固体燃煤催化剂在循环流化床锅炉中的应用研究

沈怡青

(中国煤炭开发有限责任公司，北京市东城区，100011)

随着国家资源综合利用扶持力度的加大，坑口资源综合利用电厂数量也有所增加。坑口综合利用电厂主要利用循环流化床锅炉燃烧低热值燃料，使其就地转化为绿色清洁的电能输出，从而提高资源利用效率并减少运输成本。因此如何提高循环流化床锅炉效率成为资源综合利用电厂生存发展的重点。除进行循环流化床锅炉设备结构提升和运行优化调整外，使用燃煤催化剂也是实现节能减排的一条有效途径。

为此，采用不同配比在不同工况下添加燃煤催化剂进行现场工业试验，以科学评价固态燃煤催化剂在循环流化床锅炉中的节煤效果。这对提高锅炉燃烧效率、降低煤耗、减少二氧化硫排放和降低灰渣残碳量具有重要意义。

1 燃煤催化剂原理

燃煤催化剂不改变化学反应的初始反应物和生成物，只加快燃烧过程使可燃物充分燃烧，作用机理主要是氧传递理论和电子转移理论。

氧传递理论假定非催化反应的速度受制于氧气、二氧化碳或水的表面化学吸附，并且认定催化剂颗粒为具有活性的化学吸附中心。表面催化剂在金属到金属氧化物、或者低价氧化物到高价氧化物之间的氧化还原循环中由于不稳定的表面状态，可分解产生氧原子，分解的氧原子立即与碳表面反应，加快了氧气扩散的速度，使燃烧更易进行。因此，该理论中催化剂可以视为氧原子的分解中心。

电子转移理论认为在加入催化剂的燃烧反应中，存在2种固相和1种气相，即气-固两相反应，其中助燃剂和碳直接发生固相电子转移，助燃剂中的金属离子能够被活化，从而使自身的电子发生转移成为电子给予体，金属离子形成空穴，而碳表面的电子结构也发生变化，碳氢组合更为有序，从而能更多地接触氧分子；同时催化剂在加快自由基的生成和运动速度的过程中会释放更多的氧分子，使得反应温度要比正常燃烧温度低得多。

基于以上理论，经燃煤催化剂作用后的煤炭在燃烧过程中表现出着火温度降低、燃烧速度提高、煤在炉膛里的燃尽时间缩短、燃烧强度提高和炉膛温度升高等现象。

2 试验研究

2.1 试验条件及内容

本试验所用催化剂是由美国亚洲煤催化剂有限公司生产的固体碱金属催化剂，该固体催化剂中的氧化剂能够加速自由基的运动，即加速碳原子活化过程，在这一过程中使碳氢组合更为有序，从而能够更多地接触氧分子，有助于加快燃烧过程中发生的物理及化学反应。催化剂在加快自由基生成和运动速度的过程中会释放更多的氧分子，使得反应温度要比正常燃烧温度低得多。

本试验采用添加催化剂前、后锅炉的重要能耗指标及排污指标对比的方法测试催化剂效果。在控制锅炉给煤量不变、入炉煤低位发热量不变，且锅炉其他工况稳定的条件下，通过加入不同比例的催化剂，观察锅炉床温、锅炉负荷、测量出口烟气及灰渣成分变化，从而计算出锅炉吨标煤产蒸汽量与正平衡热效率指标等数据，得出催化剂在节能环保方面的性能。

2.2 试验准备

(1)试验锅炉选择。节煤效果评价的准确程度首先取决于锅炉负荷和入炉煤质稳定等条件，根据生产条件及现场情况，需要选择1台工况相对稳定的锅炉，开展燃煤添加应用对比试验。试验期间，试验机组采用单炉上煤的运行方式。锅炉选用2008年启用的中煤龙化公司6#循环流化床锅炉，其型号为CG-130/9.81-MX15，设计能力为130 t/h。

(2)计量仪表校正。在试验开始前，检查和校正皮带秤、电功率表等计量仪表的准确性和稳定性，以确保试验数据的准确性。

(3)催化剂添加方案选择。国内外不同类型锅炉的试验数据表明，催化剂与入炉煤燃料比例在0.50%～1.50%之间节能效果较为明显，且在有石灰石的情况下对催化剂的作用有一定抑制作用。为保证试验用催化剂的供应量，本试验在无石灰石的条件下选用催化剂添加量为0.50 kg/t与1.50 kg/t这2个比例进行测试；在有石灰石的条件下添加0.50 kg/t的比例进行试验。根据现场条件，选择燃料煤皮带车间作为催化剂的最佳添加点，在燃料煤到达燃料煤仓之前，将催化剂通过填料斗均匀洒在经带式输送机运送的燃料煤上一同入仓，做到分散均匀。

2.3 试验进度与安排

本次测试分为无催化剂运行和有催化剂运行2个不同测试条件。每个测试条件的测试时间、参数选取和现场配合等全部相同，每一个测试条件下测试时间为24 h。具体测试时间分配情况如下：第一入炉煤置换阶段为8 h，更换催化剂配比；第二测试准备阶段为4 h，观察数据稳定性；第三正式测试阶段为12 h，每隔15～20 min记录一组数据。

3 结果及数据分析

3.1 数据分析

试验采用锅炉正平衡效率和吨标煤产蒸汽量这2个指标来表示催化剂提高燃烧效率的作用，并分析烟气中二氧化硫、氮氧化物及含氧量等指标，检测底灰和飞灰中的残碳量等，进一步证明催化剂的节能环保效果。加入催化剂前、后的数据采集与计算见表1。

表1 加入催化剂前、后的数据采集与计算

3.1.1 燃烧效率

由表1可以看出，有石灰石正常工况下锅炉正平衡效率为86.02%，吨标煤产蒸汽量为9.14 t；无石灰石时锅炉正平衡效率为86.60%，吨标煤产蒸汽量为9.15 t。加入催化剂后锅炉热效率和吨标煤产蒸汽量均发生了一定的变化。

(1)催化剂加入量为0.50 kg/t时，在有石灰石工况条件下，置换阶段锅炉效率为88.48%，测试阶段锅炉效率为87.82%，锅炉效率平均提高了2.48%；催化剂加入后置换阶段吨标煤产蒸汽量为9.47 t，测试阶段吨标煤产蒸汽量为9.35 t，平均煤耗降低为2.95%。

(2)催化剂加入量为0.50 kg/t时，在无石灰石工况条件下，催化剂加入置换阶段锅炉效率为90.76%，测试阶段锅炉效率为89.03%，锅炉效率平均提高3.81%；催化剂加入后置换阶段吨标煤产蒸汽量为9.61 t，测试阶段吨标煤产蒸汽量为9.39 t，平均煤耗降低3.83%。

(3)在催化剂加入量为1.50 kg/t条件下的置换阶段和测试阶段，锅炉效率没有明显变化，基本与空白值保持一致，没有表现出节煤效果，该结果有待进一步分析。

(4)在无石灰石工况下催化剂对于锅炉节煤效果更为明显，主要是石灰石脱硫过程中的脱硫反应可能对于催化剂的活化作用有一定的抑制作用，主要化学反应机理有待进一步验证。

3.1.2 灰渣变化

加入催化剂前、后锅炉排放灰渣中含碳量的变化情况见表2。

由表2可以看出：

(1)在有石灰石的条件下，按照0.50 kg/t比例加入催化剂，灰、渣中的含碳量分别降低了8.72%和40.49%；

(2)在无石灰石的条件下，按照0.50 kg/t加入催化剂，灰中的含碳量没有降低，渣中的含碳量减少64.92%；在催化剂加入率为1.50 kg/t时，灰中的含碳量也没有降低，渣中的含碳量减少了52.02%。

无论有无石灰石的运行条件，炉渣的含碳量都大幅降低，其主要原因是催化剂的作用使得燃烧更为充分，提高了燃烧效率。

表2 加入催化剂前、后锅炉排放灰渣中含碳量的变化情况 %

3.1.3 烟气变化

试验中催化剂用量为0.50 kg/t时加入前后烟气中主要成分的变化见表3。

表3 催化剂为0.50 kg/t时加入前、后烟气中主要成分的变化

由表3可以得出，加入催化剂后烟气中的二氧化碳含量升高了10.6%，氧气含量降低13.12%，二氧化硫含量降低19.70%，一氧化氮含量降低21.88%。这主要是由于催化剂的作用使得燃烧所需氧气减少，进而空气量减少，因此氮氧化物随之有所减少。

3.2 其他试验现象

试验后中控室仪表数据显示锅炉负荷明显提高，加入催化剂后，锅炉负荷由正常工况下的114 t/h提高到117 t/h，最高达到124 t/h，提高了最多8.7%。锅炉床温明显提高，加催化剂后炉温提高至950℃，较正常工况的930℃，提高了近20℃。

可以提高燃烧强度从而炉膛温度升高主要原因是催化剂的加入加速了燃烧反应速率，提高了燃烧强度，同样入炉煤条件下，产生的热量更多、蒸汽量更大，从而可以提高锅炉效率。

4 结论

4.1 试验结果

(1)催化剂加入对提高锅炉效率具有一定作用。催化剂加入量为0.50 kg/t时，有石灰石情况下，锅炉效率提高了2.48%，节煤率为2.95%；无石灰石情况下，锅炉效率可提高3.81%，节煤率达到3.83%。在无石灰石加入的运行工况下，催化剂提高锅炉效率的效果更为明显。

(2)催化剂对于灰渣含碳量的减少具有一定的作用，尤其对炉渣含碳量降低作用明显。但在没有石灰石的条件下，对飞灰中的含碳量降低作用不明显，且随着催化剂加入量的增加，降低含碳量的作用也没有随之增加。

(3)催化剂的加入可以起到一定脱硫除氮的效果，在催化剂加入量为0.50 kg/t时，二氧化硫可降低19.70%，氮氧化物降低21.88%，具备一定脱硫除氮的效果，且烟气中氧含量降低，说明催化剂具有一定助燃效果。

4.2 结论

此次试验实现了3.83%的节煤率。按照单台炉运行7000 h/a计算，节煤量为7280 t/a，折算成标煤约为3120 t。如果现有锅炉均使用催化剂，达到同等效果的情况下，可实现节煤量为21840 t/a，折算成标煤约为9360 t。此次试验是催化剂产品首次在大型工业锅炉进行的测试，时间短暂、 工况变化较多，虽取得了一定的效果，但仍不能完全证明催化剂对于循环流化床锅炉的全方面优化效果，应在该类型锅炉进行更长期工业试验。