催化劑對高熱煤燃燒特性的影響研究

郁建國　郁建元

摘 要：利用堿金屬類催化劑對高熱煤進行催化燃燒實驗，實驗使用綜合熱重分析儀研究了煤粉中添加催化劑后其燃燒特性。實驗研究結果表明，煤的燃燒受催化劑種類及擔載量的影響，NaCl、CaCO3、CeO2、Fe2O3對煤粉燃燒都有或多或少的催化作用，且催化作用的方向不同。Fe2O3使煤粉燃燒更劇烈；CaCO3、CeO2降低煤粉燃燒的放熱量，使煤粉燃燒不穩定；NaCl的加入，對煤粉燃燒燃燒點沒有太大的影響，但是出現波峰的峰值較大，提高了煤粉燃燒的放熱量，且后期再次出現波峰，增加了煤粉持續燃燒的能力。NaCl的最佳添加量為10%。

關鍵詞：熱重分析 催化 燃燒

中圖分類號：TQ015.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（b）-0220-02

造成大氣環境污染霧霾最主要的因素就是煤煙型大氣污染，尤其是煤煙中含有大量的PM2.5[1]。煤炭在燃燒過程中，存在很多問題（著火溫度高、燃燒速率低及燃不盡等）使得煤炭在燃燒中得不到有效利用，污染排放嚴重。如何提高煤炭的利用率，近年來許多研究者做了大量的研究工作，學者的研究結果表明，催化劑可以有效地提高煤粉的燃燒效率[2-4]。張淑會[5]等針對氯化物對高爐噴吹用煤粉燃燒性能研究，結果表明，適量的CaCl2，MgCl2，NaCl和FeCl3均能改善高爐噴吹用煤的燃燒性能。楊友，羅俊韜[6]對高溫條件下催化劑對煤粉燃燒特性進行了研究，研究結果表明KNO3的催化效果好于NaCl和錳礦物質，隨著添加劑量的增加，燃燒率在添加量1%處出現了拐點。是為了實現燃煤高效、潔凈的燃燒，采用了燃煤添加劑。該文利用綜合熱重分析儀，通過添加堿金屬等催化劑對開灤高熱煤燃燒特性進行深層研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗選取的是開灤煤，粒級為150～100um。煤工業分析及元素分析如表1。

催化劑原料采用化學試劑級，純度大于99%，粒徑為130um以下。催化劑與煤粉混合方式為先用蒸餾水混拌，然后在80℃下烘干，再用研缽混合10min；催化劑質量分數為7～13%。

1.2 實驗儀器

采用綜合熱重分析儀（DTA），以10℃/min升溫的速率由室溫升溫到95℃，然后恒溫5min，以干燥脫水，繼而以15℃/min的升溫速率快速升溫到1000℃，采集溫度為 100℃～1000℃。試驗過程中動態記錄樣品坩堝和參比坩堝中溫差隨時間的變化，經畫圖軟件處理得到DTA的熱分析結果。

1.3 實驗方法

（1）最佳單一催化劑種類的選擇。

分別研究加入相同百分數不同種類的催化劑對煤粉燃燒的影響，得出最佳催化效果的單一催化劑。實驗方案見表2。

（2）最佳單一催化劑最佳用量的確定。

選用最佳單一催化劑用量為7%、9%、10%、11%、13%，分別進行常規DTA，參比DTA實驗。

2 結果與討論

2.1 催化劑種類對催化燃燒反應性的影響

用常規DTA法分別測出原煤、原煤+NaCl、原煤+CaCO3、原煤+CeO2、原煤+Fe2O3常規DTA曲線。原煤DTA曲線見圖1。

加入NaCl的煤粉試樣也是在350℃左右出現波峰，則說明催化劑對煤粉的燃點無較大影響，但是加入NaCl的煤粉在480℃左右出現了第二個波峰，且以后DTA數值大于原煤對應溫度下的數值，則說明NaCl的加入，增加了煤粉持續燃燒的溫度。

加入原煤+CaCO3的煤粉試樣對煤粉的燃燒的燃點沒有太大的影響，與原煤相比他在后期能夠促進煤粉的持續燃燒，但是與加入NaCl的煤粉試樣的燃燒情況對比，CaCO3加入的煤粉催化燃燒后期溫度沒有NaCl加入的溫度高。NaCl比CaCO3催化效果要更好一些。

加入原煤+CeO2的煤粉試樣對煤粉燃燒的燃點也沒有太大的影響，但是DTA數值比原煤小很多，這就說明煤粉燃燒放出的熱量減少了，使得DTA數值減小。但是后來出現了一系列波峰與波谷，這表明催化劑的加入對煤粉燃燒起到很大影響，使煤粉燃燒情況很不穩定。與前兩種催化劑加入催化燃燒的情況相比，催化效果縱然很明顯，但是總體效果較差。

加入原煤+Fe2O3的煤粉試樣燃燒的第一個波峰出現在500℃左右，明顯增高了煤粉的著火點，使煤粉不易于燃燒。隨后一直作用于煤粉的燃燒過程，使得煤粉持續高效燃燒并出現三次波峰，且峰值呈現遞增趨勢，這表現出煤粉的快速燃燒。但是在700℃后DTA數值明顯下降，催化作用依然很明顯，但是溫度較低且不穩定。

比較上述四種催化劑對開灤煤燃燒特性的影響，NaCl的加入，對煤粉燃燒燃燒點沒有太大的影響，但是出現波峰的峰值較大，提高了煤粉燃燒的放熱量，且后期再次出現波峰，增加了煤粉持續燃燒的能力。CaCO3的加入，也沒有對煤粉燃燒燃點有太大影響，后期持續作用雖然有所增強，但是不如NaCl的催化作用強。CeO2的加入，降低了煤粉燃燒的熱值，雖然波峰跨度增大，但是效果不行。Fe2O3的加入，使得煤粉燃燒滯后，燃燒中期作用很強，但是到達后期對煤粉燃燒起了負面作用，不予采納。

2.2 最佳單一催化劑最佳用量的確定

別測出原煤+7%NaCl、原煤+9NaCl3、原煤+11%NaCl、原煤+13%NaCl常規DTA曲線。分別分析7%、9%、10%、11%、13%參入量對煤粉燃燒的影響。

加入7%NaCl煤粉的燃燒相對于10%NaCl加入量煤粉的燃燒波峰出現的溫度大致相同，10μv左右，且后來也沒有出現二次峰，后期催化效果明顯不如10%NaCl加入量煤粉的燃燒。

9%NaCl加入量的煤粉燃燒相對于10%NaCl加入量對煤粉的燃燒的催化作用很相近，但是9%NaCl加入量煤粉燃燒的一次峰值較小，后期對煤粉燃燒的催化作用很明顯屢屢出現波峰、波谷。但是放熱量相對較小。

11%NaCl加入量的煤粉前期較10%NaCl加入量煤粉催化效果要好，雖然峰值比較低，但是波峰的跨度大。且持續作用于煤粉的燃燒。在煤粉燃燒后期，催化作用很明顯但其放熱量較小。

13%NaCl加入量的煤粉燃燒再出現波峰前后與10%NaCl加入量的煤粉燃燒大致相同，但是由于加入量過大，后期的催化效果明顯不足。在860℃以后對煤的燃燒起到負面作用。

通過比較六條曲線，7%NaCl加入量煤粉的燃燒始終低于原煤粉的燃燒，起到負面作用。9%NaCl、11%NaCl加入量雖然波峰較原煤燃燒低，但是后期對煤粉的燃燒催化作用比較明顯。13%NaCl加入量的煤粉前期對煤粉燃燒催化作用不明顯，后期明顯降低了煤粉的熱值。10%NaCl是最佳的添加量。

3 結語

（1）NaCl、CaCO3、CeO2、Fe2O3對煤粉燃燒都有或多或少的催化作用，且催化作用的方向不同。NaCl的加入使開灤煤粉燃燒劇烈，綜合催化作用最好。Fe2O3使煤粉燃燒更劇烈。CaCO3、CeO2降低煤粉燃燒的放熱量，使煤粉燃燒不穩定。

（2）通過比較單一催化劑相同用量的加入，得到四種催化劑中催化作用最好的是NaCl。

（3）在經過改變NaCl的加入量來尋找最佳的NaCl加入量，分別對7%、9%、10%、11%、13%加入量進行實驗，在分析了常規DTA曲線與參比DTA曲線后得到了NaCl的最佳添加量是10%。

參考文獻

[1] 陳彥杰.煤炭催化燃燒實驗研究[J].中國新技術新產品，2014（10）：102-103.

[2] 公旭中，郭占成，王志.Ca-Fe-Ce系催化劑對無煙煤燃燒的影響[J].燃料化學報，2009，37（4）：466-471.

[3] 肖健立，康華，王振陽.燃煤催化劑催化機理的探討[J]，煤炭技術，2002，21（11）.

[4] 王樹東，吳迪鏞.添加劑對煤燃燒性能影響的研究[J]，燃料化學報，1998，26（3）.

[5] 張淑會，武兵強，劉小杰，等.幾種氯化物對高爐噴吹用煤粉燃燒性能的影響[J].煤炭學報，2014，39（S2）：526-530.

[6] 楊友，羅俊韜.高溫條件下催化劑對煤粉燃燒性能的研究[J].中氮肥，2014（3）：37-40.