CN101372640A - 煤炭催化剂和添加剂的添加方法 - Google Patents

Abstract

一种煤炭用催化剂和添加剂添加方法，将煤炭用催化剂和添加剂用溶媒溶解而成，添加能增加与煤炭表面充分接触和内部渗透的成分，通过喷雾的方法添加到煤炭上，使煤炭用催化剂和添加剂能最大限度地在煤炭内外表面上分布，从而保证在煤炭发生反应时能最大限度的发挥催化剂和添加剂的效果，使反应速度和产率得到提高，达到提高煤炭利用率、节约煤炭资源、减少污染物、安全高效生产等目的。

Description

煤炭催化剂和添加剂的添加方法

技术领域

本发明属于煤炭催化剂和添加剂的应用技术领域。

背景技术

煤炭是国家能源最重要的组成成分之一，我国的一次能源是以煤炭为主，在一次能源中的比重高达70％左右。据统计，在我国消耗的每年近20亿吨煤炭中，85％以上是直接用于火力发电、工业锅炉、工业窑炉和家庭炉灶等直接燃烧。但是，目前我国煤炭利用效率普遍较低，比发达国家低10％左右。而煤炭的大量直接燃烧，加上煤炭大多质量较差以及燃烧效率低下，对我国的环境造成了严重破坏，也直接导致了我国严重的燃烧型大气污染。据统计，2000年煤炭燃烧排放的SO₂和烟尘分别占全国总排放量的90％和70％左右，CO₂和NO_x排放量也分别占到全国总排放量的80％和65％左右。

如何减缓和减少急剧增加的巨量煤炭消耗和燃烧煤炭带来的日益严重的环境污染是我国目前面临的两大问题，即能源危机和环境污染问题。解决这两大问题的思路之一是在煤燃烧或反应中使用各种催化剂和添加剂，如煤燃烧催化剂，不仅具有优良的促进燃烧提高效率节约能源的作用，同时还有优良的脱硫脱氮作用，能减轻煤燃烧对环境的污染。煤炭用催化剂和添加剂的研究得到了世界各国的重视，引起了众多科技工作者的广泛关注，并进行了大量的理论与实验研究，取得了良好的研究效果。

各类煤炭用催化剂和添加剂在实际应用时，都涉及到催化剂和添加剂的添加方式的问题。目前煤炭用催化剂和添加剂的添加方式主要有直接混合、喷洒、浸渍和离子交换等方法。

从各种煤炭用催化剂和添加剂的多种添加方式的实验研究结果可见，将固体煤炭用催化剂和添加剂直接混入煤粉之中的方式，由于催化剂和添加剂的分散程序不够均匀，与煤炭接触和反应反应面积小致使催化剂和添加剂添加量最大而作用效果最差(1.肖健立，康华，王振阳，燃煤催化剂催化机理的探讨，《煤炭技术》，2002，21(11)，73～75。2.马振兴，郭兴修，李京，韩爱岭，燃煤催化剂的研究与应用，《热能动力工程》，2001，16(6)，579～581。3.徐万仁，杜鹤桂，催化剂对煤粉燃烧催化剂的影响，《燃烧化学学报》，1995，23(3)，272～277。)既使增大添加量也难以获得明显的改善效果。

将催化剂和添加剂转换为水溶液喷洒添加方式，与直接混入方式相比，一方面改善了催化剂和添加剂在煤中的分散均匀程度，同时还提高了催化剂和添加剂与煤的反应接触面积，催化和作用效果得到了较明显的提高。但是这种添加方式由于水的使用，不仅将催化剂和添加剂的种类局限在可溶盐类，而且由于水与煤炭的接触湿润问题，很难让催化剂和添加剂进入煤炭内部，使得催化和作用效果有限。还有很重要的一点是大量外水的增加对于煤炭的反应和反应器都是不利的，如煤炭在燃烧过程中，外水较高不仅影响锅炉的效率而且加剧了锅炉的腐蚀，带来严重的安全问题。

煤催化剂和添加剂水溶液浸渍的添加方式，在喷洒添加的基础上，进一步改善了催化剂和添加剂的分散程度与反应接触面积，因而作用效果进一步得到提高。但这种方法除了将催化剂和添加剂的种类局限在可溶盐类之外，还需要大的浸渍厂房和空间，也要增加额外的操作，增加了人力、物力和生产成本。另外，由于大量浸渍液的使用，有可能带来二次污染。

离子交换的添加方式作用效果最好，该方式真正实现了催化剂和添加剂与煤的化学吸附(白金锋，王勇，胡浩权等，原位担载Fe₂O₃催化剂煤热解动力学研究，《燃烧化学学报》，2001，29(1)，39～42)。但该方法不仅有浸渍法的缺点，而且需要多道操作，二次污染大，操作成本也是最高的，很难在生产上大量推广。

添加方式的不同对于煤炭用催化剂和添加剂的作用效果、添加量和生产成本都有很大的影响，研究和开发合适而有效的煤炭用催化剂和添加剂的添加方法就有着重要的研究和现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决煤炭用催化剂和添加剂现在各种添加方式添加量大、作用效果不够好、操作麻烦和二次污染等问题；根据煤炭自身结构、表面性能和反应性能的特点，结合化学、表面科学、流体力学、燃烧学和反应动力学等方面的技术，提高煤炭用催化剂和添加剂的分散效果和作用效果，减少催化剂和添加剂的用量，改善添加方式的可操作性，降低运营成本和维护成本，提供一种具有良好安全性、稳定性、经济性及作用效果好的煤炭用催化剂和添加剂添加技术。

本发明采用的技术方案如下：本发明的煤炭用催化剂和添加剂添加方法，将煤炭用催化剂和添加剂用溶媒溶解而成，添加能增加与煤炭表面充分接触和内部渗透的成分，通过喷雾雾化的方法添加到煤炭上，使煤炭用催化剂和添加剂能最大限度地在煤炭内外表面上分布，从而保证在煤炭发生反应时能最大限度地发挥催化剂和添加剂的效果，使反应速度和产率得到提高，达到提高煤炭利用率、节约煤炭资源、减少污染物、安全高效生产等目的。

所使用的溶媒选自水和油性物质，油性物质包括柴油、煤油、生物柴油、重油、渣油、松节油，石蜡油，樟脑油、各种溶剂油、食用油、工业和生活废油等中的一种或多种，优选水和柴油。用量为煤炭用催化剂和添加剂量的1～1000倍，优选10～100倍。

增加与煤炭表面充分接触和内部渗透的成分选自硬脂酸、苯甲酸、肉桂酸、草酸、丙二酸、马来酸、邻苯二甲酸、甘油酸、丙酸等的甲酯、乙酯、丙酯、丁酯、戊酯、辛酯、乙二酯、丁氧基乙酯、丙三酯、山梨醇酯、苯酯、苄酯；脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯蓖麻油、聚氧乙烯聚氧丙烯单丁基醚、聚氧丙烯聚氧乙烯丙三醇醚、仲辛醇聚氧乙烯醚、烷基聚氧乙烯醚乙酸酯、月桂醇聚氧乙烯醚硫酸三乙醇胺盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵、脂肪酸聚氧乙烯醚、苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚、苄基苯酚聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、山梨醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯山梨糖醇酐三硬酯酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单月桂酸酯、山梨醇酐单月桂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单棕榈酸酯、聚氧乙烯(4)山梨糖醇酐单硬酯酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐三油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单硬酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚；二甲基硅油、苯基硅油、氯苯基硅油等中的一种或多种。优选硬脂酸丙三酯、脂肪醇聚氧乙烯醚和二甲基硅油。上述成分是煤炭燃烧领域和其他领域常用的能增加与表面充分接触和内部渗透的成分，参考《煤的润湿性研究及其应用》，[日]村田逞诠著，煤炭工业出版社1992年10月第1版和《表面活性剂应用大全》，刘程、张万福著，化学工业出版社1998年版。用量煤炭用催化剂和添加剂量的0.001～10倍，优选0.01～1倍。

依煤炭的种类、品种、品质、燃烧炉和反应器的工况与使用要求，选取合适的煤炭用催化剂和添加剂用溶媒溶解为一定浓度的溶液或乳液，添加合适量的增加与煤炭表面充分接触和内部渗透的成分后，得到可以用于添加的添加液。

添加时，采用高速离心雾化器、气流雾化器和压力雾化器等装置形成气雾，雾化液滴一般小于100微米，优选小于20微米。这样能使煤炭原料与气雾接触，保证煤炭用催化剂和添加剂能最大限度的与所有煤炭颗粒表面上分布。再在内部渗透成分的作用下，能将煤炭用催化剂和添加剂携带进煤炭颗粒内部和内表面上，确保最大限度的在煤炭原料表面和内部充分分散，从而在以后的反应中发挥最大的作用效果。

含有煤炭用催化剂和添加剂的溶液或乳液的添加量为煤炭量的万分之0.1～50，优选万分之0.5到20。添加后的煤炭，在使用前需要放置1分钟到24小时后使用，优选30分钟到4小时，确保催化剂和添加剂在煤炭内部充分渗透和分散。

添加时，可以利用雾化装置在煤炭粉碎设备入口处雾化添加，也可以在传送带输送煤炭过程中雾化添加，也可在煤炭进入反应器或锅炉设备时雾化添加。这样，它可以被广泛应用于各种煤炭反应器，包括煤粉炉、链条炉、煤窑炉、流化床、焦炭炉、煤气炉等装置。

本发明方法具有分散效果和作用效果好，显著减少催化剂和添加剂的用量，操作和使用方便，成本低，具有良好安全性、稳定性、经济性及作用效果好等特点。

本发明的技术原理：

众所周知，煤是一种不均匀的有机燃料，主要是由植物的部分分解和变质而形成的。煤的形成要经历一个很长的时期，常常是处于高压覆盖层以及较高温度条件。不同种类的植物及共不同的腐蚀程度，形成不同成分的煤。煤的种类繁多，不同种类的煤的组成、结构和性能差异较大。其中，煤的内部微孔结构和体积差别也较大，如文献中(孙成功，李保庆，尉迟唯，煤的孔结构特征对水煤浆性质的影响，《燃烧化学学报》，1996，24(5)，434～439)报道的煤种中微孔(<4微米)从0.07mL/g到0.17mL/g不等。而这些微孔在煤炭应用过程中对应用性能有很重要的影响。比如，在煤炭燃烧过程中，低挥发份的裂解和析出、焦炭的燃烧等均发生在煤炭的内部和内表面上，所以要改善煤炭的反应活性和附加性能，如脱硫脱氮，就必须清凉确保在内表面上使用各种催化剂和添加剂。

在各种煤炭用催化剂和添加剂的添加方式中，明显直接混合法由于添加物为固体，颗粒太大，基本上不能进入煤炭的内表面或内部，所以效果最差；而喷洒和浸渍法能确保部分添加物进入煤炭的内表面，所以作用效果有提高。但由于体系为水性，而煤炭内表面为亲油性的，由于内部大量微孔的毛细现象，这两种方法中添加物进入煤炭内部的量有限，所以作用效果也有限；而离子交换法因为作用时间比较长，一些渗透组分和作用条件的帮助，添加物能更多的进入煤炭内部，表现出最好的效果。

基于煤炭的空隙结构和特性，本发明就是采用合适的亲油性的溶媒溶解对煤炭反应性能和附加性能有作用的催化剂和添加剂，如燃烧催化剂、脱硫剂、脱氮剂、消烟剂、煤气促进剂、焦炭促进剂等，形成溶液和乳液。在喷雾后形成极多微小液滴，能与煤炭颗粒完全接触，在合适的亲油性和毛细管效应的作用下，能最多量的进入煤炭内部。在后期的煤炭应用过程中，如燃烧、炼焦、气化和化学转换等，最大限度的发挥作用效果。

与其他各种煤炭用催化剂和添加剂的添加方式相比，本发明具有以下优势：

1)本发明采用的溶媒均为容易获得的物品，购买、使用、配制和运输方便；

2)本发明使用的各种煤炭用催化剂和添加剂的添加量少，成本低，添加量为煤炭量的万分之0.1～50，优选万分之0.5到20。

3)本发明各种煤炭用催化剂和添加剂的作用效果明显，如使用煤燃烧催化剂时，可省煤5～30％不等，使用脱硫剂，可降硫20～80％不等，其性价比远高于其他各种添加方法。

4)本发明使用方法简单，仅需要少量装置，成本低廉。

5)本发明可适用于各种煤炭用催化剂和添加剂，可以单独使用，也可以多种同时使用，达到最好的作用效果。

6)本发明可适用于各种煤炭反应器，包括煤粉炉、链条炉、煤窑炉、流化床、焦炭炉、煤气炉等装置。

7)本发明方法具有分散效果和作用效果好，显著减少催化剂和添加剂的用量，操作和使用方便，成本低，具有良好安全性、稳定性、经济性及作用效果好等特点。

以下实施例对本发明进行详细说明，但本发明涵盖的范围并不仅限于此：

具体实施方式

实施例1

煤燃烧催化剂10份，脱硫剂2份，脱氮剂3份，硬脂酸丙三酯5份，聚氧丙烯聚氧乙烯丙三醇醚2份，充分搅拌均匀，然后加入重质柴油500份，充分溶解得到溶液，即为煤炭燃烧脱硫脱氮催化剂。使用时，通过高速离心雾化器雾化为20～50微米的气雾，与煤颗粒和粉末混合后直接进入锅炉燃烧，燃烧效率提高15～20％，节煤率在20～30％，无黑烟排放，二氧化硫和氮氧化物的排放减少30～50％，炉内结垢减少，锅炉工况明显改善。

实施例2

乙二醇二苯醚5份，草酸二苄酯3份，煤气促进剂15份，二甲基硅油5份，充分搅拌均匀，然后加入石蜡油400份，充分搅拌溶解得到乳状液，即为煤气促进添加剂。使用时，通过气流雾化器雾化为20～100微米的气雾与原料煤粉混合直接进炉反应。气化速度提高20～50％，气化转化率提高10～30％，炉内结焦减少。

实施例3

丙三醇二乙醚2份，邻苯二甲酸二甲酯5份、月桂醇聚氧乙烯醚硫酸三乙醇胺盐3份、煤燃烧催化剂10份，脱硫剂2份，脱氮剂3份，分别分批加入到搅拌的200份水中，得到燃烧催化剂溶液。使用时，通过压力雾化器雾化为20～100微米的气雾与煤粉充分混合，静置1小时后直接进煤粉炉燃烧。燃烧效率提高5～15％，烟气黑度明显降低，二氧化硫和氮氧化物的排放减少10～30％，炉内无结焦，煤灰中碳残留减少30～60％。

实施例4

三甘醇三乙醚5份，肉桂酸戊酯2份，苯基硅油3份，煤燃烧催化剂10份，充分搅拌均匀，然后加入柴油300份，充分溶解得到溶液，即为燃烧催化剂。使用时，通过喷雾与煤颗粒混合后直接进入循环流化床锅炉燃烧，燃烧效率提高10～20％，节煤率在15～30％，无黑烟排放。

Claims (7)

1.一种煤炭用催化剂和添加剂的添加方法，其特征在于：将煤炭用催化剂和添加剂用溶媒溶解，添加能增加与煤炭表面充分接触和内部渗透的成分，通过喷雾雾化的方法添加到煤炭上，使煤炭用催化剂和添加剂能最大限度的在煤炭内外表面上分布，从而保证在煤炭发生反应时能最大限度地发挥催化剂和添加剂的效果。

2.根据权利要求1所述的一种煤炭用催化剂和添加剂的添加方法，其特征在于：所述溶媒选自水和油性物质，所述油性物质选自柴油、煤油、生物柴油、重油、渣油、松节油，石蜡油，樟脑油、各种溶剂油、食用油、工业和生活废油等中的一种或多种，优选水和柴油。

3.根据权利要求1所述的一种煤炭用催化剂和添加剂的添加方法，其特征在于：所述溶媒的用量为煤炭用催化剂和添加剂量的1～1000倍，优选10～100倍。

4.根据权利要求1所述的一种煤炭用催化剂和添加剂的添加方法，其特征在于：能增加与煤炭表面充分接触和内部渗透的成分选自硬脂酸、苯甲酸、肉桂酸、草酸、丙二酸、马来酸、邻苯二甲酸、甘油酸、丙酸等的甲酯、乙酯、丙酯、丁酯、戊酯、辛酯、乙二酯、丁氧基乙酯、丙三酯、山梨醇酯、苯酯、苄酯；脂肪酸聚氧乙烯酯、聚氧乙烯蓖麻油、聚氧乙烯聚氧丙烯单丁基醚、聚氧丙烯聚氧乙烯丙三醇醚、仲辛醇聚氧乙烯醚、烷基聚氧乙烯醚乙酸酯、月桂醇聚氧乙烯醚硫酸三乙醇胺盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵、脂肪酸聚氧乙烯醚、苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚、苄基苯酚聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、山梨醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯山梨糖醇酐三硬酯酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单月桂酸酯、山梨醇酐单月桂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单棕榈酸酯、聚氧乙烯(4)山梨糖醇酐单硬酯酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐三油酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单硬酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚；二甲基硅油、苯基硅油、氯苯基硅油等中的一种或多种。优选硬脂酸丙三酯、脂肪醇聚氧乙烯醚和二甲基硅油。

5.根据权利要求1所述的一种煤炭用催化剂和添加剂的添加方法，其特征在于：所述能增加与煤炭表面充分接触和内部渗透的成分的用量为煤炭用催化剂和添加剂用量的0.001～10倍，优选0.01～1倍。

6.根据权利要求1所述的一种煤炭用催化剂和添加剂的添加方法，其特征在于：煤炭用催化剂和添加剂用溶媒溶解和添加能增加与煤炭表面充分接触和内部渗透后采用高速离心雾化器、气流雾化器和压力雾化器等装置形成气雾添加使用，雾化液滴一般小于100微米，优选小于20微米。

7.根据权利要求1所述的一种煤炭用催化剂和添加剂的添加方法，其特征在于：含有煤炭用催化剂和添加剂的溶液或乳液的添加量为煤炭量的万分之0.1～50，优选万分之0.5到20。添加后的煤炭，在使用前需要放置1分钟到24小时后使用，优选30分钟到4小时。