燃煤助燃劑簡(jiǎn)介

一、世界上煤炭資源有限，而且儲(chǔ)存量在不斷的減少，可是社會(huì)發(fā)展對(duì)煤炭的需求日益增長(zhǎng)，煤炭?jī)r(jià)格也不斷上升。

這樣一方面需要節(jié)煤，另一方面要求采取措施提高煤炭的利用效率。因此如何通過(guò)提高煤炭的燃燒效率進(jìn)而提高設(shè)備熱效率以達(dá)到節(jié)約能源的目的引起了眾多關(guān)注， 其中煤炭助燃劑這一塊就是研究的熱點(diǎn)。通過(guò)在煤中加入少量助燃添加劑促進(jìn)煤的完全燃燒，既可減少不完全燃燒的熱損失，又可減少煙塵的排放。從節(jié)能和環(huán)保的角度而言，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)燃煤助燃劑的原理進(jìn)行了解釋，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外燃煤助燃劑的研究和應(yīng)用成果，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型的高效燃煤助燃劑提供一定的指導(dǎo)作用。

燃煤助燃劑的作用及其助燃機(jī)理

燃煤助燃劑的作用：促使煤炭充分燃燒，起到助燃、增能、節(jié)煤的作用。燃煤助燃劑中含有提供氧源的氧化劑，可以在高溫條件下分解出氧氣促使煤炭充分燃燒。另外不含腐蝕性物質(zhì)的催化劑，能有效降低氧的離解能和碳燃燒時(shí)所需的活化能，強(qiáng)化煤炭的燃燒，起到強(qiáng)烈助燃、增能、節(jié)煤作用。

減少有害氣體的排放，保護(hù)環(huán)境

燃煤助燃劑中的堿性氧化物與受熱面上的煙垢和煙氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使煙垢和煙氣中的硫化物生成硫酸鹽，隨爐渣一起排出爐外，減少二氧化硫、二氧化氮等有害氣體的排放，有利于保護(hù)環(huán)境。

降低企業(yè)成本，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益

高效的助燃劑制作成本低、效果明顯，使用時(shí)僅需添加燃煤重量的百分之一到百分之二。采用中國(guó)專利CN1757702A 所述的燃煤助燃劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明用于鍋爐可節(jié)煤15-22%，如原煤每天20噸的鍋爐，加入該助燃劑1.5%后，每天可以節(jié)約煤炭3.8噸。

燃煤助燃劑的組成包括膨松劑、氧化劑、催化劑、脫硫劑或固硫劑、消煙劑、水以及其他有機(jī)助劑。

1、膨松劑

膨松劑在爐膛高溫區(qū)會(huì)受熱爆裂，攪動(dòng)煤層中的氣流，促使碳粒表面的灰燼或燃燒產(chǎn)物CO脫離，使之充分燃燒。所用的膨松劑主要指的是工業(yè)食鹽氯化鈉。

2、氧化劑

氧化劑有助于提供燃燒在預(yù)熱段、燃燒段和燃燒盡段所必須的活性氧，促使煤在燃燒過(guò)程中釋放可燃的揮發(fā)份和碳粒的燃燒。常用的氧化劑有高錳酸鉀，氯酸鉀，高氯酸鉀等。高錳酸鉀可以在200-240℃溫區(qū)分解出氧氣；氯酸鉀可以在300-350℃溫區(qū)分解放出氧氣；高氯酸鉀可以在400℃以上分解出氧氣；這些分解出的氧氣為煤炭燃燒提供了必要的氧源。另外，硝酸鹽類如硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鈰、硝酸鋇等固體硝酸鹽加熱時(shí)能分解放出氧氣，其中最活潑的金屬的硝酸鹽僅放出一部分氧氣而變成亞硝酸鹽，其余大部分金屬的硝酸鹽，分解為金屬的氧化物、氧氣和二氧化氮。硝酸鹽在高溫時(shí)也是強(qiáng)氧化劑。

3、催化劑

有二氧化錳、氧化鎂、三氧化二鋁、四氧化三鐵、三氧化二鐵、氯化鐵、稀土元 素、碳酸鈉、鋁土等。其中氧化鋁可以高溫條件下抑制CaSO4的分解，同時(shí)可以形成高熱穩(wěn)定的CaSO4、CaO和Al2O3的復(fù)鹽，而且此產(chǎn)物覆蓋或包裹CaSO4晶體表面，抑制CaSO4的分解。金屬氧化物則是在氧傳遞過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。含鐵化合物通過(guò)降低煤燃燒的著火溫度與反應(yīng)活化能來(lái)改善煤的燃燒特性。其作用效果隨添加量的增大而增強(qiáng)。其中，F(xiàn)eCl3 能夠提高煤燃燒過(guò)程中揮發(fā)分與降低煤焦的著火溫度，提高低溫燃燒過(guò)程的燃燒速率，使煤的著火與燃燒更加容易，并且隨著添加量的提高，對(duì)煤燃燒特性的改善作用也不斷提高；FeCI2對(duì)煤燃燒的催化作用與FeCI3相似，但改善的效果相對(duì)較小；Fe2O3對(duì)煤的燃燒過(guò)程影響不大。但Fe2O3對(duì)550℃左右的煤燃燒具有助燃作用。燃煤中添加MnO2：可以改善煤粉燃燒性能， 試驗(yàn)結(jié)果表明，添加2%～5%的MnO2可使無(wú)煙煤和煙煤燃燒率分別提高14%～18%和3%～8%，且富氧與添加MnO2并用可進(jìn)一步提高助燃效果。其助燃機(jī)理在于熱分解放出的活性氧加快了著火初期的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，進(jìn)而提高了煤粉燃燒率。

4、脫硫劑或固硫劑

固硫劑種類很多，常用的有鈣基固硫劑，鋇基固硫劑，鎂基固硫劑，納米材料固硫劑，有時(shí)也選用電石渣、造紙廢液、硼泥、赤泥、鹽泥等工業(yè)廢料和石灰石、白云石等天然礦物。鈣基固硫劑有CaCO3、CaO、Ca(OH)2三種固硫劑，Ca(OH)2固硫效果最好，其次是CaCO3、CaO。在純的CaCO3中添加氧化鐵可以在固硫反應(yīng)中起促進(jìn)作用，降低反應(yīng)活化，使反應(yīng)更易進(jìn)行，而且氧化鐵的加入，可以使CaSO4的分解溫度有一定的提高，加快CaSO3的氧化反應(yīng)。簡(jiǎn)單的機(jī)械混合方式加人CaCO3、Fe2O3、CaO等對(duì)煤燃燒的助燃作用較弱。有的甚至有抑制作用，而浸漬加入CaCO3或Ca(OH)2(石灰乳)及分別與少量CaCl2、Fe(NO3)3、FeSO4的混合鹽和浸漬Fe(NO3)3、FeSO4對(duì)煙煤、無(wú)煙煤均有較明顯的助燃作用。

大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)鈣基固硫劑的作用效果更好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機(jī)鈣的煅燒分為3個(gè)階段：第1階段以析出水份為主，第2階段則以析出有機(jī)氣體為標(biāo)志，第3 階段則是碳酸鈣分解。醋酸鈣鎂的分解較為容易進(jìn)行，在298 ℃就開(kāi)始析出丙酮?dú)怏w。而醋酸鈣和丙酸鈣分別在390 ℃和392 ℃開(kāi)始析出丙酮和戊酮?dú)怏w。添加醋酸鈣鎂或丙酸鈣后，煤熱解析出溫度提前，揮發(fā)份最大析出速率增大揮發(fā)分釋放特性指數(shù)明顯提高，熱解過(guò)程變得更為劇烈，熱解性能得以提高。煤添加有機(jī)鈣后，燃燒初期樣品迅速失重，燃燒速率遠(yuǎn)大于原煤，而在后期，樣品燃燒平緩，燃燒速率小于原煤。有機(jī)鈣提高了煤的著火性能和整體燃燒性能。鎂基固硫劑有MgCO3、MgO。其作用原理與鈣基固硫劑的作用原理相似，鋇基固硫劑主要是BaCO3。純BaSO4的分解溫度為1580℃，大大高于CaSO4的分解溫度，顯示較高的熱穩(wěn)定性，且Ba較Ca具有更高的金屬活潑性，對(duì)應(yīng)的氧化物具有更強(qiáng)的堿性，更利于與酸性氧化物SO2的反應(yīng)。 鋇基固硫劑在煤高溫燃燒中的固硫效果明顯高于鈣基固硫劑，具有較好的應(yīng)用前景。貝殼固硫劑和納米材料固硫劑也有所應(yīng)用。采用鈣基、鎂基、鋇基固硫劑，其固硫反應(yīng)發(fā)生在SO2或SO3，與金屬氧化物之間，其主要化學(xué)反應(yīng)通式為：MeO SO2 1/2 O2 = MeSO4 或MeO SO3 = MeSO4 。

5、消煙劑：早期的消煙劑主要以無(wú)機(jī)物為主，也有少量的有機(jī)物用作消煙劑，包括錳礦粉、氫氧化鉀、醋酸、高氯酸鉀、生石灰、硝酸鋅、硝酸鋁、硝酸鉛、硝酸鈣、環(huán)己胺、甲醇、乙醇、吐溫、乙醚、硝酸鹽水溶液、石灰乳等成分。最近幾年的煤炭助燃消煙劑向著有機(jī)溶劑的方向發(fā)展，中國(guó)專利CN101003759A 所述的制備方法中采用的是聚氧乙烯，清水。此種配方原料易購(gòu)，制備方法簡(jiǎn)單，成本低。它除煙的主要原理是高溫時(shí)攪于煤炭中的助燃消煙劑中的水分子分開(kāi)，變成氫和氧，與煤炭燃燒的煤氣混合在一起同時(shí)燃燒，提高燃燒熱值，在不同于平常同等條件下的燃燒溫度中將煙塵雜質(zhì)同時(shí)燃燒掉，以達(dá)到消煙的目的。中國(guó)專CN100999690A 在消煙劑中加入了C12 脂肪醇聚氧乙烯（4）醚 。其他有機(jī)化合物助劑包括烷基醇醚、烷基酯、烯烴、芳香族化合物、磷酸酯、氯代烴、 烷基醇酰等。

燃煤助燃劑助燃機(jī)理

關(guān)于燃煤助燃劑的作用機(jī)理主要有兩個(gè)：一個(gè)是氧傳遞理論；另外一個(gè)是電子轉(zhuǎn)移理論。氧傳遞理論認(rèn)為：加熱條件下助燃劑中的金屬類添加劑首先被還原成金屬，然后金屬吸附氧氣，使金屬氧化為氧化物，緊接著碳直接還原金屬氧化物，這樣金屬一直處于氧化還原循環(huán)中，在金屬和氧化物兩種狀態(tài)中來(lái)回轉(zhuǎn)換，氧原子不斷從金屬向碳原子傳遞，加快氧氣擴(kuò)散的速度，使燃燒更易進(jìn)行。電子轉(zhuǎn)移理論認(rèn)為：助燃劑中的金屬離子能夠被活化，從而使自身的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，成為電子給予體，金屬離子形成空穴，而碳表面的電子結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，這種電荷的遷移將加快某些反應(yīng)，從而提高整個(gè)反應(yīng)的速度，使碳燃燒更完全。

燃煤固硫機(jī)理為：煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的SO2或SO3，在固硫劑內(nèi)外表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成MeSO4而實(shí)現(xiàn)固硫效果。在鈣基固硫劑中加入碳酸鈉、氧化鐵、碳酸鎂等添加劑對(duì)固硫反應(yīng)有一定的促進(jìn)作用。鈣基固硫劑經(jīng)脂肪酸調(diào)制后，其物理性能會(huì)發(fā)生變化，如比表面積增加，顆粒內(nèi)部孔隙率增加，孔隙的分布也發(fā)生了變化，使其脫硫率也有所增加。能改善固硫劑微觀結(jié)構(gòu)的助劑也有很大的發(fā)展，這些助劑主要是堿金屬化合物和有機(jī)溶劑如碳酸鈉（鉀），氯化鈉（鉀），氯化鐵，磺化木質(zhì)素，乙醇等。固硫添加劑是一種新型的環(huán)保產(chǎn)品，隨著大氣環(huán)境保護(hù)工作力度的不斷加大和對(duì)于SO2 排放的進(jìn)一步嚴(yán)格控制，此類產(chǎn)品已逐步為人們所重視。由于固硫劑在煤中添使用后既可以減少S02的排放，又可改善鍋爐燃燒狀況，為企業(yè)減少了SO2排污費(fèi)的交納，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

從國(guó)內(nèi)外專利檢索與文獻(xiàn)檢索的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，現(xiàn)有的燃煤催化劑從公布的原理及配方來(lái)看總結(jié)為四類：

第一類、以強(qiáng)化劑為主或輔以工業(yè)鹽、MnO2、Fe2O3、糖、脲素、磷及硫化銻，再輔以固硫劑。此類助燃劑對(duì)降低燃料的燃點(diǎn)，促進(jìn)燃燒有一定的效果，但是這種速燃性氧化劑不穩(wěn)定，受熱后快速分解、對(duì)燃燒體系作用時(shí)間短。另外強(qiáng)氧化劑在加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中存 在較大的安全隱患。

第二類、以各種金屬氧化物以及尾礦為主。 在使用過(guò)程中金屬離子有一定的粒度，須經(jīng)干 燥、分解、擴(kuò)散之后才能發(fā)揮作用。而煤炭的燃燒是一個(gè)快速反應(yīng)，金屬離子期望的催化裂解反應(yīng)是慢速反應(yīng)，必須經(jīng)過(guò)吸附、絡(luò)合、裂解、解析等過(guò)程，其作用不及時(shí)。

第三類、以有機(jī)分子為主。首先是有機(jī)醇類：如中國(guó)專利CN 1266089A中采用的是甲醇、乙醇、吐溫、司班及其蒸餾水按照一定的配比配制而成的。其次是采用植物酶、乙醚、丙酮、 乙酸乙酯等常用有機(jī)溶劑，如中國(guó)專利CN 1405283A。再次是采用親油性礦物油、親油性植物油、乳化劑及其親水性表面活性劑為主體材料的助燃劑。金源化學(xué)集團(tuán)的專利中主要采用的是表面活性催化劑、溶解助劑、滲透劑和油性溶媒[18]。由烷基醇醚、烷基酯、磷酸酯、烷基醇酰胺、 烯烴和芳香族化合物復(fù)配而成的新型高效燃煤催化劑可以在無(wú)須鍋爐改造的條件下達(dá)到鍋爐節(jié)煤、減排、脫焦的三重結(jié)果[19]。

第四類、以金屬羧酸鹽類為主，包括醋酸鹽、琥珀酸鹽、脂肪酸鹽類有機(jī)酸鹽。如中國(guó)專利CN 1718699A采用主體原料為醋酸鹽草酸鹽、醋酸鹽、草酸鹽、琥珀酸鹽、脂肪酸鹽、烷基磺酸鹽、烷基苯磺酸鹽、氨基磺酸鹽、馬來(lái)酸鹽、富馬酸鹽、檸檬酸鹽、酒石酸鹽、鞣酸鹽、乳酸鹽、羥基酸鹽、苯甲酸鹽、環(huán)烷酸鹽、異辛酸鹽、三甲基乙酰叔酮酯銅、甲基環(huán)戊二烯三羧基錳等。這類金屬羧酸鹽不太穩(wěn)定，在燃燒過(guò)程中容易成鹽或氧化物失活。而金屬離子的反應(yīng)與第二類的助燃劑相似。

燃煤助燃劑不僅具有良好的燃燒促進(jìn)作用，同時(shí)還有優(yōu)良的脫硫脫氮作用。人們對(duì)燃煤 助燃劑的長(zhǎng)期研究并取得一定的成果。國(guó)內(nèi)已有多種商用燃煤助燃劑面世，試驗(yàn)證明確有一定效果。由陜西省“億利萊”公司組織開(kāi)發(fā)的“燃煤用脫硫助燃清焦?jié)崈魟?，在陜西、?nèi)蒙古、山西等地的40多家大型耗煤企業(yè)使用后，取得了巨大的環(huán)保價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)有關(guān)方面監(jiān)測(cè)報(bào)告，該項(xiàng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)降低二氧化硫排放量40%~55%、降低氮氧化合物20% ~30%、綜合節(jié)煤3%~8%，明顯降低排煙黑度，清灰除焦90%以上。由北京金源化學(xué)集團(tuán) 有限公司開(kāi)發(fā)的“CHARNA C煤燃燒催化劑”通過(guò)改善煤燃燒的動(dòng)力學(xué)特征，提高爐內(nèi)煤燃燒速率，使燃燒更充分。同時(shí)通過(guò)優(yōu)化燃煤顆粒的表面性能，促進(jìn)煤中灰分與硫氧化物反應(yīng)，達(dá)到脫硫作用。該催化劑已在重慶、山東等地?cái)?shù)十家熱電企業(yè)得到了應(yīng)用，效果顯著?！吧裰輨冽垺泵禾扛男詣┻m用于立窯煅燒爐、旋轉(zhuǎn)煅燒爐，改性劑不但降低煤炭著火點(diǎn)而且釋放出大量的氧氣，節(jié)煤劑還起了固硫的作用，減少了二氧化硫等有害氣體的排放，有利于環(huán)境保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保雙贏的水泥優(yōu)化煅燒生產(chǎn)過(guò)程。

基于研究現(xiàn)狀以及工業(yè)需要，有必要在燃煤助燃劑的原料選擇、添加劑的配方和防止二次污染等方面開(kāi)展深入的研究工作，以期實(shí)現(xiàn)“環(huán)保-經(jīng)濟(jì)效益”的目的，因此高效、使用方便、對(duì)人體無(wú)害的液態(tài)燃煤助燃劑的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是今后的發(fā)展趨勢(shì)之一。2100433B