CN110354856A - 一种原位催化脱硝同时催化煤焦燃烧的催化剂及其使用方法 - Google Patents

一种原位催化脱硝同时催化煤焦燃烧的催化剂及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位催化脱硝同时催化煤焦燃烧的催化剂及其使用方法，属于煤炭和焦炭高效催化燃烧及污染物减排技术领域。本发明通过选择工业废渣氧化铁皮或氧化铁皮和氧化钙或氧化铁皮和CeO2的复合物作为催化剂，催化剂按煤焦质量的添加量为1～12％，其中氧化铁皮与CaO或氧化铁皮与CeO2质量比为0.1～6情况下，在煤焦燃烧过程中可降低煤焦的燃点、提高煤焦的燃烧效率，同时可高效的降低煤焦燃烧过程中的NOx排放量。本发明催化剂可使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低23.4℃、75.2℃；NO减排率可达到54.3％。本发明提供的催化剂不仅价廉易得，而且可高效催化煤焦的燃烧及原位催化转化NOx，同时可以实现废物高效利用，因此具有很好的经济效益和应用前景。

Description

一种原位催化脱硝同时催化煤焦燃烧的催化剂及其使用方法
技术领域
本发明属于煤炭和焦炭高效催化燃烧及污染物减排技术领域，具体地说涉及一种用廉价的复合催化剂不仅可以催化煤炭和焦炭高效燃烧，而且可对燃烧过程中产生的NOx高效原位催化减排。
背景技术
煤作为我国最重要的一次性能源，在我国能源消耗总量中占76％。每年约有占煤炭总产量的84％的用于直接燃烧。同时我国是焦炭生成大国，2018年全国焦炭产量累计为4.38亿吨，焦化厂在生产供高炉炼铁所用焦炭的同时还伴随着大量焦丁的产生，而这种焦丁对高炉炼铁的用处有限，它主要是作为烧结燃料使用。煤炭和焦化厂产生的焦丁在燃烧时，会产生对环境有严重污染的NOx。煤燃烧催化剂能降低煤燃烧的表观活化能，降低煤的着火点和加快煤的燃烧速率，加速煤热解过程中各种结合键的断裂，提高煤挥发分的析出速度，从而提高了煤炭的利用率，节约了能源。同时，催化剂的加入可以催化煤焦燃烧过程中焦炭同NOx及一氧化碳同NOx之间的反应，达到减少NOx排放的问题。因此，强化煤和焦炭的燃烧及焦炭及一氧化碳同NOx之间反应，不仅可以提高煤和焦炭燃烧的热效率，而且可以显著降低污染物的排放，提高企业经济效益和社会效益。
目前，已知燃烧添加剂包括各类碱金属化合物、碱土金属化合物、过渡金属氧化物，例如K2CO3、FeCl3、FeCl2、Na2CO3、Ca(OH)2、KMnO4和NaCl等。此外也有部分非金属化合物作为助燃剂，如尿素、柠檬酸、碱式碳酸铜等。从经济性方面来看，利用诸如碱厂废液、造纸黑液、糖厂废液等工业废渣或废液来做催化剂也研究的也比较多。CN201410676344.4公开了一种高效的煤燃烧催化剂，由以下重量百分比的原料制成：三异丙醇胺5～15％，碱厂废液20～30％，叔丁醇20～30％，丙二醇10～15％，稀土元素的化合物1～5％，非离子表面活性剂10～15％，异丁醇2～6％，NaCl 2～6％，FeCl3 3～7％，在煤燃烧时使用此煤燃烧催化剂，能够降低煤的着火点，提高燃烧速度，从而提高煤燃烧效率，降低有害物质的排放量，采用碱厂废液作为原料，变废为宝，降低成本。CN201410658268.4公开了一种煤燃烧催化剂，由以下重量百分比的原料制成：二乙醇单异醇胺13～22％，三乙醇胺25～35％，非离子表面活性剂10～15％，造纸黑液13～20％，糖厂废液15～20％，碱金属盐1～6％，稀土元素的化合物0.2～0.8％，此煤燃烧催化剂可降低煤的着火点和燃尽温度，加快煤的燃烧速率，同时煤得以充分燃烧，不仅降低了煤耗和成本，而且减少了SO2、NOx等有害气体的排放，对改烧优质煤为劣质煤提供了有利的条件，催化剂中碱金属盐为氯化钠或氯化钾，稀土元素的化合物为La2O3、Y2O3、LaMnO3、LuMnO3中的一种。造纸黑液中含有大量K2CO3、Na2CO3、KOH、NaOH和Ca(OH)2等。CN 101831342 B公开了一种燃煤中脱硫脱硝及清焦的方法，在燃煤中混入占原煤总量2～3‰的增效剂，同时又在脱硫系统的浆液箱中加入占原煤总量0.02～0.08‰催化活化剂，增效剂组成为：碳酸钙8～25％、氧化镁5～15％、二氧化硅5～10％、氧化锌5～10％、二氧化锰8～10％、氧化钙15～40％、氢氧化钡5～10％、氧化铝3～8％、高锰酸钾8～15％；催化活化剂组成为：活性氧化钙0～40％、活性碳20～30％、硝酸铵钙10～15％、氧化铁5～20％、氧化锌2～10％。上述煤焦燃烧催化剂组成复杂价格昂贵且一次性使用使得过程经济性差，废液中有机物燃烧过程中产生污染物且不能对燃烧过程中NOx进行高效原位减排，同时部分煤焦燃烧催化剂的加入带来炉膛腐蚀问题进而缩短燃烧炉的寿命。由于用于燃烧的煤焦量大且催化剂一次性使用难以回收再利用，同时高效燃烧催化剂和脱硝催化剂开发关键在于催化活性组分的组成、结构对C-C解离、氧和电子的传递、NO的吸附等影响程度，因此高效价廉不仅能催化煤焦燃烧而且能实现燃烧过程中原位脱硝的催化剂才能提高企业经济效益和社会效益。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种廉价的、具有良好工业应用前景的高效燃煤催化剂，其加入不仅能降低煤焦的着火点、加快燃烧速度、使煤炭燃烧更充分，而且能对燃烧过程中NOx进行高效原位减排。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供了一种原位催化脱硝同时催化煤焦燃烧的催化剂，所述催化剂为氧化铁皮；或氧化铁皮和CaO的复合物；或氧化铁皮和CeO2的复合物。
其中：氧化铁皮：CaO或氧化铁皮：CeO2的重量比为0.1～6:1。
作为一种优化，所述氧化铁皮为工业废渣氧化铁皮。
本发明同时提供上述原位催化脱硝同时催化煤焦燃烧催化剂的使用方法，具体是：将催化剂粉碎至粒径为50μm～200μm，然后按质量比1～12％的比例加入到煤焦中搅拌均匀。
本发明通过选择能高效脱硝的工业废渣氧化铁皮或氧化铁皮和氧化钙或氧化铁皮和CeO2的复合物作为催化剂，高效的将氮氧化物转化为氮气，来提高过程的经济性。
本发明的配方原料中，氧化铁皮和CaO能够催化煤核表面C-C键的断裂和氧的传递，形成燃烧活性中间物，增加燃烧活性中心的数量或生产速度，促进氧化反应，能够降低煤的着火点，降低燃烧反应活化能，使煤燃烧效率提高，促进煤燃尽；CeO2能够促进氧离子在整个催化剂与煤粒之间的传递，能够显著加快煤燃烧速率，降低燃烧反应活化能，从而产生助燃效果。同时在燃烧过程中，氧化铁皮、氧化铁皮-CaO和氧化铁皮-CeO2催化剂不仅能吸附NO来催化NO的分解，同时能催化C和NO及NO和CO之间的反应，达到在燃烧过程中实现原位脱硝的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、煤焦催化燃烧和NOx原位减排催化剂采用工业废渣氧化铁皮和CeO2耦合，不但能有效节约煤炭使用量，并且提高煤燃烧值，增加了煤炭的初始燃烬率，煤焦燃烧效率高而且能高效减排煤焦燃烧过程NOx的释放。本发明催化剂可使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低23.4℃、75.2℃；NO减排率可达到54.3％。
2、作为工业废物的工业废渣工业废渣氧化铁皮或氧化铁皮和氧化钙或氧化铁皮和CeO2的复合物的煤焦催化燃烧和NOx原位减排催化剂价廉易得、活性高，可以实现废物高效利用，过程经济性高。
3、煤焦催化燃烧和NOx原位减排催化剂使用工艺操作简单，易于实现。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：称量1％(重量比)的氧化铁皮加入焦粉中，进行燃烧试验，分析发现1％的氧化铁皮的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了17.1℃、42.8℃；在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了1％的氧化铁皮的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到20.7％。
实施例2：称量2％(重量比)的氧化铁皮加入焦粉中，进行燃烧试验，分析发现2％的氧化铁皮的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了20.1℃、44.5℃；在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了2％的氧化铁皮的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到18.1％。
实施例3：称量4％(重量比)的氧化铁皮加入焦粉中，进行燃烧试验，分析发现4％的氧化铁皮的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了13.1℃、46.8℃；在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了4％的氧化铁皮的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到17.8％。
实施例4：称量6％(重量比)的氧化铁皮加入焦粉中，进行燃烧试验，分析发现4％的FeO的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了24.1℃、29.8℃；在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了6％的氧化铁皮的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到35.26％。
实施例5：称量2％(重量比)工业废渣氧化铁皮和2％CaO(重量比)加入焦粉中，进行燃烧试验，分析发现2％工业废渣氧化铁皮+2％CaO的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了13.1℃、67.8℃。在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了2％工业废渣氧化铁皮+2％CaO的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到10.4％。
实施例6：称量2％(重量比)工业废渣氧化铁皮和4％CaO(重量比)加入焦粉中，在热重上进行燃烧试验，分析发现2％工业废渣氧化铁皮+4％CaO的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了16℃、82℃。在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了2％工业废渣氧化铁皮+4％CaO的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到31.2％。
实施例7：称量2％(重量比)工业废渣氧化铁皮和10％CaO(重量比)加入焦粉中，在热重上进行燃烧试验，分析发现2％工业废渣氧化铁皮+10％CaO的加入使得焦粉的着火温度降低了25℃、燃烬温度降低了124℃。在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了2％工业废渣氧化铁皮+10％CaO的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到6.2％。
实施例8：称量2％(重量比)工业废渣氧化铁皮和1％CeO2(重量比)加入焦粉中，在热重上进行燃烧试验，分析发现2％工业废渣氧化铁皮+1％CeO2的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了11.1℃、68.8℃；在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了2％工业废渣氧化铁皮+1％CeO2的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到36.4％。
实施例9：称量2％(重量比)工业废渣氧化铁皮和2％CeO2(重量比)加入焦粉中，在热重上进行燃烧试验，分析发现2％工业废渣氧化铁皮+2％CeO2的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了13.1℃、71.2℃；在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了2％工业废渣氧化铁皮+2％CeO2的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到29％。
实施例10：称量2％(重量比)工业废渣氧化铁皮和4％CeO2(重量比)加入焦粉中，在热重上进行燃烧试验，分析发现2％工业废渣氧化铁皮+4％CeO2的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了17.1℃、63.8℃；在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了2％工业废渣氧化铁皮+4％CeO2的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到14.9％。
实施例11：称量6％(重量比)工业废渣氧化铁皮和1％CeO2(重量比)加入焦粉中，在热重上进行燃烧试验，分析发现6％工业废渣氧化铁皮+1％CeO2的加入使得焦粉的着火温度、燃烬温度分别降低了23.4℃、75.2℃；在固定床反应器于1100℃下和2.5L/min空气气氛下，进行添加了6％工业废渣氧化铁皮+1％CeO2的焦粉燃烧试验，通过烟气分析仪收集燃烧产生的尾气并进行分析，NO减排率达到54.3％。

Claims (3)

1.一种原位催化脱硝同时催化煤焦燃烧的催化剂，其特征在于，所述催化剂为氧化铁皮；或氧化铁皮和CaO的复合物；或氧化铁皮和CeO2的复合物；
其中：氧化铁皮：CaO或氧化铁皮：CeO2的重量比为0.1～6:1。
2.如权利要求1所述的原位催化脱硝同时催化煤焦燃烧的催化剂，其特征在于，所述氧化铁皮为工业废渣氧化铁皮。
3.如权利要求1所述的原位催化脱硝同时催化煤焦燃烧催化剂的使用方法，其特征在于，将催化剂粉碎至粒径为50μm～200μm，然后将其按煤焦质量比1～12％的比例加入到煤焦中搅拌均匀。
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