复合型催化剂。

4)、添加量的研究。催化剂的添加量直接影响催化效果,用量不足,作用微弱;用量过多,不仅费用增加,催化效果也可能减弱。合理的配方既要规定催化剂成分的种类,又要规定各种成分的用量配比。此外,由于实际工业生产中所使用的煤种经常变化,并且不同煤种的燃烧特性有所差异,因而,不同煤种的催化剂最佳添加量也会不同;此时要充分考虑煤中灰分的催化作用。

总之,经过对燃煤催化剂长期广泛的研究,燃煤催化剂的种类已逐渐多样化,其催化机理亦逐渐深人。随着对燃煤催化剂的原材料的选择、配方、添加量及其方式的进一步深人研究,燃煤催化剂的应用将更加广泛。

对比目前市场上销售的增氧助燃型、助磨助燃型节煤剂,本公司的化学干预煤炭催化燃烧节煤产品具有如下创新优势(见表1)。

表1 产品对比

产品类型

增氧助燃型

节煤剂

助磨助燃型

节煤剂

化学干预煤炭催化燃烧节煤剂

适用范围

燃烧不充分的燃煤锅炉、立窑水泥厂

煤炭粉磨效果差新型干法旋窑、锅炉

适用于任何煤炭用于直接燃烧的场合,包括新型干法旋窑水泥、立窑水泥、煤粉炉电厂、循环流化床锅炉、水煤浆锅炉等。

产品类型

固态

粘稠液体

液体

SOx、NOx减排效果

减排10~30%

运输安全性

多为高锰酸钾、硝酸钠等危险性物质,运输较危险

多为易燃粘稠油类、易燃有机物混合而成,运输危险

采用过渡金属有机化合物,产品自身不燃不爆,运输安全

节能效果

在燃烧效率低的锅炉、立窑等场合下,有一定的节煤效果

节煤效果不显著,但能改善燃烧的状况

实际节煤效果不小于5%

对锅炉的腐蚀性

由于含有K、Na等元素,可造成锅炉受热面和耐火材料的严重腐蚀

轻微

无腐蚀

 


 



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