专利名称：一种提高煤炭燃烧速度的方法
技术领域：
本发明属于煤炭清洁燃烧技术领域，特别是涉及向煤中添加催化剂助燃、固硫以实现节煤减污的方法。
背景技术：
资源、能源和环境问题已成为制约国民经济持续健康快速发展的三大瓶颈。在我国，能源在经济发展中占有十分重要的地位，而煤又是最主要的能源形式，现已占到了总能源消耗的70%。虽然我国煤储量丰富，是世界上最大的煤炭储量和生产国，但煤质大多较差，高灰、高硫煤所占比重较大；更为关键的是，中国也是世界上最大的煤炭消耗国，尽管随能源种类的多样化和能源结构的调整，煤在总能源消耗中所占比例呈下降趋势，但净消耗量仍在不断增加。由于主要应用于火力发电、工业锅炉、工业窑炉和家庭炉灶等的直接燃烧，煤质差且燃烧率低下直接导致排放大量的SOx等有害气体及烟尘，不仅对生态环境造成了严重污染，更对人民身体健康造成巨大危害。目前，我国已成为典型的煤燃烧大气污染国家，据统计，燃煤排放的SOx和烟尘均占到全国总排放量的一半以上，因此，改进燃烧现状，发展“洁净煤技术”，提高煤利用率，减少环境污染，对社会和经济发展不仅十分必要，而且具有重要意义。
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目前国内外对燃煤排放SOx控制的有效手段一种是烟气脱硫，但存在投资成本和操作费用较高的问题，属于末端治理形式；另外两种是燃烧前燃料除硫以及燃烧中固硫，前者属于源头治理形式，但目前尚不现实；燃烧中固硫的研究、应用较多，即在煤燃烧过程中将硫氧化物转变成硫酸盐等形式而固定在煤灰中，此种方式不需要额外增添设备，主要是在燃煤中以某种形式添加清洁高效的催化剂，以解决煤燃烧过程中通常存在的燃烧效率低、和燃烧稳定性差、结渣、及高温腐蚀及严重环境污染等问题，从而达到节煤减污的效果。此种方式的关键在于清洁高效的燃煤催化剂的开发，燃煤催化剂作为洁净煤技术之一已经得到了应用。自上世纪80年代以来，国内外众多研究者对燃煤催化剂进行了大量的探索。从专利与文献检索及实际应用情况来看，现有煤催化剂助燃机理大多依据“氧传递学说”和“电子转移学说”两种理论，催化剂中的主要添加成分为氯酸盐，高氯酸盐，碘化物，硝酸盐，重铬酸盐以及高锰酸盐等强氧化剂；氧化钙、氧化镁、氧化钡、碳酸钙、纯碱等固硫剂；还有碱金属、碱土金属和过渡金属的氧化物和卤化物，二氧化锰、三氧化二铁、三氧化二铝、磷酸盐等；此外还有的添加工业废渣、炉渣及其它辅料等，这些煤催化剂的作用可归结为:提供充足氧气以助燃；除硫去烟以利环保；降低燃烧温度以维持稳定和操作安全等。对现有专利进行分类大致如下:(I)以强氧化剂与工业盐为主:如专利(CN 1940035A)介绍的节煤助燃剂组成为:工业食盐5 20、高锰酸钾5 20、氯酸钾5 20、高氯酸钾5 20、二氧化锰5 20、氧化镁2 5、氧化钙I 5、碳酸钠I 5、三氧化二铝I 5、硅藻土 5 20、水5 20 ;专利(CN 101269339A)介绍的高效燃烧催化剂组成为:硝酸钾20 40%、氯化钠10 25%、生石灰15 30%、铝土 9 15%、稀土元素I 4%，三氧化二铁0.1 1%。(2)以碱金属、碱土金属和过渡金属氧化物及卤化物为主。如专利(CN101220313A)介绍的煤催化剂组成为:金属氧化物I 25、碱金属盐I 25、卤化物2 10、金属氢氧化物I 25，金属醋酸盐I 10 ;专利(CN 101955833)介绍的燃煤催化剂组成为:碱金属盐 O 15 (如 NaCl、Na2CO3' K2CO3> NaNO3)、碱土金属盐(如 CaCl2' MgCl2' Mg (NO3) 2、Ca(NO3)2)O 20、碘化物(如 K1、NaI, HI)0.05 1，稀土化合物(如 ReC13、Re(NO3)3'Re (OH) 3) 0.5 5。(3)结合工业废渣及尾矿等的利用。如专利(CN 101735878A)介绍的燃煤催化剂的组成为:盐泥(其中NaCl含量为15 25% )40 60 %、锌渣(其中主要含Fe203、Fe3O4' ZnO 和 ZnS) 25 40%、钢渣 10 30% (其中主要含 Fe2O3' Fe3O4' Al2O3' CaO);专利(CN1667100A)介绍的燃煤添加剂的组成为:铬渣30 82.5%、氧化钙5 30%、氧化镁2 15 %、二氧化硅I 4 %，氯化钠5 25 %，软锰矿精粉I 5 %、高锰酸钾0.5 6 %，可然性物质3 12%。(4)添加有机物及金属有机盐。如专利(CN 1749374A)介绍的节煤剂组成为:乙醇14 16%、乙醚9 11%、重铬酸钾18.5 22.5%、高锰酸钾4.5 5.5%、氯酸钾14 16%、纯碱1.5 2.5%、二茂铁2.5 3.5%;专利(CN 102234554A)介绍的燃煤助燃剂组成为:己二醇30 70%、乙酸钠10 30%、二氧化锰或三氧化二铁10 30%、烷基苯磺酸盐0.05 I %、烷基酚聚氧乙烯醚0.05 1%。迄今为止，现有的助燃剂、节煤剂、促进剂、添加剂或催化剂对促进煤的燃烧以及节煤减排各自都存在一定的效果，但也应看到，已有技术均或多或少的存在诸如安全性、稳定性、经济性及生产可操作性等方面的问题，具体如下:(I)以强氧化剂和工业盐为主原料的煤催化剂，可以提高燃烧效率，降低燃烧温度，但由于采用的是强氧化剂，极易受热快速分解，持续时间短，形成快烧，使其效果产生折扣；其次，强氧化剂属危 险物质，运输、贮存及使用中均有很高潜在风险，安全性较差；再次，强氧化剂遇有机物易爆炸也使其使用灵活性较差；最后，工业盐添加量大会对窑炉及设备造成腐蚀，增加高昂维护保养成本。(2)以碱金属、碱土金属和过渡金属等为主原料的煤催化剂，具有很好的节煤助燃效果，但也存在反应速度较慢，易结渣等问题；其次，卤素离子尤其是Cl—与水蒸汽结合形成氯酸，严重污染环境；催化助燃作用，再次，同强氧化剂与工业盐为主的催化剂类似，工业盐的过度使用将对窑炉和设备造成腐蚀。(3)结合废渣尾矿等的利用的煤催化剂，对废弃物资源化作用显著，但这些废渣及尾矿中大多重金属超标，有的还存在辐射问题(如赤泥)，不可避免的会对大气、土壤、水体等造成破坏；其次，废渣尾矿的利用将使排渣量增加。(4)以有机物及金属有机盐为主的煤催化剂，具有较好的助燃效果，但也存在添加量大，金属有机物稳定性差、烟气排放量大等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种清洁高效燃煤催化剂，以克服现有燃煤燃烧过程中存在的热效率低，燃烧不充分，烟气排放污染大等问题，以实现助燃、节煤、脱硫、降低成本、且安全稳定，可操作性强的目的。本发明所要解决的技术问题主要通过以下技术方案来实现:一种清洁高效燃煤催化剂，主要采用将一些原料单体以适当比例配合成一种混合体，再将该混合体用可燃性溶剂溶解，使其充分浸润并具有良好的分散性。其中混合体中各单体的重量比组成如下:十二烷基苯磺酸钠5 15% ;烷基酚聚氧乙烯醚5 10% ;邻苯二甲酸二丁酯I 10% ;三氯乙烷5 15% ;磷酸三丁酯I 10% ;二硝基甲苯10 20% ;二茂铁I 10% ;硬脂酸钙I 10% ;碳酸钠I 10%。溶剂采用柴油，根据使用地区温度选择不同标号。燃煤催化剂的配制方法为:按照燃煤种类及燃烧窑炉使用要求，选取不同比例的单体原料并充分分散均匀，得到混合体材料，然后再将该混合体材料与作为溶剂的柴油以一定比例混合溶解，分散均匀，最终得到燃煤催化剂，本发明燃煤催化剂中混合体材料的重量占比为2 10%，柴油重量占比为90 98%。燃煤催化剂的使用方法及用量:该催化剂使用方式灵活，当向燃煤中添加该催化剂时，可以将该催化剂与燃煤预先混合均匀后再喷入燃烧室进行燃烧；也可以在燃煤经由传送带向燃烧室输送过程中以喷雾、喷洒等方式将催化剂添加到燃煤中；还可以在燃煤储存过程中，如煤仓、料斗或煤堆上喷洒该催化剂并混合均匀，然后与燃煤一起送入燃烧室。该催化剂的配制简便，储运安全；可适用于各型窑炉、锅炉及其它燃烧装置，对劣质无烟煤等也有很好的效果。该催化剂添加量为燃煤的万分之二到万分之五，成本十分低廉。本发明的技术原理:煤是一种以碳氢元素为主的链状及环状结构的有机化合物，其分子结构如附图1所示。煤的燃烧过程基本上 是一个强氧化过程，期间伴随着各种复杂的化学反应(如热裂解、热合成、脱氢、氧化、缩合、环化，催化等)。一般认为煤的燃烧分为三个阶段:即(I)煤加热释放出挥发物；(2)气相挥发物的着火和燃烧；(3)固体炭素残留物的着火和燃烧。当燃煤进入窑炉或其它燃烧装置后，根据均相着火理论，随着煤粉颗粒被加热和干燥，到100°C以上水分逐渐蒸发，有机质受热分解生成挥发性气体析出；释放出的挥发分和氧气相遇，达到着火条件便开始着火，期间随着煤粉颗粒的汽化和碎裂，煤粉颗粒的尺寸逐渐缩小，挥发分含量越来越低，煤粉颗粒经热解后剩余产物是稠环芳香核缩聚成的固定碳，即焦炭；挥发分着火后，火焰向煤粉颗粒和环境两个方向蔓延，直到仅在煤粉颗粒表面燃烧，在煤粉颗粒周围形成火焰，进一步提高煤粉颗粒的温度，为焦炭着火燃烧创造条件；由于挥发分在析出过程中形成了许多孔隙，对煤粉颗粒起到了疏松作用，增加了化学反应的表面积(由于煤粉颗粒在燃烧过程中是形成空心球体的，因此燃烧是在外面和内面同时进行)，利于氧气向煤粉颗粒内部进行扩散，从而促进煤燃烧，最终降低煤的着火点。对于劣质无烟煤来讲，由于其挥发分极低，最困难的是着火及其着火后的稳定燃烧，只有通过添加催化剂，提升燃煤中的挥发分含量，才能保证燃烧的稳定进行，从而使劣质煤资源得到充分利用。煤的汽化和燃烧包括下述阶段:
(I)氧气扩散到碳的表面；(2)氧气吸附在碳表面上；(3)发生反应形成化合物；(4)化合物解吸。煤的燃烧符合未反应核收缩模型，如附图2所示。其中CA为气相主体02浓度，Ci为反应界面02浓度。煤的主要元素的燃烧反应包括:C+02 = CO2、H2+0.502 = H2O,0.5N2+0.502 = NO, S+02 = SO2其中氧气的吸附被认为是反应的控制步骤。通过煤的燃烧机理可知，煤的燃烧热容较大，不易着火和传热。煤的活化需要较多的能量，造成煤的热效率低，传热性能低又造成燃烧过程中煤内部温度激增，使得燃烧产物二氧化碳很容易与炭素发生副反应而消耗煤的热值，故增加煤的热值的关键在于降低煤的着火温度，增加煤的传热能力。本发明燃煤催化剂正是基于上述燃煤燃烧的反应机理，将催化剂加入到燃煤中，通过催化、氧化、助燃、固硫等过程达到降低反应的活化能和煤的着火温度，提高煤的氧化速度，缩短煤的燃烬时间，使煤燃烧的更完全，更充分，并达到有效降低大气污染的目的，催化剂中的功效是各单体组份协同作用的结果。本发明的清洁高效燃煤催化剂的主要作用机制为:因为本发明的燃煤催化剂以柴油为溶剂，故具有天然的亲油属性。该催化剂在燃煤表面及内部孔隙中的浸润与分散更迅速，更均匀，从而极大的增加了煤粉颗粒的比表面积，有利于o2、h2、n2、so2及燃煤裂解从大分子上断裂下来的侧链、官能团及各种烃类等小分子的扩散传递、吸附和反应，并能持续稳定、高效清洁的发挥其催化效能。从煤燃烧机理，煤粉颗粒燃烧是一个颗粒尺寸逐渐变小，且球体逐渐产生许多空腔的过程，属于未反应核缩聚模型，煤粉颗粒在释放挥发分、变成焦炭的过程中要吸收热量，才能最终着火燃烧，这就消耗了燃煤的热值，使其利用率下降。而添加催化剂后，在温度升高过程中，覆盖于煤粉颗粒表面及内部孔隙表面的催化剂中的有机物首先受热发生裂解，释放出许多小分子带电基团，这些带电基团与02、H2, CH4等分子反应，释放热量同时，引发其它大分子的裂变反应，促使燃煤不断裂解，进一步缩小煤粉颗粒尺寸，增加比表面积，且由于颗粒变小而大幅降低煤预热消耗热值，降低燃煤着火点。不断发生的裂变反应所产生的大量热量又传递给尚未着火的煤粉颗粒以及未参与反应的催化齐U，使裂变反应得以持续进行下去，这样，催化剂不仅增加了热传导，而且降低了煤的热容，剧烈的燃烧反应不断翻炒煤粉，使得受到包裹的煤粉颗粒也得到充分燃烧，大幅延长燃烬时间，显著降低炉渣含碳量，降低了空气污染和资源浪费。催化剂中的硝酸盐与煤粉中的碳发生反应:2N(V+3C = 3C02+N2既起到氧化剂作用，改善煤燃烧时的局部缺氧状况，又由于生成N2而不会造成空气污染。依据煤催化燃烧的氧传递学说，催化剂中 的碱金属钠主要是充当氧的载体，促进氧从气相向碳表面的扩散，为燃煤在燃烧过程中提供了初期燃烧必需的氧气。以碳酸钠的催化反应机理为例，包括金属氧化物的产生和金属氧化物催化氧化反应过程两部分:
Na2CO3 = Na20+C02Na2C03+0.5O2 = Na202+C022Na202+C = 2Na20+C02Na20+0.5O2 = Na2O2Na20+C02 = Na2CO3依据电子转移学说可以解释催化剂中铁金属化合物的作用:在燃烧反应过程中，铁离子嵌入碳晶格的内部使碳的微观结构发生变化，其自身的电子发生转移，成为电子给予体；电荷的迁移使碳的活性部位增加，加快可氧气的吸附速度，降低反应活化能，从而提高了燃烧反应速度。催化剂中碳酸钠除了对提高煤和碳的活性十分明显，还能更充分有效的催化煤粉中钙等有效固硫成分，减少副反应的发生，从而降低烟尘和有害气体的排放。本发明燃煤催化剂能很好的解决目前燃煤燃烧过程中存在的问题，具有如下主要优点:
1、原料常见易得，催化剂生产与储运简便易行，成本低廉；2、节煤率可达10 30%，脱硫率可达50 80% ；3、可用于多种煤质，对劣质无烟煤尤为突出；4、清洁高效，残渣及尾气排放少，对设备无腐蚀；5、具有较好的安全性、稳定性和经济性。
附图1为典型煤炭分子结构 附图2为未反应核收缩模型。
具体实施例方式实施例1十二烷基苯磺酸钠10份，烷基酚聚氧乙烯醚5份，邻苯二甲酸二丁酯3份，三氯乙烷10份，磷酸三丁酯2份，二硝基甲苯10份，二茂铁5份，硬脂酸钙6份，碳酸钠3份。将各单体原料充分混合，搅拌均匀；然后加入柴油600份，充分搅拌，使各单体原料充分溶解到柴油内，得到燃煤催化剂。将该燃煤催化剂通过喷雾与煤粉充分混合后进入煤粉炉内燃烧，可提高燃烧效率10 20%，节煤20 30%，脱硫率可达到55 70%，无黑烟放出，煤粉炉壁结渣量很小，炉内工况改善显著。实施例2十二烷基苯磺酸钠8份，烷基酚聚氧乙烯醚8份，邻苯二甲酸二丁酯6份，三氯乙烷6份，磷酸三丁酯5份，二硝基甲苯12份，二茂铁6份，硬脂酸钙5份，碳酸钠5份。将各单体原料充分混合，搅拌均匀；然后加入柴油650份，充分搅拌，使各单体原料充分溶解到柴油内，得到燃煤催化剂。将该燃煤催化剂通过喷雾与煤粉颗粒充分混合后进入循环流化床锅炉内燃烧，可提高燃烧效率10 15 %，节煤15 25 %，脱硫率可达到50 60 %，无黑烟放出。
权利要求
1.一种提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于在燃煤中加入一种溶剂型催化剂，该催化剂是由一系列单体材料配合而成的混合体材料溶解于溶剂中制备而成，其中单体材料包括烧基横酸盐、烧基酌■稀酿、烧基酷，齒代烧经，憐酸烧基酷，芳香基硝化物，芳香基铁盐，硬脂酸盐，碳酸盐，溶剂为柴油。
2.根据权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述烷基磺酸盐是指十二烧基磺酸钠，其在混合体中的重量组成为5 15wt%。
3.根据权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述烷基酚烯醚是指烷基酚聚氧乙烯醚，其在混合体中的重量组成为5 15wt%。
4.根据权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述烷基酯是指邻苯二甲酸二丁酯，其在混合体中的重量组成为I 10wt%。
5.根据权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述卤代烷烃是指三氯乙烷，其在混合体中的重量组成为5 15wt%。
6.根据权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述磷酸烷基酯是指磷酸三丁酯，其在混合体中的重量组成为I 10wt%。
7.根据权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述芳香基硝化物是指二硝基甲苯，其在混合体中的重量组成为10 20wt%。
8.根据权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述芳香基铁盐是指二茂铁，其在混合体中的重量组成为I 10wt%。
9.根据权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述硬脂酸盐是指硬脂酸1丐，其在混合体中的重量组成为I 10wt%。
10.根据权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述碳酸盐为碳酸钠,其在混合体中的重量组成为I IOwt%。
11.权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于将各单体材料充分混合均匀以得到混合体；再将混合体溶解于作为溶剂的柴油内得到燃煤催化剂。
12.根据权利要求11所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述的燃煤催化剂中混合体在燃煤催化剂中的重量占比2 IOwt%。
13.权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述的燃煤催化剂可采用喷雾、喷洒、搅拌等方式均匀分散渗透到燃煤中再送入燃烧室。
14.权利要求1所述的提高煤炭燃烧速度的方法，其特征在于所述的燃煤催化剂添加量为燃煤重量的万分之二至万分之五。
全文摘要
一种提高煤炭燃烧速度的方法，此技术属于燃煤催化燃烧技术领域。其特征在于在燃煤中加入一种溶剂型催化剂，该催化剂是由一系列特定单体材料配合而成的混合体材料溶解于溶剂中制备而成。其中单体材料主要有烷基磺酸盐、烷基酚烯醚，烷基酯，卤代烷烃，磷酸烷基酯，芳香基硝化物，磷酸烷基酯，芳香基铁盐，硬脂酸盐，碳酸盐等，溶剂则采用柴油，混合体材料溶于一定比例溶剂制成溶液再均匀分散渗透到燃煤中即可直接使用。本燃煤催化剂主要通过提高煤粉颗粒的挥发分及比表面积，强化气体扩散能力以提高燃烧效率，具有节煤、高效清洁的功效。本发明是一种添加成本低，用量小，制备工艺简捷、节煤、助燃，减污效果显著，具有较好的安全性、稳定性和经济性的清洁高效燃煤催化剂。
文档编号C10L9/12GK103194293SQ20121000420
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者赵丽军, 王重力 申请人:北京华元丰信科技有限公司