配制燃煤添加剂的研究

焦靖霖，白青子，白云起，任万鑫，冯 静

（黑龙江科技大学环境与化工学院, 哈尔滨 150022）

1 引言

我国是一个能源消耗大国，其主要能源消耗是一次性的能源。煤炭的消耗占一次性能源消耗的80%左右。煤炭的燃烧所带来的热能和动能，既支撑着我国的工业生产，也为工业生产提出了非常严峻地问题，那就是如何合理的充分利用能源材料并且减少燃烧过程中产生的排放污染。我国利用煤燃烧的手段和方法，都是比较原始，比较落后于发达国家的，提高发热量同时减少环境污染方面研究仅仅是刚刚起步。近年来在国家层面上，制定了比较严格的法规措施；在仪器设备上，对装置的设计排放指标有了提高；在治理方法上，主要采用的净化方法分为颗粒除尘和有毒物质的吸收。颗粒除尘的手段仍以机械除尘、火力除尘、过滤除尘和湿式除尘为主。有毒气体的吸收主要是物理和化学吸收以及催化净化和催化燃烧，而对燃烧产生的颗粒尘和有毒物的吸收和去除所需要的硬件，都是整体设备的一部分，由装置制造厂一并购入，安装，运行和维护。诸如燃烧后产生的SOX，NOX的处理，运行时需要的原料（湿法脱硫用的石灰石、石膏、磷铵、氨、钠碱、氧化镁和氧化锌等）需要另行购进，让其与燃料同时消耗,这些措施让燃煤过程增加了很多成本。[1]

本文以不改变燃煤设备，探讨提高燃煤效率，减少环境污染的燃煤添加剂的制备。由于在实际生产中所使用的煤种经常发生变化，针对不同煤种的燃烧特性差别，不同煤种的添加剂最佳添加量也有所不同。由此可见，应根据实际应用情况开展最佳添加量的研究工作，以满足实际应用的需要。根据燃煤过程中化学反应机理，在前期初步探索的基础上，本次研究选择了具有固硫、供氧的单组分物质，并通过单因素优选法探究不同含量Fe3+、Mg2+、KMnO4、盐泥对煤燃烧性的影响，根据所得单组分最佳添加量选取正交试验表L9（34）进行正交试验并分析，以得到最佳配比的促燃减排效果最佳的燃煤添加剂。[2]

2 实验

2.1 燃煤添加剂单组分最佳添加量探究

2.1.1 空白组设置

准确称取(5土0.lg)的三种不同煤样各3份，分别放入100mL坩埚内均匀铺平，放入预热至600℃的马弗炉内，关上炉门并留有15mm左右的缝隙，燃烧12min取出试样，在室温中冷却5min，再放入干燥器中冷却至室温（约20min左右），称重并记录数据，见表1。[3]

表1 三种煤样空白组数据表Table 1 Data sheet of blank group of 13 coal samples

2.1.2 添加不同质量CaCO3的燃烧实验

准确称取(5土0.lg)的三种不同煤样各5份，分别放入100mL坩埚内均匀铺平，依次加入0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g CaCO3（土0.0lg)，充分搅拌均匀后，放入预热至600℃的马弗炉内，关上炉门并留有15mm左右的缝隙，燃烧12min取出试样，在室温中冷却5min，再放入干燥器中冷却至室温（约20min左右），称重并记录数据，绘制燃烧效果图1。

2.1.3 .添加不同质量Fe(NO3)3的燃烧实验

重复2.1.2实验，把CaCO3换成Fe(NO3)3。

2.1.4 .添加不同质量KMnO4的燃烧实验

重复2.1.2实验，把CaCO3换成KMnO4。

2.1.5 添加不同质量盐泥的燃烧实验

重复2.1.2实验，把CaCO3换成盐泥。

2.2 燃煤添加剂最佳组分配比的探究

根据2.1所得单种组分的最佳添加量，选取L9(34)型正交表，设定差值，见表2燃煤添加剂最佳组分配比的实验方案。

表2 燃煤添加剂最佳组分配比的实验方案Table 2 Experimental Scheme for Optimum Component Ratio of Coal-fired Additives

准确称取(5土0.lg)的1#煤样9份，分别放入100mL坩埚内均匀铺平，按表2的配比方案依次加入CaCO3、Fe(NO3)3、KMnO4、盐泥（土0.0lg)，充分搅拌均匀后，放入预热至600℃的马弗炉内，关上炉门并留有15mm左右的缝隙，燃烧12min取出试样，在室温中冷却5min，再放入干燥器中冷却至室温（约20min左右），称重并记录数据。

3 结果与讨论

3.1 单因素考察实验的结果与讨论

根据以上实验部分综合分析对比，无添加剂加入和加入单种燃煤添加剂组分后的燃烧失重效果，对三种煤样进行分析对比。

3.1.1 CaCO3最佳添加量

图1 添加CaCO3后的燃烧效果Fig.1 Combustion effect after adding CaCO3

综合分析图1并考虑原料价格因素选取0.2gCaCO3为最佳添加量。

3.1.2 Fe(NO3)3最佳添加量

将2.1.3实验数据采用3.1.1的方法进行处理并综合分析，选取0.4gFe(NO3)3为最佳添加量。

3.1.3 KMnO4最佳添加量

将2.1.4实验数据采用3.1.1的方法进行处理并综合分析，选取0.4gKMnO4为最佳添加量。

3.1.4 盐泥最佳添加量

将2.1.5实验数据采用3.1.1的方法进行处理并综合分析，选取0.8g盐泥为最佳添加量。

3.2 正交试验的结果与讨论

将表2中所得数据，通过软件计算分析得到表3正交试验直观分析表。[4]

表3 正交试验直观分析表Table 3 Visual analysis of orthogonal experiment

由表3可知实验方案A1B3C3D3为燃煤添加剂最佳组分配比，即在600℃下，添加0.15gCaCO3、0.40gFe(NO3)3、0.40gKMnO4、0.80g盐泥时，煤样失重质量最多，燃烧效果最好。

4 燃煤添加剂最佳配比的测定结果与讨论

4.1 样品制备

根据表3所得燃煤添加剂最佳组分配比准确称取(5土0.lg)的1#煤样，放入100mL坩埚内均匀铺平，依次加入0.15gCaCO3、0.40gFe(NO3)3、0.40gKMnO4、0.80g盐泥（土0.0lg)，充分搅拌均匀后，放入恒温干燥箱烘干2h备用。

另准确称取(5土0.lg)的1#煤样，直接放入恒温干燥箱烘干2h作为对照组备用。

4.2 检测对比

图2 热重分析对比图Fig.2 Comparison of thermogravimetric analysis

经热重分析可知，加入燃煤添加剂后，燃点降低，不同温度失重较多，表明煤炭燃烧比无添加剂时更加充分，污染排放减少。

5 结论

通过以上数据得到如下结论：

1）根据单组分的最佳添加量，选取L9(34)型正交表，设定差值，建立正交试验表。依照正交试验表进行组分配比实验，得出燃煤添加剂各组分的最佳配比为0.15gCaCO3、0.40gFe(NO3)3、0.40gKMnO4、0.80g盐泥。

2）硝酸铁既起到催化助燃的作用，同时又起到降尘的作用。

3）燃煤添加剂在煤样着火中，提高了挥发分量，降低了煤样均相着火温度，缩短了其着火延迟时间，还充当了氧的活性载体，促进了氧气从气相向碳表面的扩散传递，使固定碳的燃尽率提高。