CN103232875B - 一种助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂及其制备方法，其中助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂，其特征在于其原料按质量份数构成为：纳米材料0.1-10份，烷基酚醚1-20份，烷基醇醚1-30份，烷基脂醚1-20份，脂肪酸脂1-20份，其他种类乳化剂1-20份。本发明燃煤纳米催化剂具有催化助燃、固硫、改善燃煤特性，起到节煤和减少污染物排放等作用，其中节煤可达到8%左右，减少二氧化硫和氮氧化物排放25%以上，适用于各种大型民用和工业用燃煤锅炉。

Description

一种助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂及其制备方法

一、技术领域

本发明设计一种燃煤用的催化剂，属于纳米催化技术领域，更具体的说，是涉及一种具有催化助燃、固硫、改善煤燃烧特性、起到节煤和减少污染物排放的综合作用，适用于各种大型民用和工业用锅炉的高效助燃脱硫脱硝燃煤纳米催化剂。

二、背景技术

我国煤炭年产量已达30亿吨，除少量出口外，全部在国内消耗，其中用于火力发电、工业窑炉、工业锅炉约占总量的80%以上。由于如此巨量煤炭直接燃烧所排放的SO₂、CO₂、NOx对我国的大气环境造成极大的污染。

由于我国各类工业窑炉、锅炉的设计大都忽略了约占我国煤炭总量30%左右的高灰分、高含硫、低热值的劣质煤，特别是早期的设备更不适应此类煤。统计表明100吨/小时以下的工业锅炉通常热效率在70%左右，500吨/小时以下的工业锅炉通常热效率在80%左右，1000吨/小时左右的工业锅炉通常热效率在90%左右，2000吨/小时左右的工业锅炉通常热效率可达95%左右。同时由于脱硫设备及运行原因，废气往往达不到排放标准。

为了解决上述问题，进一步提升燃烧设备的设计指标和现有设备的改造是一个周期长投资大的方式，如何针对现有设备和燃煤现状从物理化学的角度出发进行研究是必不可少的。

从国内外文献看，目前实际应用的煤炭助燃剂或催化剂大致可分为固态、液态两大类。

第一类为固体类，其中又可分为：

以硝基、氯基等强氧化剂盐类为材料，如CN1227256A。这一类助燃剂对煤炭有一定促燃效果，但其体系存在易自燃爆炸的安全性问题，实际使用时与煤难以均匀混合，会产生锅炉运行的稳定和安全隐患。

以强氧化剂盐类及少量稀土元素为材料，此类助燃剂其优缺点与上述强氧化剂相同使用过程会产生危害人身健康的隐患。

以金属氧化物及尾矿为主要材料，如CN1172151A。这一类助燃剂需要经过吸附、分解、扩散起作用，其掺量大、颗粒粗、催化过程长，在窑炉中不能满足煤的燃烧停留时间，实际使用时与煤难以均匀混合，催化效果差、锅炉易产生结垢的现象。

以冶金废渣为主辅以少量稀土元素为材料，此类助燃剂本身并不能为煤的燃烧助燃催化，仅是一种提供晶种和降低共熔点的材料，其催化作用极弱，只是一种特定体系下的促烧剂，实际使用时难以均匀混合及会产生危害人身健康的隐患。

第二类为液体类，其中又可分为：

无机盐饱和水溶液，这一类助燃剂实际目的是为了解决粉体难以混匀的问题，虽然解决了混匀问题，但又会带来高温挥发问题。

以低分子醇类为主，如CN1266089A。是以稀相甲醇、乙醇水溶液为材料，此类助燃剂实际上是增加了燃料煤的易燃挥发分，几乎无促燃作用，实际使用时存在添加量大和稍高温挥发问题。

以金属羧酸盐为主，如CN1718699A。由于原料决定其体系有效成分低，体系稳定性差，在燃烧过程中自身易氧化失活，稍高温易挥发需大掺量，总体使用效果不理想。

以烷基醇醚、烷基脂、烯烃、芳香族化合物为主辅以磷酸酯、酰胺、金属化合物等溶于溶剂而成的产品，如CN101020853A。此类助燃剂是通过增加体系游离基来促进燃烧，其在煤炭燃烧时对大分子裂解催化作用尚存商榷，实际使用时存在绝大部分溶剂稍高温挥发问题。

以低分子量表面活性剂为主要原料，制备的助磨助燃剂。其实际上是助磨剂，只是增加固态燃料的易燃挥发分，对煤几乎无促燃和催化作用，实际使用时存在量大、稍高温度挥发、会产生锅炉运行的稳定和安全隐患。

综上所述，如何提高煤的快速和完全稳定燃烧，提高燃烧设备的效率，同时降低废气中SO₂和NO_X排放浓度措施的技术研究，特别是提供应用纳米的尺寸效应，在煤炭燃烧过程中起到真正的催化作用的燃煤催化剂显然是十分必要的。

三、发明内容

本发明旨在提供一种助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂及其制备方法，所要解决的技术问题是提高煤的快速和完全稳定燃烧，提高燃烧设备的效率，达到节煤的效果，同时降低废气中SO₂和NO_X排放。本发明燃煤催化剂对煤品质的要求宽松，并具有催化助燃、减少污染物排放、清洁设备多重功效。

本发明助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂，其特征在于其原料按质量份数构成为：

纳米材料0.1-10份，烷基酚醚1-20份，烷基醇醚1-30份，烷基脂醚1-20份，脂肪酸脂1-20份，其他种类乳化剂1-20份；

所述纳米材料为纳米粉体经硅烷偶联剂改性处理后得到的纳米材料，所述纳米粉体选自纳米氧化物、纳米氮化物、纳米氮氧化物或纳米碳化物；

所述烷基酚醚选自乳化剂TX、乳化剂OP、乳化剂SOPE、乳化剂NP中的一种或几种，若为几种时各组分质量相等；

所述烷基醇醚选自乳化剂MOA、异构十醇醚、异构十三醇醚、二甘醇甲醚、三甘醇甲醚、四甘醇甲醚中的一种或几种，若为几种时各组分质量相等；

所述烷基脂醚选自乳化剂SG、乳化剂LAE、乳化剂EL、乳化剂OEO中的一种或几种，若为几种时各组分质量相等；

所述脂肪酸脂选自乳化剂山梨醇司盘、乳化剂山梨醇吐温、聚乙二醇脂肪酸脂、甘油脂肪酸脂、丙二醇脂肪酸脂、异醇脂肪酸脂中的一种或几种，若为几种时各组分质量相等；

所述其他种类乳化剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧烷基醚、琥珀酸二辛脂、脂肪胺聚氧乙烯醚、甘油聚氧乙烯醚中的一种或几种，若为几种时各组分质量相等。

所述改性处理的条件参数为温度85-95℃，时间4-6小时，硅烷偶联剂的添加量为纳米粉体质量的1-2%。改性处理所使用的溶剂选自石油醚或正己烷，溶剂的质量优选为硅烷偶联剂和纳米粉体总质量的4.5-5.5倍。

硅烷偶联剂优选KH550。

本发明助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂的制备方法是按以下步骤操作：

按配比量将各原料混合并进行砂磨得到粒径≤50μm的混合料，所述混合料依次经高压剪切分散装置剪切分散（每分钟2000转）、真空过滤后得到燃煤纳米催化剂，储存备用。

将本发明燃煤纳米催化剂与燃煤混合均匀，添加量为燃煤质量的万分之二至万分之八，燃煤燃烧时可以起到助燃节煤、脱硫脱硝的效果，添加量优选万分之五。所述燃煤优选烟煤、无烟煤或褐煤。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明采用纳米材料及纳米技术，在燃煤燃烧时催化产生氧气，用纳米材料的吸附作用使煤充分燃烧达到助燃节煤的作用。同时催化剂体系中的固硫剂可将大部分硫元素以固态的形式固定在煤渣中，减少二氧化硫的排放。经试验分析证明本发明燃煤纳米催化剂可以使煤燃烧更充分，适当的催化剂添加量可以减少燃煤用量8%以上，减少二氧化硫排放和脱硫25%以上，同时减少粉尘和有害气体的排放，降低燃煤产生的污染物，并能脱除锅炉旧的炉焦，防止新炉焦生成，极大的提高锅炉换热效率。

与其他同类产品相比，本发明助燃脱硫脱硝燃煤纳米催化剂可以与任何品质的煤进行配制使用，并能达到理想的使用效果。

以下结合实施例对本发明所述的高效助燃脱硫脱硝燃煤纳米催化剂做进一步说明。

四、具体实施方式

实施例1：

1、纳米材料的制备

将0.1g KH550添加到10g纳米氮化钛中，溶剂为石油醚，90℃回流反应5个小时，得到纳米材料，溶剂的质量为KH550和纳米氮化钛总质量的5倍。

2、燃煤纳米催化剂的制备

将10质量份的纳米材料、20质量份的乳化剂TX、20质量份的异构十醇醚、20质量份的乳化剂SG、20质量份的山梨醇司盘以及10质量份的烷基酚氧乙烯醚混合并进行砂磨得到粒径小于50微米的混合料，将所述混合料通过高压剪切分散装置（每分钟2000转）进行分散处理，真空过滤、缓冲贮存，得到燃煤纳米催化剂。

3、燃烧效果

将本实施例制得的燃煤纳米催化剂分别以烟煤质量万分之二、万分之三、万分之四、万分之五、万分之六、万分之七、万分之八的比例添加到烟煤中，混合均匀，在燃烧炉（网带炉）中燃烧，燃烧后通过元素分析和热重分析对脱硫脱氮等数据进行考察，其中不添加燃煤纳米催化剂的燃烧炉中的二氧化硫和氮氧化物的混合尾气排放量为600mg/m³，结果见表1。

表1

催化剂添加量	万分之二	万分之三	万分之四	万分之五	万分之六	万分之七	万分之八
								二氧化硫脱除率/％	10.63	15.20	20.88	26.32	19.65	16.25	8.95
氮氧化物脱除率/％	8.65	14.50	19.84	27.10	19.85	15.42	7.25
								节煤率/％	4.10	5.12	6.32	8.10	7.52	6.51	3.36

从表1中可以看出，催化剂的添加量在万分之五时，能达节煤8%，减少二氧化硫和氮氧化物排放25%以上的最佳效果。

实施例2：

1、纳米材料的制备

将0.1g KH550添加到10g纳米碳化硅中，溶剂为正己烷，90℃回流反应5个小时，得到纳米材料，溶剂的质量为KH550和纳米氮化钛总质量的5倍。

2、燃煤纳米催化剂的制备

将10质量份的纳米材料、20质量份的乳化剂TX和乳化剂OP（两种乳化剂的质量比为1:1）、20质量份的异构十醇醚、20质量份的乳化剂LAE、20质量份的山梨醇司盘以及10质量份的烷基酚氧乙烯醚混合并进行砂磨得到粒径小于50微米的混合料，将所述混合料通过高压剪切分散装置（每分钟2000转）进行分散处理，真空过滤、缓冲贮存，得到燃煤纳米催化剂。

3、燃烧效果

将本实施例制得的燃煤纳米催化剂分别以褐煤质量万分之二、万分之三、万分之四、万分之五、万分之六、万分之七、万分之八的比例添加到褐煤中，混合均匀，在燃烧炉（网带炉）中燃烧，燃烧后通过元素分析和热重分析对脱硫脱氮等数据进行考察，其中不添加燃煤纳米催化剂的燃烧炉中的二氧化硫和氮氧化物的混合尾气排放量为600mg/m³，结果见表2。

表2

催化剂添加量	万分之二	万分之三	万分之四	万分之五	万分之六	万分之七	万分之八
								二氧化硫脱除率/%	9.68	14.25	19.53	25.18	18.23	14.20	7.56
氮氧化物脱除率/%	8.66	14.30	19.82	25.63	17.25	15.33	7.30
								节煤率/％	4.00	5.10	5.86	8.20	6.88	5.80	4.20

从表2中可以看出，催化剂的添加量在万分之五时，能达节煤8%，减少二氧化硫和氮氧化物排放25%以上的最佳效果。

实施例3：

1、纳米材料的制备

将0.1g KH550添加到10g纳米氮化钛中，溶剂为石油醚，90℃回流反应5个小时，得到纳米材料，溶剂的质量为KH550和纳米氮化钛总质量的5倍。

2、燃煤纳米催化剂的制备

将10质量份的纳米材料、20质量份的乳化剂SOPE、20质量份的异构十醇醚和乳化剂MOA（其中异构十醇醚和乳化剂MOA的质量比为1:1）、20质量份的乳化剂EI、20质量份的山梨醇司盘以及10质量份的烷基酚氧乙烯醚混合并进行砂磨得到粒径小于50微米的混合料，将所述混合料通过高压剪切分散装置（每分钟2000转）进行分散处理，真空过滤、缓冲贮存，得到燃煤纳米催化剂。

3、燃烧效果

将本实施例制得的燃煤纳米催化剂分别以无烟煤质量万分之二、万分之三、万分之四、万分之五、万分之六、万分之七、万分之八的比例添加到无烟煤中，混合均匀，在燃烧炉（网带炉）中燃烧，燃烧后通过元素分析和热重分析对脱硫脱氮等数据进行考察，其中不添加燃煤纳米催化剂的燃烧炉中的二氧化硫和氮氧化物的混合尾气排放量为600mg/m³，结果见表3。

表3

催化剂添加量	万分之二	万分之三	万分之四	万分之五	万分之六	万分之七	万分之八
								二氧化硫脱除率/％	9.56	14.48	19.54	25.18	18.32	16.35	8.70
氮氧化物脱除率/％	8.88	14.50	19.60	26.88	19.10	16.42	7.53
								节煤率/％	3.10	3.25	6.12	8.32	7.40	6.88	3.25

从表3中可以看出，催化剂的添加量在万分之五时，能达节煤8%，减少二氧化硫和氮氧化物排放25%以上的最佳效果。

Claims (3)

1.一种助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂，其特征在于其原料按质量份数构成为：

纳米材料0.1-10份，烷基酚醚1-20份，烷基醇醚1-30份，烷基脂醚1-20份，脂肪酸酯 1-20份，其他种类乳化剂1-20份；

所述纳米材料为纳米粉体经硅烷偶联剂改性处理后得到的纳米材料，所述纳米粉体选自纳米氮化钛或纳米碳化硅；所述硅烷偶联剂为KH550；

所述烷基酚醚选自乳化剂TX、乳化剂OP、乳化剂SOPE、乳化剂NP中的一种或几种；

所述烷基醇醚选自乳化剂MOA、异构十醇醚、异构十三醇醚、二甘醇甲醚、三甘醇甲醚、四甘醇甲醚中的一种或几种；

所述烷基脂醚选自乳化剂SG、乳化剂LAE、乳化剂EL、乳化剂OEO中的一种或几种；

所述脂肪酸酯 选自乳化剂山梨醇司盘、乳化剂山梨醇吐温、聚乙二醇脂肪酸酯 、甘油脂肪酸酯 、丙二醇脂肪酸酯 、异醇脂肪酸酯 中的一种或几种；

所述其他种类乳化剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧烷基醚、琥珀酸二辛脂、脂肪胺聚氧乙烯醚、甘油聚氧乙烯醚中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂，其特征在于：

所述改性处理的条件参数为温度85-95℃，时间4-6小时，硅烷偶联剂的添加量为纳米粉体质量的1-2%。

3.一种权利要求1或2所述的助燃脱硫脱硝的燃煤纳米催化剂的制备方法，其特征在于：

按配比量将各原料混合并进行砂磨得到粒径≤50μm的混合料，所述混合料依次经高压剪切分散装置剪切分散、真空过滤后得到燃煤纳米催化剂。