燃煤催化劑在高熱值煙煤水泥廠的應用

劉瑞芝，王文薈，韓磊磊，王秀龍，趙艷妍

1 引言

煤炭是我國水泥行業的主要燃料，燃料的選取在很大程度上決定了一個水泥企業的經濟效益。限于當前的工藝水平，使用劣質煤存在的問題較多，如：著火溫度高，燃燒速率慢，燃盡時間長等。一般大中型企業多使用較優質的煙煤，但優質煙煤價格較高。在目前煤炭供應日趨緊張的形勢下，應用燃煤催化劑節煤增產是水泥廠優選的一個思路。應用天津水泥工業設計研究院有限公司開發的燃煤催化劑可以降低著火點、加快煤的燃燒速率、減少燃盡時間、提高燃盡率、節約成本。國內外針對電廠或工業鍋爐用煤的催化燃燒已進行了大量研究[1-5]，實踐證明催化燃燒是很有效的方法。但由于水泥生產過程中，煤燃燒灰渣也將參與水泥熟料的燒成過程，電廠或工業鍋爐所用催化劑有可能會對水泥性能產生不利影響，所以不能直接被水泥窯使用。天津水泥工業設計研究院有限公司開發的高熱值煙煤應用的燃煤催化劑近期在華南某廠進行了工業試驗，取得了顯著的節煤效果。

2 燃煤催化劑簡介

試驗采用的燃煤催化劑由天津水泥工業設計研究院有限公司開發，其主要組成為助燃劑、增氧劑、分散劑、穩定劑、膨松劑等。此種催化劑安全添加量為萬分之一到萬分之五，對熟料質量和窯設備均無影響，能起到提高煤的活性、降低著火溫度、增加發熱強度、提高煤的燃盡特性、使煤的燃燒更加充分等作用，同時能提高窯工況穩定性，減少窯結皮，增加窯投料量，減少NOX排放量，提高熟料強度，達到節煤增產的目的。

燃煤催化劑的催化作用主要表現在兩方面：一是對揮發分燃燒的催化作用；二是對固定碳燃燒的催化作用。下面分別從這兩方面分析助燃添加劑的催化機理[6]。

（1）燃煤催化劑的加入使揮發分含量增加，析出速率加快。由于添加劑能夠催化煤中橋鍵的分解斷裂反應，使氣態揮發分較快釋放出來，增加易燃的揮發分含量，從而降低煤的著火溫度，降低反應所需的活化能，使反應能在較低的溫度下進行，達到提高燃燒效率的目的。同時，C-C鍵的斷裂反應加強，煤中相對較小的分子增多，從而增加了分子的熱運動，提高了煤的熱傳遞。

（2）燃煤催化劑對煤粉燃盡度的影響還表現在對固定碳燃燒的催化作用。當大部分的揮發分釋放完畢，周圍的氧氣逐漸擴散到煤粉裂解后的焦炭表面并滲透到其孔隙結構中時，氧氣和焦炭反應生成二氧化碳和水為主的產物并往外擴散。此時，促進氧氣與焦炭的充分接觸能夠提高煤粉的燃盡度。而催化過程主要就是氧傳遞的過程。添加劑中的金屬化合物受熱分解出金屬離子，可以促進C=O鍵的形成和加強，C=O鍵作為電子給予體與具有未滿d能帶的過渡金屬形成絡合物CO-M+（M+為添加劑的金屬離子），該絡合物可以作為反應活性中心，其反應式為：

CO-M++O2→MO+CO2

4MO+C→2M2O+CO2

M2O+1/2O2→2MO

首先，中間絡合物氧化分解成金屬氧化物MO，緊接著金屬氧化物MO被碳還原成金屬或低價金屬氧化物M2O，然后依靠金屬或低價金屬氧化物吸附氧的能力，M2O又反應成為金屬氧化物MO，就這樣金屬一直處于氧化-還原的循環中。由于氧不斷從金屬向碳原子傳遞，加快了氧氣的擴散速率，從而起到促進固定碳燃燒的作用。

3 工業試驗過程

3.1 華南某廠情況介紹

該廠位于華南某省中部地區，設計規模為日產4 500t熟料，2011年11月投產，回轉窯規格為? 4.6m×68m。試驗期間系統用煙煤熱值為25 080kJ/kg左右，煤粉工業分析見表1。

3.2 催化劑添加設備

催化劑為干粉形態，噴灑過程中需采用高速攪拌設備使其與一定量的水混合均勻。工業試驗時催化劑添加位置如圖1所示。為保證催化劑能同時作用于分解爐與回轉窯，將攪拌后的催化劑水溶液加到煤磨前的皮帶秤上。圖2為現場催化劑添加設備圖，圖3為現場催化劑噴灑位置圖。

表1 試驗期間煤粉工業分析

圖1 工業試驗時催化劑添加位置示意圖

圖2 現場催化劑添加設備圖

圖3 現場催化劑噴灑位置圖

通過試驗分別采集使用燃煤催化劑前后燒成系統的運行數據，對比驗證該催化劑的節能效果。中控操作人員記錄每小時運行數據，包括窯喂料量、窯電流、窯轉速、預熱器與分解爐溫度、壓力及煙氣成分、窯頭及窯尾喂煤量、煤粉細度及工業分析、生料及熟料化學成分分析等，填寫催化劑工業試驗記錄表。系統24h連續運轉，以便減少系統間斷運行造成的誤差，提高記錄數據的準確性。

3.3 試驗過程

（1）燃煤催化劑經過計量泵計量后，滴加在入煤磨皮帶秤上，原煤和催化劑經混合粉磨后，由羅茨風機送入窯頭和分解爐，試驗加入量為原煤用量的0.03%。

（2）2017年6月5日上午9點開始進行添加燃煤催化劑的試驗，由于本燃煤催化劑要一天后才能在窯內形成催化氣氛，因此取6月5日的數據為過渡時期，不計算在試驗期內。取6月6日至6月8日三天的正常生產數據作為實驗數據，取6月2日至6月4日為空白數據進行對照。根據廠方提供信息顯示，這批高熱值煤正好用到6月8日。

4 試驗結果分析

由表2及表3可以看出：

（1）熟料質量有所提升，游離氧化鈣平均值由1.23%降低到0.9%，降低了0.33%，游離氧化鈣合格率提高8.76%；試驗期間熟料升重由1 062g/L提高到1 097g/L，增加了35g/L。

（2）使用燃煤催化劑對燒成系統的穩定性有明顯的改善，煙室結皮減少，分解爐出口氣溫870℃，出口負壓為-0.8～-0.95kPa，分解爐底部溫度在950～1 000℃；窯尾煙室溫度在1 120℃左右，壓力-350～-400Pa；二次風溫在1 050～1 150℃；窯電流由767A提高到795A，提升了28A，工況得到明顯改善。

（3）使用燃煤催化劑后，煤粉燃燒速率加快，分解爐內加減煤的響應時間縮短，加減煤的幅度由原來的0.2t/h減小到0.1t/h，溫度更容易控制。

（4）試驗期間余熱發電系統發電量提高了0.335kWh/t。

（5）空白期間的煤粉平均熱值為25 431kJ/kg，試驗期間的煤粉平均熱值為24 540kJ/kg，在煤粉熱值降低的情況下，噸熟料的標煤耗不但沒有升高而且在催化劑的作用下降低了3.40kg。

5 試驗結果

表2 燃煤催化劑試驗中控數據對比表

表3 燃煤催化劑班產統計表

（1）在高熱值煤（發熱量在25 080kJ/kg左右）情況下添加燃煤催化劑，節煤效果明顯，生產每噸熟料節省標煤3.40kg，節煤率3%。這僅是短期數據對比的結果，如果窯況正常而且長期使用，節煤效果會更加明顯。

（2）添加燃煤催化劑后，煤粉燃盡率提高，窯電流上升，窯工況更加穩定。

（3）添加燃煤催化劑后，熟料質量有所提高，游離氧化鈣均值降低0.33%，游離氧化鈣合格率提高8.76%。

（4）燃煤催化劑在使用過程中沒有出現安全隱患，對系統沒有產生負面影響。