煤炭催化燃烧实验研究

陈彦杰

（重庆工程职业技术学院，重庆 沙坪坝 400037）

概述

煤烟型大气污染是中国环境污染的重要因素，尤其是燃煤PM2.5是造成中国雾霾天气的主要原因之一。传统煤炭燃烧过程中普遍存在着火温度高、燃烧速率低及燃不尽等问题，使得煤炭燃烧有效利用率低、污染物排放严重。煤炭催化燃烧技术，通过应用游离基催化及扩散燃烧机理，可以有效地改善燃煤燃烧的动力学特征，可以降低煤炭的着火点、提高煤炭燃烧速度及燃烧效率，达到节煤的目的，同时可以减少粉尘、氮氧化物、硫氧化物以及其它燃烧副产物等污染物的排放。目前，煤炭催化剂研究主要集中于卤化物类、硝酸盐类、碱金属、碱土金属盐类物质及稀土元素等。这些催化剂基本上为纯净的化学物质，价格昂贵，难以实现工业应用。本文尝试对工业生产中的相关废料催化煤燃烧的效果进行深入的研究，以达到寻找高效廉价助燃剂之目的，取得显著的经济效益和社会效益。

1 煤炭催化燃烧实验设计

1.1 实验原料

采用工业应用混合煤，碾磨成80%的煤粉粒度小于80网目的煤粉。原料工业分析如表1。实验用的催化剂主要为工业性高锰酸钾、硫铁矿烧渣、电解金属锰浸出渣。硫铁矿烧渣、电解金属锰浸出渣主要化学组成分别见表2。硫铁矿烧渣、电解金属锰浸出渣同样碾磨至粒度小于80网目。

图1 原煤粉及添加不同用量高锰酸钾后煤粉催化燃烧特性

1.2 实验方法

采用WRT-3P量热天平分析仪进行煤粉燃烧特性研究。实验条件：稳态流动空气中，空气的流速为100mL／min，以15K／min的升温速率为试样升温，实验样品总质量为20mg（误差<2%）。研究不同种类的催化剂在不同添加量的情况下，对煤粉催化燃烧特性的影响。利用量热天平分析仪进行煤粉燃烧特性，研究记录试样质量随温度的变化即得热重曲线。

表1 煤样化验指标

2 煤炭催化燃烧实验结果与分析

煤样添加催化剂前后的TG-DTG图可用热重分析仪获得，可以绘制出1-升温速率曲线，2-煤燃烧热重微分曲线DTG和3-煤燃烧热重曲线TG。在DTG曲线上，过峰值点作垂线与TG曲线交于一点M，过M点作TG曲线切线。该切线与失重开始时平行线的交点所对应的温度定义为着火温度；该切线与失重结束时平行线的交点所对应的温度定义为燃烬温度；M点所对应的温度为最大失重速率温度。

表2 硫铁矿烧渣和电解金属锰浸出渣的主要化学组成（%）

2.1 高锰酸钾对煤粉燃烧特性的影响

先对原煤粉做热重曲线，然后取高锰酸钾添加量分别为煤粉重量的0.5%、1.0%和1.5%时，做煤粉催化燃烧的热重曲线，测定结果如图1。

l-升温速率曲线；2-煤燃烧热重微分曲线DTG； 3-煤燃烧热重曲线TG

通过图1分析，煤粉中添加高锰酸钾催化燃烧，能有效降低煤粉的着火点、加快煤粉燃烧失重速率，并降低煤粉燃烧燃烬温度。当添加1%高锰酸钾时，煤粉催化燃烧效果最好，着火点降低约20℃，最大失重速率温度降低了50℃左右，燃烬温度降低了约60℃。

2.2 硫铁矿烧渣对煤粉燃烧特性的影响

取硫铁矿烧渣添加量分别为煤粉重量的0.5%、1.0%和1.5%时，做煤粉催化燃烧的热重曲线，并与原煤粉热重曲线做了对比，测定结果如图2。

通过图2分析，煤粉中添加硫铁矿烧渣催化燃烧，能有效降低煤粉的着火点、加快煤粉燃烧失重速率，并降低煤粉燃烧燃烬温度。当添加1.5%硫铁矿烧渣时，煤粉催化燃烧效果最好，着火点降低约40℃，最大失重速率温度降低了30℃左右，燃烬温度降低了约30℃。

2.3 电解金属锰浸出渣对煤粉燃烧特性的影响

取电解金属锰浸出渣添加量分别为煤粉重量的0.5%、1.0%和1.5%时，做煤粉催化燃烧的热重曲线，并与原煤粉热重曲线做了对比，测定结果如图3。

通过图3分析，煤粉中添加电解金属锰浸出渣催化燃烧，能有效降低煤粉的着火点、加快煤粉燃烧失重速率，并降低煤粉燃烧燃烬温度。当添加1.0%电解金属锰浸出渣时，煤粉催化燃烧效果最好，着火点降低约30℃，最大失重速率温度降低了80℃左右，燃烬温度降低了约70℃。

3 煤炭催化燃烧机理研究与探讨

高锰酸钾作为强氧化剂，在300℃左右分解出O2和MnO2。MnO2在高温下被煤中焦炭快速还原成金属Mn，促进煤中C-C的断裂，形成挥发分；同时，MnO2在被还原成金属Mn的过程中为焦炭提供氧离子，改变焦炭表面活性，促进焦炭的燃烧。然后，金属Mn在高温下又被氧化成MnO2，并再次被还原释放出氧离子，从而实现周而复始的催化作用。煤炭释放出的挥发分着火点较低，在与O2接触后迅速燃烧，加快了煤粒着火初期的火焰传播速率，从而减低了煤炭的着火温度。挥发分的燃烧迅速提升了燃烧空间的温度，进一步促进了煤炭燃烧速度，增强了煤炭燃烧失重速率，并最终减低了煤炭燃烬温度。硫铁矿烧渣中主要起催化燃烧作用的是Fe2O3，电解金属锰浸出渣中主要起催化燃烧作用的是MnO 、Fe2O3和K2O 。这些金属化合物催化燃烧机理和MnO2相同，遵循氧传递催化理论。

图2 原煤粉及添加不同用量硫铁矿烧渣后煤粉催化燃烧特性

图3 原煤粉及添加不同用量电解金属锰浸出渣后煤粉催化燃烧特性

结语

利用热重分析法研究了高锰酸钾、硫铁矿烧渣、电解金属锰浸出渣对煤炭的催化燃烧性能和动力学的影响。结果表明：这些物质都可以在一定程度上降低煤炭燃烧的着火温度、最大失重速率温度和燃烬温度。MnO2、MnO、Fe2O3和K2O 等金属氧化物是起催化燃烧作用的物质成分，各成分的催化燃烧机理符合氧传递理论。

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