燃煤催化剂对混煤催化燃烧的研究与应用

刘瑞芝，陈新智，李霞

1 引言

我国煤炭资源非常丰富，但储量及煤种分布不均，为了实现不同种类、不同性质煤的优势互补，发挥各煤种的优点，或者为了充分利用当地煤炭资源，做到物尽其用，降低熟料生产成本，部分水泥企业采用混煤或掺烧技术。无烟煤挥发分低，着火温度高，燃烧速度慢，燃尽时间长，但由于其储量丰富而且价格便宜，很多水泥生产企业选择以无烟煤与烟煤混合搭配使用。我们在成功开发并应用无烟煤燃煤催化剂的基础上，又开发了针对混煤的燃煤催化剂，并在华润（岩山）水泥有限公司5000t/d生产线上进行了工业试验。

2 试验用燃煤催化剂

试验采用的燃煤催化剂其主要组成为助燃剂、增氧剂、分散剂、稳定剂、膨松剂等。此种催化剂安全添加量为0.01%～0.05%，对熟料质量和窑设备都无影响，能起到提高煤的活性、降低着火温度、增加发热强度、改善煤的燃尽特性、使煤的燃烧更加充分等作用，从而使窑工况稳定性提高，窑结皮减少，窑投料量增加，NOx排放量减少，熟料强度提高并且达到节煤增产的目的。

3 燃煤催化剂的催化机理

本燃煤催化剂针对不同煤种和不同工况要求，提供针对性配方，适应性强。加入燃煤催化剂一方面可以使挥发分含量增加，析出速率加快，从而降低煤的着火温度，降低反应所需的活化能，使反应在较低的温度下进行，同时增强分子的热运动，提高煤的热传递，进而达到提高燃烧效率的目的；另一方面，燃煤催化剂中的金属化合物被还原成金属，金属一直处于氧化还原循环中，氧气也不断从金属向碳原子传递，加快了氧气的扩散速度，从而促进固定炭的燃烧。从宏观上看，在分解炉内，催化剂能够加快煤的燃烧速度，缩短燃尽时间，提高燃尽率，从而使煤燃烧更完全；在窑内，催化剂可以增加平均放热强度，从而提高火焰温度，使火焰明亮，黑火头减少，窑工况变好，窑系统结皮减少。

本燃煤催化剂不但能在分解炉中节煤，还能降低窑中熟料烧成热耗。针对水泥生产特点，对影响水泥质量的离子进行适当控制，同时添加一些利于水泥烧成的微量元素，一方面可降低生料烧成熔点，使液相提前出现，降低熟料形成活化能，从而降低水泥熟料的烧成热耗；另一方面由于微量元素的晶体诱导作用，可促进熟料中新生C3S的高活化性，提高熟料强度。

4 试验方法

4.1 岩山混煤工业分析

岩山混煤为90%的无烟煤与10%的烟煤混合而成，具体工业分析如表1所示。

4.2 岩山混煤热分析实验

图1和图2为岩山煤粉加催化剂前后的热分析曲线。

表2为岩山煤粉添加催化剂前后的热分析参数对比。其中平均放热强度为单位质量煤粉从开始放热到结束放热时间段的放热量；平均燃烧速度为煤粉在开始着火到燃尽时间段的平均失重量；燃尽率为除去残留质量后的失重量。从表2可以看出，加催化剂后放热起始温度和着火温度分别降低，这表明加催化剂后煤的活性增加，更容易点燃。此外，添加催化剂后煤的燃烧速度和平均放热强度也提高了，这是因为催化剂中的金属氧化物为碳和氧的结合起到了催化的媒介作用，加快了氧气向碳原子传递的过程。

4.3 岩山混煤应用催化剂的工业试验

4.3.1 试验现场及条件

表1 岩山煤粉的工业分析

图1 岩山混煤未加催化剂的热分析曲线

图2 岩山混煤掺加催化剂的热分析曲线

表2 岩山煤粉加催化剂前后的热分析参数对比

（1）燃煤催化剂经过计量泵计量后，滴加在入煤磨皮带秤上，原煤和催化剂经混合粉磨后，由罗茨风机送入窑头和分解炉，试验加入量为原煤用量的0.03%。

（2）试验时间分为2012-06-12～2012-06-19 和 2012-06-21～2012-06-28。第一阶段为未添加催化剂的空白试验，第二阶段为添加催化剂的对照试验，每个阶段8d左右时间。

4.3.2 试验数据采集

试验通过分别采集使用燃煤催化剂前后烧成系统的运行数据进行对比，从而验证该催化剂的节能效果。中控操作人员每小时记录运行数据，包括窑喂料量、窑电流、窑转速、预热器与分解炉温度、压力及烟气成分、窑头及窑尾喂煤量、煤粉细度及工业分析、生熟料化学分析等，填写催化剂工业试验记录表。系统24h连续运转，以减少系统间断运行造成的误差，增强记录数据的准确性。

5 工业试验数据分析

5.1 产量对比

统计空白期间未加催化剂与加入催化剂的熟料产量，未加催化剂空白试验期间的日均熟料产量为5203.8t/d，加入催化剂期间的日均熟料产量为5425.0t/d，其中加催化剂试验的第5天的7:20～9:00时段生料提升机出现故障，止料停窑，该日产量较低，但仍然可见加催化剂期间熟料产量明显增加，经计算增加了4.25%，这是由于加入催化剂后煤粉燃烧速度加快。由热分析实验得知燃尽率增加了0.66%，分解炉内与窑内温度上升，窑电流上升，烧成系统工况比较稳定，使得熟料产量上升。

5.2 游离钙合格率对比

华润（岩山）水泥有限公司规定游离钙在低于1.5时视为合格，从图7可以看出，未加催化剂游离钙含量合格率平均为86.5%，而加催化剂后游离钙含量合格率平均为92.6%，提升了7.08%。加催化剂试验第6天游离钙合格率较低是因为配料饱和比较高（熟料KH达到0.929），另外该日窑皮掉落较多。游离钙合格率提升是由于催化剂促进煤粉燃烧更完全，火焰热力强度增大，窑内煅烧温度提高，熟料煅烧过程中C2S被CaO饱和成C3S的程度提高。

5.3 熟料升重对比

从图8可以看出，未加催化剂时熟料升重的平均值为1173g/L，而加入催化剂后熟料升重有明显提升，平均值为1272g/L，提高了99g/L，提高率为8.46%。尽管熟料的升重受到很多因素的影响，但是从煅烧温度提高的角度讲，催化剂可促进煤的燃烧，提高煅烧温度，优化矿物结晶情况，对提高立升重是有益的。

5.4 NOX排放对比

从图9可以看出，加入催化剂后废气总管出口NOx排放量降低了7.45%。在燃烧过程中，NO的形成基本在高温区，温度脉动越大，峰值温度越高，烟气中NO的浓度越大。加入催化剂后，一方面加强了燃烧的稳定性，避免了窑内高温温度脉动，减少了窑内NO的形成量；另一方面，加入催化剂后，由于燃烧速度加快，用吸附态氧和晶格氧对C进行氧化，减少了燃料N向NOx的转化。

5.5 节煤率

表3为加入催化剂期间的节煤率，这是从试验8d期间的生料投入量、熟料产量、煤粉消耗量、燃煤热值计算出的标准煤耗得出的。其中：

熟料产量=生料投入量÷1.57

节煤率=（空白煤耗-加剂煤耗）/空白煤耗×100%

加入催化剂后，分解炉内煤粉的燃烧速度增加，煤粉燃尽率提高，使得分解炉出口温度增加，此时为了控制分解炉出口温度可以适当降低分解炉的喂煤量。另外，在窑内加入催化剂后，液相提前出现，降低了熟料形成所需的活化能，使得燃烧环境变好，窑电流稳定上升，这样可以适当减少窑头的喂煤量。以上因素使得整个烧成系统的喂煤量得以下降，从而体现了节煤的效果。

根据计算机实时记录的数据进行统计分析，研究燃煤催化剂对华润（岩山）水泥有限公司的节煤状况，由表3中数据可知，掺加催化剂时，吨熟料标煤耗用量减少了8.34kg，下降了7.3%，节煤效果显著。

6 结论

该催化剂能使煤粉燃尽率提高，在以用煤量的0.3‰的比例从磨头原煤秤处添加该燃煤催化剂后，窑工况稳定，窑结皮减少，熟料产量增加4.25%，NOX排放量减少7.45%，熟料标煤耗降低7.3%，熟料升重提高了8.46%。催化剂的使用有效降低了烧成系统的热耗，起到了节煤增产、降低NOX排放、显著改善窑况等作用。

表3 加入催化剂期间的节煤率*

由于该燃煤催化剂节能效果明显，其使用经济性较强，以5000t/d生产线为例，假设其实际产能为5300t/d，一天约使用850t煤炭，煤炭价格按照850元/t，催化剂干粉价格按38000元/t计算，则一天使用催化剂的成本为38000×850×3×10-4=9690元，每吨熟料使用催化剂成本为1.8元。如果使用催化剂节煤率为4%，则一天通过节煤减少成本为850×4%×850-9690=19210元，折合成每吨熟料收益为3.62元/t。如果该厂运转率按照90%计算，则其使用燃煤催化剂仅节煤一项其一年收益可达到 3.62×5300×365×90%=631万元。随着煤炭价格的上涨，此催化剂的经济性将更加明显。

综上所述，此燃煤催化剂在技术上和经济上都具有明显优势，能为企业带来显著的经济效益和社会效益，可为当前节能减排工作做出突出贡献。

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