燃煤催化剂在高热值烟煤水泥厂的应用

2018-08-03刘瑞芝王文荟韩磊磊王秀龙赵艳妍

水泥技术 2018年4期

刘瑞芝，王文荟，韩磊磊，王秀龙，赵艳妍

1 引言

煤炭是我国水泥行业的主要燃料，燃料的选取在很大程度上决定了一个水泥企业的经济效益。限于当前的工艺水平，使用劣质煤存在的问题较多，如：着火温度高，燃烧速率慢，燃尽时间长等。一般大中型企业多使用较优质的烟煤，但优质烟煤价格较高。在目前煤炭供应日趋紧张的形势下，应用燃煤催化剂节煤增产是水泥厂优选的一个思路。应用天津水泥工业设计研究院有限公司开发的燃煤催化剂可以降低着火点、加快煤的燃烧速率、减少燃尽时间、提高燃尽率、节约成本。国内外针对电厂或工业锅炉用煤的催化燃烧已进行了大量研究[1-5]，实践证明催化燃烧是很有效的方法。但由于水泥生产过程中，煤燃烧灰渣也将参与水泥熟料的烧成过程，电厂或工业锅炉所用催化剂有可能会对水泥性能产生不利影响，所以不能直接被水泥窑使用。天津水泥工业设计研究院有限公司开发的高热值烟煤应用的燃煤催化剂近期在华南某厂进行了工业试验，取得了显著的节煤效果。

2 燃煤催化剂简介

试验采用的燃煤催化剂由天津水泥工业设计研究院有限公司开发，其主要组成为助燃剂、增氧剂、分散剂、稳定剂、膨松剂等。此种催化剂安全添加量为万分之一到万分之五，对熟料质量和窑设备均无影响，能起到提高煤的活性、降低着火温度、增加发热强度、提高煤的燃尽特性、使煤的燃烧更加充分等作用，同时能提高窑工况稳定性，减少窑结皮，增加窑投料量，减少NOX排放量，提高熟料强度，达到节煤增产的目的。

燃煤催化剂的催化作用主要表现在两方面：一是对挥发分燃烧的催化作用；二是对固定碳燃烧的催化作用。下面分别从这两方面分析助燃添加剂的催化机理[6]。

（1）燃煤催化剂的加入使挥发分含量增加，析出速率加快。由于添加剂能够催化煤中桥键的分解断裂反应，使气态挥发分较快释放出来，增加易燃的挥发分含量，从而降低煤的着火温度，降低反应所需的活化能，使反应能在较低的温度下进行，达到提高燃烧效率的目的。同时，C-C键的断裂反应加强，煤中相对较小的分子增多，从而增加了分子的热运动，提高了煤的热传递。

（2）燃煤催化剂对煤粉燃尽度的影响还表现在对固定碳燃烧的催化作用。当大部分的挥发分释放完毕，周围的氧气逐渐扩散到煤粉裂解后的焦炭表面并渗透到其孔隙结构中时，氧气和焦炭反应生成二氧化碳和水为主的产物并往外扩散。此时，促进氧气与焦炭的充分接触能够提高煤粉的燃尽度。而催化过程主要就是氧传递的过程。添加剂中的金属化合物受热分解出金属离子，可以促进C=O键的形成和加强，C=O键作为电子给予体与具有未满d能带的过渡金属形成络合物CO-M+（M+为添加剂的金属离子），该络合物可以作为反应活性中心，其反应式为：

CO-M++O2→MO+CO2

4MO+C→2M2O+CO2

M2O+1/2O2→2MO

首先，中间络合物氧化分解成金属氧化物MO，紧接着金属氧化物MO被碳还原成金属或低价金属氧化物M2O，然后依靠金属或低价金属氧化物吸附氧的能力，M2O又反应成为金属氧化物MO，就这样金属一直处于氧化-还原的循环中。由于氧不断从金属向碳原子传递，加快了氧气的扩散速率，从而起到促进固定碳燃烧的作用。

3 工业试验过程

3.1 华南某厂情况介绍

该厂位于华南某省中部地区，设计规模为日产4 500t熟料，2011年11月投产，回转窑规格为ϕ 4.6m×68m。试验期间系统用烟煤热值为25 080kJ/kg左右，煤粉工业分析见表1。

3.2 催化剂添加设备

催化剂为干粉形态，喷洒过程中需采用高速搅拌设备使其与一定量的水混合均匀。工业试验时催化剂添加位置如图1所示。为保证催化剂能同时作用于分解炉与回转窑，将搅拌后的催化剂水溶液加到煤磨前的皮带秤上。图2为现场催化剂添加设备图，图3为现场催化剂喷洒位置图。

表1 试验期间煤粉工业分析

图1 工业试验时催化剂添加位置示意图

图2 现场催化剂添加设备图

图3 现场催化剂喷洒位置图

通过试验分别采集使用燃煤催化剂前后烧成系统的运行数据，对比验证该催化剂的节能效果。中控操作人员记录每小时运行数据，包括窑喂料量、窑电流、窑转速、预热器与分解炉温度、压力及烟气成分、窑头及窑尾喂煤量、煤粉细度及工业分析、生料及熟料化学成分分析等，填写催化剂工业试验记录表。系统24h连续运转，以便减少系统间断运行造成的误差，提高记录数据的准确性。

3.3 试验过程

（1）燃煤催化剂经过计量泵计量后，滴加在入煤磨皮带秤上，原煤和催化剂经混合粉磨后，由罗茨风机送入窑头和分解炉，试验加入量为原煤用量的0.03%。

（2）2017年6月5日上午9点开始进行添加燃煤催化剂的试验，由于本燃煤催化剂要一天后才能在窑内形成催化气氛，因此取6月5日的数据为过渡时期，不计算在试验期内。取6月6日至6月8日三天的正常生产数据作为实验数据，取6月2日至6月4日为空白数据进行对照。根据厂方提供信息显示，这批高热值煤正好用到6月8日。

4 试验结果分析

由表2及表3可以看出：

（1）熟料质量有所提升，游离氧化钙平均值由1.23%降低到0.9%，降低了0.33%，游离氧化钙合格率提高8.76%；试验期间熟料升重由1 062g/L提高到1 097g/L，增加了35g/L。

（2）使用燃煤催化剂对烧成系统的稳定性有明显的改善，烟室结皮减少，分解炉出口气温870℃，出口负压为-0.8～-0.95kPa，分解炉底部温度在950～1 000℃；窑尾烟室温度在1 120℃左右，压力-350～-400Pa；二次风温在1 050～1 150℃；窑电流由767A提高到795A，提升了28A，工况得到明显改善。

（3）使用燃煤催化剂后，煤粉燃烧速率加快，分解炉内加减煤的响应时间缩短，加减煤的幅度由原来的0.2t/h减小到0.1t/h，温度更容易控制。

（4）试验期间余热发电系统发电量提高了0.335kWh/t。

（5）空白期间的煤粉平均热值为25 431kJ/kg，试验期间的煤粉平均热值为24 540kJ/kg，在煤粉热值降低的情况下，吨熟料的标煤耗不但没有升高而且在催化剂的作用下降低了3.40kg。