催化剂对高热煤燃烧特性的影响研究

摘 要：利用碱金属类催化剂对高热煤进行催化燃烧实验，实验使用综合热重分析仪研究了煤粉中添加催化剂后其燃烧特性。实验研究结果表明，煤的燃烧受催化剂种类及担载量的影响，NaCl、CaCO3、CeO2、Fe2O3对煤粉燃烧都有或多或少的催化作用，且催化作用的方向不同。Fe2O3使煤粉燃烧更剧烈；CaCO3、CeO2降低煤粉燃烧的放热量，使煤粉燃烧不稳定；NaCl的加入，对煤粉燃烧燃烧点没有太大的影响，但是出现波峰的峰值较大，提高了煤粉燃烧的放热量，且后期再次出现波峰，增加了煤粉持续燃烧的能力。NaCl的最佳添加量为10%。

关键词：热重分析 催化 燃烧

中图分类号：TQ015.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0220-02

造成大气环境污染雾霾最主要的因素就是煤烟型大气污染，尤其是煤烟中含有大量的PM2.5[1]。煤炭在燃烧过程中，存在很多问题（着火温度高、燃烧速率低及燃不尽等）使得煤炭在燃烧中得不到有效利用，污染排放严重。如何提高煤炭的利用率，近年来许多研究者做了大量的研究工作，学者的研究结果表明，催化剂可以有效地提高煤粉的燃烧效率[2-4]。张淑会[5]等针对氯化物对高炉喷吹用煤粉燃烧性能研究，结果表明，适量的CaCl2，MgCl2，NaCl和FeCl3均能改善高炉喷吹用煤的燃烧性能。杨友，罗俊韬[6]对高温条件下催化剂对煤粉燃烧特性进行了研究，研究结果表明KNO3的催化效果好于NaCl和锰矿物质，随着添加剂量的增加，燃烧率在添加量1%处出现了拐点。是为了实现燃煤高效、洁净的燃烧，采用了燃煤添加剂。该文利用综合热重分析仪，通过添加碱金属等催化剂对开滦高热煤燃烧特性进行深层研究。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验选取的是开滦煤，粒级为150～100um。煤工业分析及元素分析如表1。

催化剂原料采用化学试剂级，纯度大于99%，粒径为130um以下。催化剂与煤粉混合方式为先用蒸馏水混拌，然后在80℃下烘干，再用研钵混合10min；催化剂质量分数为7～13%。

1.2 实验仪器

采用综合热重分析仪（DTA），以10℃/min升温的速率由室温升温到95℃，然后恒温5min，以干燥脱水，继而以15℃/min的升温速率快速升温到1000℃，采集温度为 100℃～1000℃。试验过程中动态记录样品坩埚和参比坩埚中温差随时间的变化，经画图软件处理得到DTA的热分析结果。

1.3 实验方法

（1）最佳单一催化剂种类的选择。

分别研究加入相同百分数不同种类的催化剂对煤粉燃烧的影响，得出最佳催化效果的单一催化剂。实验方案见表2。

（2）最佳单一催化剂最佳用量的确定。

选用最佳单一催化剂用量为7%、9%、10%、11%、13%，分别进行常规DTA，参比DTA实验。

2 结果与讨论

2.1 催化剂种类对催化燃烧反应性的影响

用常规DTA法分别测出原煤、原煤+NaCl、原煤+CaCO3、原煤+CeO2、原煤+Fe2O3常规DTA曲线。原煤DTA曲线见图1。

加入NaCl的煤粉试样也是在350℃左右出现波峰，则说明催化剂对煤粉的燃点无较大影响，但是加入NaCl的煤粉在480℃左右出现了第二个波峰，且以后DTA数值大于原煤对应温度下的数值，则说明NaCl的加入，增加了煤粉持续燃烧的温度。

加入原煤+CaCO3的煤粉试样对煤粉的燃烧的燃点没有太大的影响，与原煤相比他在后期能够促进煤粉的持续燃烧，但是与加入NaCl的煤粉试样的燃烧情况对比，CaCO3加入的煤粉催化燃烧后期温度没有NaCl加入的温度高。NaCl比CaCO3催化效果要更好一些。

加入原煤+CeO2的煤粉试样对煤粉燃烧的燃点也没有太大的影响，但是DTA数值比原煤小很多，这就说明煤粉燃烧放出的热量减少了，使得DTA数值减小。但是后来出现了一系列波峰与波谷，这表明催化剂的加入对煤粉燃烧起到很大影响，使煤粉燃烧情况很不稳定。与前两种催化剂加入催化燃烧的情况相比，催化效果纵然很明显，但是总体效果较差。

加入原煤+Fe2O3的煤粉试样燃烧的第一个波峰出现在500℃左右，明显增高了煤粉的着火点，使煤粉不易于燃烧。随后一直作用于煤粉的燃烧过程，使得煤粉持续高效燃烧并出现三次波峰，且峰值呈现递增趋势，这表现出煤粉的快速燃烧。但是在700℃后DTA数值明显下降，催化作用依然很明显，但是温度较低且不稳定。

比较上述四种催化剂对开滦煤燃烧特性的影响，NaCl的加入，对煤粉燃烧燃烧点没有太大的影响，但是出现波峰的峰值较大，提高了煤粉燃烧的放热量，且后期再次出现波峰，增加了煤粉持续燃烧的能力。CaCO3的加入，也没有对煤粉燃烧燃点有太大影响，后期持续作用虽然有所增强，但是不如NaCl的催化作用强。CeO2的加入，降低了煤粉燃烧的热值，虽然波峰跨度增大，但是效果不行。Fe2O3的加入，使得煤粉燃烧滞后，燃烧中期作用很强，但是到达后期对煤粉燃烧起了负面作用，不予采纳。

2.2 最佳单一催化剂最佳用量的确定

别测出原煤+7%NaCl、原煤+9NaCl3、原煤+11%NaCl、原煤+13%NaCl常规DTA曲线。分别分析7%、9%、10%、11%、13%参入量对煤粉燃烧的影响。

加入7%NaCl煤粉的燃烧相对于10%NaCl加入量煤粉的燃烧波峰出现的温度大致相同，10μv左右，且后来也没有出现二次峰，后期催化效果明显不如10%NaCl加入量煤粉的燃烧。

9%NaCl加入量的煤粉燃烧相对于10%NaCl加入量对煤粉的燃烧的催化作用很相近，但是9%NaCl加入量煤粉燃烧的一次峰值较小，后期对煤粉燃烧的催化作用很明显屡屡出现波峰、波谷。但是放热量相对较小。

11%NaCl加入量的煤粉前期较10%NaCl加入量煤粉催化效果要好，虽然峰值比较低，但是波峰的跨度大。且持续作用于煤粉的燃烧。在煤粉燃烧后期，催化作用很明显但其放热量较小。

13%NaCl加入量的煤粉燃烧再出现波峰前后与10%NaCl加入量的煤粉燃烧大致相同，但是由于加入量过大，后期的催化效果明显不足。在860℃以后对煤的燃烧起到负面作用。

通过比较六条曲线，7%NaCl加入量煤粉的燃烧始终低于原煤粉的燃烧，起到负面作用。9%NaCl、11%NaCl加入量虽然波峰较原煤燃烧低，但是后期对煤粉的燃烧催化作用比较明显。13%NaCl加入量的煤粉前期对煤粉燃烧催化作用不明显，后期明显降低了煤粉的热值。10%NaCl是最佳的添加量。

3 结语

（1）NaCl、CaCO3、CeO2、Fe2O3对煤粉燃烧都有或多或少的催化作用，且催化作用的方向不同。NaCl的加入使开滦煤粉燃烧剧烈，综合催化作用最好。Fe2O3使煤粉燃烧更剧烈。CaCO3、CeO2降低煤粉燃烧的放热量，使煤粉燃烧不稳定。

（2）通过比较单一催化剂相同用量的加入，得到四种催化剂中催化作用最好的是NaCl。

（3）在经过改变NaCl的加入量来寻找最佳的NaCl加入量，分别对7%、9%、10%、11%、13%加入量进行实验，在分析了常规DTA曲线与参比DTA曲线后得到了NaCl的最佳添加量是10%。

参考文献

[1] 陈彦杰.煤炭催化燃烧实验研究[J].中国新技术新产品，2014（10）：102-103.

[2] 公旭中，郭占成，王志.Ca-Fe-Ce系催化剂对无烟煤燃烧的影响[J].燃料化学报，2009，37（4）：466-471.

[3] 肖健立，康华，王振阳.燃煤催化剂催化机理的探讨[J]，煤炭技术，2002，21（11）.

[4] 王树东，吴迪镛.添加剂对煤燃烧性能影响的研究[J]，燃料化学报，1998，26（3）.

[5] 张淑会，武兵强，刘小杰，等.几种氯化物对高炉喷吹用煤粉燃烧性能的影响[J].煤炭学报，2014，39（S2）：526-530.

[6] 杨友，罗俊韬.高温条件下催化剂对煤粉燃烧性能的研究[J].中氮肥，2014（3）：37-40.