液体节煤催化剂在煤粉锅炉中的应用研究

蒋正宇,石 永，王秀荣，陈龙海，汪宝全，梅 柳，李慧芝

(1 龙祥雨(深圳)科技有限公司，广东 深圳 518109；2 陕西延长石油兴化化工有限公司，陕西 咸阳 713100；3 深圳阳辰节能有限公司，广东 深圳 518109)

碳排放的增加是导致全球气候变暖、温室效应，以及出现极端恶劣天气，碳排放增加的主要因素是由于人类大量使用化石、煤炭能源所造成的，高能源的消耗就意味着高碳和有害气体的排放量。2021年我国能源消费总量为52.4亿吨标准煤，煤炭消费量占能源消费总量的56.0%，我国仍以煤炭消费为主，而它又是不可再生的资源，因此，对其燃烧的基本要求是“高效率、低污染”的清洁利用十分重要。煤粉炉是以煤粉为燃料的锅炉设备，它具有燃烧迅速、完全、容量大、效率高、适应煤种广，便于控制调节等优点，被广泛应用到火力发电、化工厂等供热工业中。如何提高煤粉炉锅炉效率是提高电厂、化工厂效益的重点。除进行煤粉炉设备结构提升和运行优化调整外，使用节煤催化剂也是实现节能减排的重要途径[1-4]。

因此，在陕西延长石油兴化化工有限公司4台UG-160-9.8/540型煤粉锅炉添加龙祥雨(深圳)科技有限公司生产的LXY节煤催化剂进行现场工业试验，科学评价液体节煤催化剂在煤粉锅炉中的节煤效果[5-7]。这对提高锅炉燃烧效率、降低煤耗、减少二氧化碳、固体颗粒物排放和降低灰渣残碳量具有十分重要的意义。

1 节煤催化剂特性及使用方法

1.1 节煤催化剂的特性

LXY节煤催化剂是龙祥雨(深圳)科技有限公司研发的高效节煤催化剂，透明液体，具有不燃、不爆、不挥发、无毒、对设备无腐蚀，使用安全，对人体不会造成伤害等特点，其基本物化指标如下：pH值：4.51；密度：1.21 t/m3；含固量：31%。

1.2 节煤原理

煤的燃烧是一个吸热和放热的过程，煤实际被利用的热量等于煤燃烧所放出的热量减去煤燃烧所需吸收的热量，因此，如果能够设法降低煤燃烧所需的吸热，就相当于提高了煤的发热量，从而可降低燃煤内耗。节煤剂是以降低煤炭燃烧的活化能为切入点，以提高煤的综合燃烧性能和降低燃煤消耗为目的。

节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[8]。基于以上理论，经节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。

1.3 使用方法

节煤催化剂添加量为原煤量的0.1%，将添加设备喷淋器置于煤磨之前的传输皮带上方，通过传输过程中的渗透作用和煤磨的研磨，使节煤催化剂与原煤充分混合均匀。

2 试验方法

本次试验节煤催化剂及添加设备由龙祥雨(深圳)科技有限公司提供，陕西延长石油兴化化工有限公司负责试验用煤和锅炉运行操作，各方共同记录试验数据并进行整理分析修正。

2.1 试验安排

试验安排在4台UG-160-9.8/540型煤粉锅炉进行，4台锅炉共用一条输送带，试验时间共计27天，空白期11天，过渡期1天，添加期15天。具体时间为2022年9月16日00:00至2022年9月26日24:00为空白期，2022年9月27日为过渡期，2022年9月28日00:00 至 2022年10月12日24:00为添加期。

2.2 试验期间锅炉运行负荷

空白期锅炉平均产汽量为148 t/h；由于化工厂生产工艺过程用气量波动，锅炉负荷随时调整，催化剂添加期锅炉平均产汽量为126.7t/h，添加期负荷小于空白期。

2.3 试验用煤

由于公司的同一批进煤量有限，不能满足27天试验用煤量的要求，因此每天对所用煤的煤质进行1次工业分析。

2.4 试验用节煤催化剂配比

试验用节煤催化剂与原煤实际质量配比为1:1000。为了使节煤催化剂与原煤混合均匀，试验了节煤催化剂与水稀释不同比例进行试验。结果表明在煤粉炉中不加水稀释就可以达到节煤的效果。

3 结果与讨论

3.1 数据取值说明

每日的蒸汽产量、原煤消耗量，煤样分析数据包括水分、灰分、挥发分、热量数值。标煤的热值为293076 kJ/kg，节煤催化剂的价格为2.0万元/t，原煤价格为1000元/t。

3.2 计算公式

吨汽耗煤量(kg/t)=每天燃煤量(kg)/每天蒸汽产量(t)

(1)

吨汽标煤耗量(kg/t)=吨汽耗煤量(kg)×煤的发热量(MJ/kg)/29.3076

(2)

(3)

式中：G0——空白期吨汽耗煤量，kgec/t

G1——添加期吨汽耗煤量，kgec/t

3.3 试验结果

3.3.1 节煤率及锅炉效率

锅炉添加节煤催化剂的空白期和和添加期的试验数据汇总如表1所示。表1中的数据已经根据煤仓每天的仓位，催化剂用量、稀释水用量、煤的热值、水分，锅炉负荷提高而使煤耗降低等因素进行了修正。添加0.1%节煤催化剂后炉膛床温、床压正常，锅炉蒸汽参数正常，锅炉运行平稳。

测试锅炉正平衡效率(执行标准 GB/T10184-2015)作为参考；正平衡计算锅炉效率结果如下表所示，空白期计算正平衡效率为81.36%，添加期计算正平衡效率为85.20%，可见添加催化剂后锅炉效率提升了4.72%。

表1 LXY节煤催化剂添加前、后数据采集汇总及计算Table 1 Data collection and calculation before and after adding LXY coal saving catalyst

由表1可见，由于生产系统用汽量波动，锅炉添加期在较低负荷运行，添加期的负荷较空白期降低21.57 t/h，添加节煤催化剂期间平均节煤率为4.69%，具有明显的节煤效果，添加催化剂后锅炉效率提升了4.72%，节煤率与炉效率提升吻合。10月10日到10月12日节煤效果尤为显著，这可能是在10月10日后节煤催化剂没有加稀释水的作用。

3.3.2 烟道气中颗粒物含量及烟气温度

添加节煤催化剂可以减少了排放到大气中的粉尘量。如图1所示，在空白期内，烟气中颗粒物含量的平均值是15.95 mg/m3；在节煤催化剂添加期，颗粒物平均值降为7.28 mg/m3，下降了54.22%, 效果明显。

添加节煤催化剂后排烟温度较空白期的平均温度降低6～8 ℃，说明添加节煤催化剂使煤炭在炉内充分燃烧。

图1 烟气中颗粒物含量变化Fig.1 Change of particulate matter content in flue gas

3.3.3 烟气中氧含量的变化

图2所示为烟道气中氧气含氧量的变化。空白期烟气中氧含量平均值是6.3%，添加期烟气中氧气含量平均值下降为5.65%，烟气中氧含量下降率为10.32% 。加入节煤催化剂后，促进了煤的燃烧，增加了氧气的消耗量，从而使得排放的烟气中氧含量降低。

图2 空白期和添加期烟气中氧含量对比Fig.2 Comparison of oxygen content in flue gas during blank period and addition period

3.3.4 炉渣、飞灰中可燃物含量变化

飞灰和炉渣含碳量是衡量燃烧效果的一个重要依据，飞灰和炉渣含碳量越低，说明煤中可燃物燃烧的越彻底。

图3 空白期、添加期炉渣中可燃物含量对比Fig.3 Comparison of combustible content in slag in blank period and adding period

图4 空白期、添加期飞灰中可燃物含量对比Fig.4 Comparison of combustible content in fly ash during blank period and adding period

图3为空白期和添加期炉渣可燃物含量变化对比。炉渣含碳量的平均值由空白期的2.82%降为2.19%，下降率为22.34%；图4为飞灰空白期和添加期可燃物含量变化对比。飞灰含碳量由空白期的4.42%下降到2.18%，下降率为50.68%；

由于节煤催化剂对煤燃烧反应的作用，使得煤得以充分燃烧，降低了飞灰和炉渣含碳量，说明节煤催化剂使煤炭燃烧完全。

3.3.5 二氧化硫氮氧化物减排影响

空白期烟气中二氧化硫含量平均值为714.78 mg/m3，添加期的平均值为613.08 mg/m3，二氧化硫含量下降了14.23%。空白期烟气中氮氧化物含量平均值为58.48 mg/m3，添加期NOx含量平均值为47.09 mg/m3。NOx含量下降了19.48%。添加节煤催化剂对SO2、NOx具有一定的减排效果。SO2、NOx的排放是一个复杂的过程，与很多因素有关，比如煤炭中硫、氮的含量及存在的形式，锅炉燃烧过程的温度、气流量等因素都会影响SO2、NOx的排放。

4 结 论

通过在陕西延长石油兴化化工有限公司有4台蒸汽锅炉，锅炉型号UG-160-9.8/540，进行0.1% LXY节煤催化剂添加测试，锅炉在添加节煤催化剂后的运行性能，主要得到以下结论：

(1)锅炉运行平稳，锅炉各部温度、压力、阻力、各辅机设备运行正常，锅炉蒸汽指标稳定。使用安全可靠，9天空白期产蒸汽97918.6吨，吨蒸汽标煤耗118.83 kg/t；添加期产蒸汽182374吨，吨蒸汽标煤耗113.25 kg/t，标煤耗节煤率4.69%，节煤效果显著。

(2)目前煤价按每吨0.1万元/t计算，节煤催化剂的价格为2.0万元/t，每购进1吨节煤催化剂厂家的效益为：46.9×0.1-2.0=2.69万元，厂家的盈亏点每吨煤的价格426元/t，具有显著的经济效益。

(3)对空白期、添加期的粗灰渣、细灰渣中残留碳进行测定，粗灰渣中残留碳空白期的平均值为2.79%，添加期的平均值为2.15%，粗渣下降22.34%；细灰渣中残留碳空白期的平均值为4.42%，添加期的平均值为2.09%，细灰渣中残留下降50.68%，这说明原煤添加LXY节煤催化剂后，促进了煤的完全燃烧，使得残碳减少，氧气消耗增多。

(4)添加LXY节煤催化剂后烟气中颗粒物比空白期降低54.22%，说明添加节煤催化剂后煤炭燃烧更完全了。

(5)添加节煤催化剂前后的锅炉效率分别为81.36%和85.20%。可见添加LXY节煤催化剂提高锅炉效率4.72%。