CN102061212B - 燃煤高效催化助燃剂及其制备方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃煤高效催化助燃剂及其制备方法和使用方法。本发明的助燃剂包括以下组分及质量份数的含量：碱式碳酸铜20～40份，氧化钙10～25份，柠檬酸5～20份，偏钒酸铵5～10份，尿素5～10份，碳酸钾5～10份，硼砂5～10份。它还可包括氧化镧5～10份，镁粉5～15份，硝酸铁0～10份。本发明的有益效果是：复合助燃剂中各组分在高温下释放活性氧或者起到传递氧的作用；破坏煤中的大分子结构，促使其连接结构单元之间的键桥断裂，改善燃煤的燃烧性和提高煤的燃尽率，从而充分利用燃煤，达到节能的目的；与煤的燃烧产物SO₂等发生化合反应，生成难挥发的固体进入灰烬，减少污染气体的排放。

Description

燃煤高效催化助燃剂及其制备方法和使用方法

技术领域

本发明涉及一种高效助燃剂，尤其是涉及一种燃煤高效催化助燃剂及其制备方法和使用方法。

背景技术

煤是植物残骸经过复杂的生物化学和物理化学作用演变而成的，它属于三维空间上的高分子缩聚物而非聚合物，其大分子由许多结构相似而又不相同的结构单元构成，单元核心为缩聚的芳环、氢化芳环或各种杂环，基本单元中的缩聚环之间由-O-、-CH₂-等形成的桥键连接而成。

我国2009年第一季度煤炭消费量6.74亿吨，如今中国的煤炭使用量比美国、欧盟以及日本的使用总和还要大。煤炭的大使用量不但引起了煤炭价格的提高，而且煤炭燃烧的副产品二氧化硫又是中国最大污染源；空气里的二氧化硫直接影响癌症发病率，中国近年出现肺癌的比例快速增长与此有关；二氧化硫会形成酸雨，对农业生产有害，还会引起金属腐蚀以及其他材料的破坏，材料和机器维修更新的需求就会提高。

可见，开发并应用高效节能以及减少污染气体排放的燃煤催化剂，具有重大现实意义。

我国关于燃煤催化剂的研究以及申请的专利并不少，大多均称具有节能、助燃、消烟、除尘等功能，专利中出现过的物质几乎包含了所有常见的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐、盐酸盐等。而我们的研究结果发现，上述种类的物质中，有些对燃煤的催化作用微乎其微；而文献以及专利中尚未出现的某些物质，如碱式碳酸铜、偏钒酸铵、柠檬酸、尿素，其催化效果却比较突出。

发明内容

本发明提供一种燃煤高效催化助燃剂及其制备方法和使用方法，它适用于锅炉等大型燃烧设备，进而提高燃煤的燃烧效率，实现节约能源和降低污染。

本发明的一种燃煤高效催化助燃剂，包括以下组分及质量份数的含量：

碱式碳酸铜(Cu₂(OH)₂CO₃)：20～40份

氧化钙(CaO)：10～25份

柠檬酸(C₆H₈O₇)：5～20份

偏钒酸铵(NH₄VO₃)：5～10份

尿素((NH₂)₂CO)：5～10份

碳酸钾(K₂CO₃)：5～10份

硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)：5～10份。

上述方案中，它还可包括氧化镧(La₂O₃)5～10份、镁粉(Mg)5～15份、硝酸铁(Fe(NO₃)₃)0～10份中的一种或几种。

本发明的一种燃煤高效催化助燃剂的制备方法是，将上述各种组分按配比称量，进行粉碎、混合、细磨。进一步地，细磨后筛分，使粒度达到280-325目。

本发明的一种燃煤高效催化助燃剂的使用方法是，将所述的燃煤高效催化助燃剂按0.5～12％的质量比例添加到燃煤之中，混合均匀。

本发明燃煤高效催化助燃剂中各种组分在燃煤燃烧过程中的催化作用机理简述如下：

1)Cu₂(OH)₂CO₃：它高温下易分解，产物CuO易被C还原成低价或单质铜，分解过程中新生成的CuO活性高，与碳间的还原反应更容易发生，然后低价或单质铜吸附氧重新生成CuO，接着再被C还原……这样一直处于氧化-还原反应循环，起到了从氧化铜向碳原子传递氧的作用，加快了碳与氧的反应速度；其分解产物还有H₂O和CO₂，由于Cu₂(OH)₂CO₃与C充分接触，上述气体高温下均可把C氧化，生成具有更好燃烧性能的CO和H₂，相当于Cu₂(OH)₂CO₃在煤的燃烧中起到氧化剂作用；作为超细粉的Cu₂(OH)₂CO₃，比表面积大，活性高，容易吸附在燃煤上以降低其表面能，其分散并分解产生的活性产物CuO嵌在碳晶格内，使碳的晶格结构发生畸变，结构单元间的桥键结合力削弱，促使中长链脂肪族C-C键的断裂分解，增加了挥发份的析出，从而提高煤的燃烧活性。

2)CaO：通过其碱性特征对煤粉表面的酸性中心产生化学吸附作用，促使煤中小分子游离相物质的断裂，主要作用在热解过程前期；吸收SO₂最终形成CaSO₄。

3)C₆H₈O₇：有机酸等极性有机物能破坏煤中含氧官能团间的氢键等交联作用，提高煤挥发裂解性能。

4)NH₄VO₃：它可在200℃左右时发生分解，当充分分散在煤中后，分解新生成的五氧化二钒具有较高的活性，钒是可变价金属，可通过类似铜元素的氧化-还原反应，起到传递氧的作用(V₂O₅被还原生成VO₂，VO₂吸收氧生成V₂O₅)；其NH₄ ⁺及分解生成的NH₃具有类似碱性特征，对煤也有一定催化作用。

5)(NH₂)₂CO：微碱性有机物，熔点132℃，加热至150～160℃可进行脱氨缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。尿素及缩脲等均可削弱煤中π-π键力等，提高煤裂解性能；它熔融后更容易渗入煤的内部。

6)K₂CO₃：K⁺能与煤中含氧基团形成络合盐CO^-K⁺，它可与芳性碳和脂肪碳相连，由于钾的供电子效应，可通过氧传递到碳环或碳链上，迫使其不稳定而破裂，起到降低煤炭着火点的作用；钾离子半径小，易于嵌入煤炭的晶格内，使碳晶格发生畸变，促使长链高分子断裂；钾离子与煤中腐植酸盐进行盐基交换，降低煤的着火温度；K₂CO₃熔点低(891℃)，沸点时分解，产物K₂O又可吸氧、再被碳还原，通过循环反应，起到传递氧的作用。

7)Na₂B₄O₇·10H₂O：常用的强熔剂，高温下它可使煤炭燃烧形成的灰分形成液相。由于煤炭本身存在大量裂纹，液相的产生并沿着裂纹渗透，会导致裂纹扩展直至破碎，增大煤的比表面积和燃烧活性。

8)La₂O₃：它可抑制煤燃烧过程中的脱氢缩合反应，促进脱C裂解反应，其催化作用可贯穿于燃烧的全过程。

9)Mg：其比热比煤的小，相同环境下可迅速升温，遇到氧气发生剧烈燃烧，产生大量热；由于其良好的导热性能，与其接触的煤局部急剧升温，可加速瞬时裂解；其燃烧产物MgO具有分散作用，能使因物理吸附在一起的煤粉分散开来，增大表面活性，有利于充分燃烧；MgO具有极强的吸附力，容易吸附某些重金属离子以及SO₂等有害气体。

10)Fe(NO₃)₃：本身属于氧化剂，可使煤结构稳定性降低，易裂解；高温下分解释放出氧；分解生成的NO₂对SO₂氧化成SO₃的反应具有催化作用；铁离子可吸收硫氧化物并反应生成FeSO₄或Fe₂(SO₄)₃。

本发明的有益效果在于：复合助燃剂中各组分在高温下释放活性氧或者起到传递氧的作用；破坏煤中的大分子结构，促使其连接结构单元之间的键桥断裂，改善燃煤的燃烧性和提高煤的燃尽率，从而充分利用燃煤，达到节能的目的；与煤的燃烧产物SO₂等发生化合反应，生成难挥发的固体进入灰烬，减少污染气体的排放。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，下述各实施例仅用于说明本发明而非对本发明的限制。

实施例1

按以下组分进行配料：碱式碳酸铜40克，氧化钙25克，柠檬酸15克，偏钒酸铵10克，尿素10克，硼砂10克，碳酸钾10克。

将上述原料混合后粉碎、细磨，用325目的筛子过筛，包装成袋，以防吸潮。

用静态坩埚燃烧失重法测试了本助燃剂对某烟煤和无烟煤的混合煤粉的催化助燃效果。称量5克混合煤粉装入刚玉坩埚，放入900℃炉内保温30分钟立即取出空冷，称出其残余重量并计算煤粉失重率为27.20％；称取相同的煤粉并外加5％的上述助燃剂，机械混合后装入相同的刚玉坩埚，在900℃炉内保温30分钟后表观失重率达31.86％，修正助燃剂本身高温分解、失重带来的计算误差后，煤粉失重率约高达30.05％。可见本助燃剂明显提高了煤粉的燃烧速率。相同保温时间内，添加助燃剂后，煤粉燃烧效率相对提高10.48％。

实施例2

按以下组分进行配料：碱式碳酸铜30克，氧化钙20克，柠檬酸10克，偏钒酸铵5克，尿素5克，硼砂5克，碳酸钾5克，氧化镧5克，金属镁粉5克。

将上述原料混合后粉碎、细磨，用325目的筛子过筛，包装成袋，以防吸潮。

用静态坩埚燃烧失重法测试了本助燃剂对混合煤粉的催化助燃效果(方法同实施例1)。称取5克混合煤粉外加5％的上述助燃剂，机械混合后装入刚玉坩埚，经900℃×30min后表观失重率为32.18％，修正助燃剂本身带来的计算误差后，煤粉失重率约为30.46％。相同保温时间内，该助燃剂可使煤粉燃烧效率相对提高11.99％。

实施例3

按以下组分进行配料：碱式碳酸铜20克，氧化钙15克，偏钒酸铵10克，柠檬酸5克，尿素10克，硼砂5克，碳酸钾5克，氧化镧10克，金属镁粉10克，硝酸铁5克。

将上述原料混合后粉碎、细磨，用280目的筛子过筛，包装成袋，以防吸潮。

用静态坩埚燃烧失重法测试了本助燃剂对某烟煤和无烟煤的混合粒煤的催化助燃效果。分别称量两份5克混合粒煤，其中一份外加10％助燃剂，各自装入相同的刚玉坩埚，放入900℃炉内保温90分钟后关闭电源待炉子自然冷却，取出坩埚发现两个煤样均已“完全”燃烧，但称量残余样品并计算煤粉失重率，未加助燃剂的失重率为74.21％，加助燃剂的表观失重率为89.61％，修正后失重率约为86.89％。可见本发明助燃剂明显提高了粒煤的燃烧性能，相同保温时间内，添加助燃剂后，粒煤燃烧完成的程度相对提高17.09％。

实施例4

按以下组分进行配料：碱式碳酸铜40克，氧化钙10克，偏钒酸铵10克，柠檬酸20克，尿素10克，硼砂10克，碳酸钾5克，氧化镧5克。

将上述原料混合后粉碎、细磨，用325目的筛子过筛，包装成袋，以防吸潮。

将该助燃剂用于锅炉煤块(混合着一些煤粒、煤粉)的燃烧，与不使用助燃剂时相同燃煤的燃烧进行对比，测量炉内燃烧温度。具体操作过程：将准备好的燃煤混合均匀后分成大致相等的两份，其中一份添加8％的助燃剂并充分混合；在同一锅炉堂里燃烧两份燃煤，测得当以添加助燃剂的燃煤做燃料时，炉膛里温度比未添加助燃剂的温度高85～105℃左右。

Claims (4)

1.一种燃煤高效催化助燃剂，其特征在于，它包括以下组分及质量份数的含量：

碱式碳酸铜：20～40份

氧化钙：10～25份

柠檬酸：5～20份

偏钒酸铵：5～10份

尿素：5～10份

碳酸钾：5～10份

硼砂：5～10份。

2.如权利要求1所述的燃煤高效催化助燃剂，其特征在于，它还包括下列组分中的一种或几种：氧化镧5～10份、镁粉5～15份、硝酸铁0～10份。

3.如权利要求1或2所述的燃煤高效催化助燃剂的制备方法，其特征在于，将上述各种组分按配比称量，进行粉碎、混合、细磨，然后筛分，使粒度达到280-325目。

4.如权利要求1或2所述的燃煤高效催化助燃剂的使用方法，其特征在于，将制备好的燃煤高效催化助燃剂按0.5～12％的质量比例添加到燃煤之中，混合均匀。