[发明专利]一种燃煤多相催化助剂

说明书

技术领域

本发明涉及碳基燃料的燃烧应用技术及节能减排技术，尤其涉及一种燃煤多相催化助剂。

背景技术

我国原油、煤炭、天然气储采比分别为12.1年、48年、41.8年，远低于世界平均水平，与世界先进水平相比，我国在能源效率、单位产品能耗等方面仍存在较大差距，主要能耗比世界先进水平高40％，能源利用率为33％，与世界先进水平相差10个百分点。我国100万美元GDP消费能源约1300吨煤当量，为世界平均值的2.4倍。八大主要工业的单位GDP消费能源比世界先进水平高出40％，而工业产品能源、原材料的消耗占企业生产成本的75％左右，节能潜力巨大。在我国一次能源的需求中，煤炭的比重高达70％以上。

在资源短缺，能源价格持续攀升的宏观环境下，如何提高能效、有效减排已成为制约我国可持续发展的关键，如何改变煤的燃烧性能，利用煤的化学干预催化燃烧技术以实现节能减排更是十分迫切。

燃烧过程通过可归纳为两大阶段，即着火阶段和燃烧阶段，着火是燃烧的准备阶段，同时，燃烧又给着火提供必需的热量来源，这两大阶段是相辅相成。以热量作用的性质来划分，煤的燃烧过程分为吸热和放热两个阶段，如附图一所示。

煤在化学和物理上是非均相的矿物或岩石，主要含有碳、氢和氧，还有少量的硫和氮，而其他组成的化合物是成灰的无机化合物。煤的热解主要与煤种的有机物有关。煤中的有机物质主要由C、H、O、N、S以及其他微量元素组成，热解产物主要是由焦油和气体所组成，气体成分中，多数情况下CH₄是主要组成，其余CO₂、CO、H₂以及轻质烃等。其热解模型如附图二所示。

一般来说，挥发分V_daf高、发热量Q_ar.net高、活性强、活化能低的燃料容易燃烧。阿雷尼乌斯定律指出，分子间的碰撞不是都能发生化学反应的，只有那些碰撞能量足以破坏现存化学键并建立新的化学键的碰撞才是有效的。为使某一化学反应得以进行，分子所需的最低能量称为活化能，用E表示。能量达到或超过活化能E的分子称为活化分子。活化分子的碰撞才是发生反应的有效碰撞，所以反应只能在活化分子之间进行。

对于活化能高的无烟煤和贫煤，要强化其燃烧就必须提高温度。如某烟煤的活化能E＝130MJ/kmol，当T由300K提高到400K时，反应速度几乎增加45万倍，这就清楚地说明了温度对反应速度影响十分显著。附图三为不同煤种的反应活化能范围。

热力学第一定律指出：“能量不可能被创造也不可能被消灭；但能量可以从一种形态转变为另一种形态。

催化燃烧节煤机理为，化学反应的发生主要是化学键的断裂和形成过程，要实现这个过程，反应物分子就须要获得活化能。催化剂的作用正是降低了这个反应所必须的活化能。煤炭本身燃烧所消耗的活化能E占煤炭总能量的20％-40％。根据燃烧的作用机理，通过化学干预方式，引入高效节煤助剂，功能性金属离子融进碳的晶格，促进煤结构单元的含氧官能团侧链、桥键断裂或削弱，C-H、C-C、C-O、C-N、C-S键的活化能降低，提高反应活性。同时降低燃烧内耗、相应增大锅炉输入热量Q_r，增加显热发热量和从燃烧过程吸热阶段实现节煤的目的，同时由于着火点的降低，煤炭在炉内的燃烧时间相对延长，化学部完全燃烧损耗Q₃和物理不完全燃烧损耗Q₄减少，从而起到很好的综合节煤效果。

化学干预节煤助剂不含易燃、易爆及挥发性物质，不含有对设备、环境和皮肤有害的腐蚀性元素，不改变煤炭的坩锅粘结等特性，用户在使用过程中不需更换或变动任何设备。

煤的燃烧过程包括挥发分析出、燃烧、以及焦炭的燃烧，其中焦炭的燃烧时间几乎占了煤全部燃烧时间的90％。根据研究与实验证明对催化燃烧起主要作用的是化合物中的金属元素，存在着所谓的金属效应，而且大多数是碱金属、碱土金属、过度金属元素。催化与燃烧一直是紧密相连的。根据其作用，催化剂实际上可以分为催化着火助燃、催化燃烧、催化低Nox燃烧、催化脱硫和防止结渣的作用。而化学反应的发生，主要是化学键的断裂和形成过程，要实现这个过程，反应物分子就需要获得活化能，催化剂的作用正是降低了这个反应所必需的活化能。从国内外专利文献检索和实际应用情况来看，可将现有节煤技术从公布的原理和配方大致分为四类。