沈怡青

(中國煤炭開發(fā)有限責(zé)任公司，北京市東城區(qū)，100011)

隨著國家資源綜合利用扶持力度的加大，坑口資源綜合利用電廠數(shù)量也有所增加?？涌诰C合利用電廠主要利用循環(huán)流化床鍋爐燃燒低熱值燃料，使其就地轉(zhuǎn)化為綠色清潔的電能輸出，從而提高資源利用效率并減少運(yùn)輸成本。因此如何提高循環(huán)流化床鍋爐效率成為資源綜合利用電廠生存發(fā)展的重點(diǎn)。除進(jìn)行循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備結(jié)構(gòu)提升和運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整外，使用燃煤催化劑也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一條有效途徑。

為此，采用不同配比在不同工況下添加燃煤催化劑進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，以科學(xué)評價(jià)固態(tài)燃煤催化劑在循環(huán)流化床鍋爐中的節(jié)煤效果。這對提高鍋爐燃燒效率、降低煤耗、減少二氧化硫排放和降低灰渣殘?zhí)剂烤哂兄匾饬x。

1 燃煤催化劑原理

燃煤催化劑不改變化學(xué)反應(yīng)的初始反應(yīng)物和生成物，只加快燃燒過程使可燃物充分燃燒，作用機(jī)理主要是氧傳遞理論和電子轉(zhuǎn)移理論。

氧傳遞理論假定非催化反應(yīng)的速度受制于氧氣、二氧化碳或水的表面化學(xué)吸附，并且認(rèn)定催化劑顆粒為具有活性的化學(xué)吸附中心。表面催化劑在金屬到金屬氧化物、或者低價(jià)氧化物到高價(jià)氧化物之間的氧化還原循環(huán)中由于不穩(wěn)定的表面狀態(tài)，可分解產(chǎn)生氧原子，分解的氧原子立即與碳表面反應(yīng)，加快了氧氣擴(kuò)散的速度，使燃燒更易進(jìn)行。因此，該理論中催化劑可以視為氧原子的分解中心。

電子轉(zhuǎn)移理論認(rèn)為在加入催化劑的燃燒反應(yīng)中，存在2種固相和1種氣相，即氣-固兩相反應(yīng)，其中助燃劑和碳直接發(fā)生固相電子轉(zhuǎn)移，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，碳?xì)浣M合更為有序，從而能更多地接觸氧分子；同時(shí)催化劑在加快自由基的生成和運(yùn)動(dòng)速度的過程中會釋放更多的氧分子，使得反應(yīng)溫度要比正常燃燒溫度低得多。

基于以上理論，經(jīng)燃煤催化劑作用后的煤炭在燃燒過程中表現(xiàn)出著火溫度降低、燃燒速度提高、煤在爐膛里的燃盡時(shí)間縮短、燃燒強(qiáng)度提高和爐膛溫度升高等現(xiàn)象。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件及內(nèi)容

本試驗(yàn)所用催化劑是由美國亞洲煤催化劑有限公司生產(chǎn)的固體堿金屬催化劑，該固體催化劑中的氧化劑能夠加速自由基的運(yùn)動(dòng)，即加速碳原子活化過程，在這一過程中使碳?xì)浣M合更為有序，從而能夠更多地接觸氧分子，有助于加快燃燒過程中發(fā)生的物理及化學(xué)反應(yīng)。催化劑在加快自由基生成和運(yùn)動(dòng)速度的過程中會釋放更多的氧分子，使得反應(yīng)溫度要比正常燃燒溫度低得多。

本試驗(yàn)采用添加催化劑前、后鍋爐的重要能耗指標(biāo)及排污指標(biāo)對比的方法測試催化劑效果。在控制鍋爐給煤量不變、入爐煤低位發(fā)熱量不變，且鍋爐其他工況穩(wěn)定的條件下，通過加入不同比例的催化劑，觀察鍋爐床溫、鍋爐負(fù)荷、測量出口煙氣及灰渣成分變化，從而計(jì)算出鍋爐噸標(biāo)煤產(chǎn)蒸汽量與正平衡熱效率指標(biāo)等數(shù)據(jù)，得出催化劑在節(jié)能環(huán)保方面的性能。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)試驗(yàn)鍋爐選擇。節(jié)煤效果評價(jià)的準(zhǔn)確程度首先取決于鍋爐負(fù)荷和入爐煤質(zhì)穩(wěn)定等條件，根據(jù)生產(chǎn)條件及現(xiàn)場情況，需要選擇1臺工況相對穩(wěn)定的鍋爐，開展燃煤添加應(yīng)用對比試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，試驗(yàn)機(jī)組采用單爐上煤的運(yùn)行方式。鍋爐選用2008年啟用的中煤龍化公司6#循環(huán)流化床鍋爐，其型號為CG-130/9.81-MX15，設(shè)計(jì)能力為130 t/h。

(2)計(jì)量儀表校正。在試驗(yàn)開始前，檢查和校正皮帶秤、電功率表等計(jì)量儀表的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(3)催化劑添加方案選擇。國內(nèi)外不同類型鍋爐的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，催化劑與入爐煤燃料比例在0.50%～1.50%之間節(jié)能效果較為明顯，且在有石灰石的情況下對催化劑的作用有一定抑制作用。為保證試驗(yàn)用催化劑的供應(yīng)量，本試驗(yàn)在無石灰石的條件下選用催化劑添加量為0.50 kg/t與1.50 kg/t這2個(gè)比例進(jìn)行測試；在有石灰石的條件下添加0.50 kg/t的比例進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場條件，選擇燃料煤皮帶車間作為催化劑的最佳添加點(diǎn)，在燃料煤到達(dá)燃料煤倉之前，將催化劑通過填料斗均勻?yàn)⒃诮?jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)送的燃料煤上一同入倉，做到分散均勻。

2.3 試驗(yàn)進(jìn)度與安排

本次測試分為無催化劑運(yùn)行和有催化劑運(yùn)行2個(gè)不同測試條件。每個(gè)測試條件的測試時(shí)間、參數(shù)選取和現(xiàn)場配合等全部相同，每一個(gè)測試條件下測試時(shí)間為24 h。具體測試時(shí)間分配情況如下：第一入爐煤置換階段為8 h，更換催化劑配比；第二測試準(zhǔn)備階段為4 h，觀察數(shù)據(jù)穩(wěn)定性；第三正式測試階段為12 h，每隔15～20 min記錄一組數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用鍋爐正平衡效率和噸標(biāo)煤產(chǎn)蒸汽量這2個(gè)指標(biāo)來表示催化劑提高燃燒效率的作用，并分析煙氣中二氧化硫、氮氧化物及含氧量等指標(biāo)，檢測底灰和飛灰中的殘?zhí)剂康?，進(jìn)一步證明催化劑的節(jié)能環(huán)保效果。加入催化劑前、后的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算見表1。

表1 加入催化劑前、后的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算

3.1.1 燃燒效率

由表1可以看出，有石灰石正常工況下鍋爐正平衡效率為86.02%，噸標(biāo)煤產(chǎn)蒸汽量為9.14 t；無石灰石時(shí)鍋爐正平衡效率為86.60%，噸標(biāo)煤產(chǎn)蒸汽量為9.15 t。加入催化劑后鍋爐熱效率和噸標(biāo)煤產(chǎn)蒸汽量均發(fā)生了一定的變化。

(1)催化劑加入量為0.50 kg/t時(shí)，在有石灰石工況條件下，置換階段鍋爐效率為88.48%，測試階段鍋爐效率為87.82%，鍋爐效率平均提高了2.48%；催化劑加入后置換階段噸標(biāo)煤產(chǎn)蒸汽量為9.47 t，測試階段噸標(biāo)煤產(chǎn)蒸汽量為9.35 t，平均煤耗降低為2.95%。

(2)催化劑加入量為0.50 kg/t時(shí)，在無石灰石工況條件下，催化劑加入置換階段鍋爐效率為90.76%，測試階段鍋爐效率為89.03%，鍋爐效率平均提高3.81%；催化劑加入后置換階段噸標(biāo)煤產(chǎn)蒸汽量為9.61 t，測試階段噸標(biāo)煤產(chǎn)蒸汽量為9.39 t，平均煤耗降低3.83%。

(3)在催化劑加入量為1.50 kg/t條件下的置換階段和測試階段，鍋爐效率沒有明顯變化，基本與空白值保持一致，沒有表現(xiàn)出節(jié)煤效果，該結(jié)果有待進(jìn)一步分析。

(4)在無石灰石工況下催化劑對于鍋爐節(jié)煤效果更為明顯，主要是石灰石脫硫過程中的脫硫反應(yīng)可能對于催化劑的活化作用有一定的抑制作用，主要化學(xué)反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.1.2 灰渣變化

加入催化劑前、后鍋爐排放灰渣中含碳量的變化情況見表2。

由表2可以看出：

(1)在有石灰石的條件下，按照0.50 kg/t比例加入催化劑，灰、渣中的含碳量分別降低了8.72%和40.49%；

(2)在無石灰石的條件下，按照0.50 kg/t加入催化劑，灰中的含碳量沒有降低，渣中的含碳量減少64.92%；在催化劑加入率為1.50 kg/t時(shí)，灰中的含碳量也沒有降低，渣中的含碳量減少了52.02%。

無論有無石灰石的運(yùn)行條件，爐渣的含碳量都大幅降低，其主要原因是催化劑的作用使得燃燒更為充分，提高了燃燒效率。

表2 加入催化劑前、后鍋爐排放灰渣中含碳量的變化情況 %

3.1.3 煙氣變化

試驗(yàn)中催化劑用量為0.50 kg/t時(shí)加入前后煙氣中主要成分的變化見表3。

表3 催化劑為0.50 kg/t時(shí)加入前、后煙氣中主要成分的變化

由表3可以得出，加入催化劑后煙氣中的二氧化碳含量升高了10.6%，氧氣含量降低13.12%，二氧化硫含量降低19.70%，一氧化氮含量降低21.88%。這主要是由于催化劑的作用使得燃燒所需氧氣減少，進(jìn)而空氣量減少，因此氮氧化物隨之有所減少。

3.2 其他試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)后中控室儀表數(shù)據(jù)顯示鍋爐負(fù)荷明顯提高，加入催化劑后，鍋爐負(fù)荷由正常工況下的114 t/h提高到117 t/h，最高達(dá)到124 t/h，提高了最多8.7%。鍋爐床溫明顯提高，加催化劑后爐溫提高至950℃，較正常工況的930℃，提高了近20℃。

可以提高燃燒強(qiáng)度從而爐膛溫度升高主要原因是催化劑的加入加速了燃燒反應(yīng)速率，提高了燃燒強(qiáng)度，同樣入爐煤條件下，產(chǎn)生的熱量更多、蒸汽量更大，從而可以提高鍋爐效率。

4 結(jié)論

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

(1)催化劑加入對提高鍋爐效率具有一定作用。催化劑加入量為0.50 kg/t時(shí)，有石灰石情況下，鍋爐效率提高了2.48%，節(jié)煤率為2.95%；無石灰石情況下，鍋爐效率可提高3.81%，節(jié)煤率達(dá)到3.83%。在無石灰石加入的運(yùn)行工況下，催化劑提高鍋爐效率的效果更為明顯。

(2)催化劑對于灰渣含碳量的減少具有一定的作用，尤其對爐渣含碳量降低作用明顯。但在沒有石灰石的條件下，對飛灰中的含碳量降低作用不明顯，且隨著催化劑加入量的增加，降低含碳量的作用也沒有隨之增加。

(3)催化劑的加入可以起到一定脫硫除氮的效果，在催化劑加入量為0.50 kg/t時(shí)，二氧化硫可降低19.70%，氮氧化物降低21.88%，具備一定脫硫除氮的效果，且煙氣中氧含量降低，說明催化劑具有一定助燃效果。

4.2 結(jié)論

此次試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了3.83%的節(jié)煤率。按照單臺爐運(yùn)行7000 h/a計(jì)算，節(jié)煤量為7280 t/a，折算成標(biāo)煤約為3120 t。如果現(xiàn)有鍋爐均使用催化劑，達(dá)到同等效果的情況下，可實(shí)現(xiàn)節(jié)煤量為21840 t/a，折算成標(biāo)煤約為9360 t。此次試驗(yàn)是催化劑產(chǎn)品首次在大型工業(yè)鍋爐進(jìn)行的測試，時(shí)間短暫、 工況變化較多，雖取得了一定的效果，但仍不能完全證明催化劑對于循環(huán)流化床鍋爐的全方面優(yōu)化效果，應(yīng)在該類型鍋爐進(jìn)行更長期工業(yè)試驗(yàn)。