CN1458445A

CN1458445A - 分级送风催化燃烧技术

Info

Publication number: CN1458445A
Application number: CN 03137589
Authority: CN
Inventors: 舒新前; 徐精求
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2003-11-26

Abstract

本发明介绍了一种分级送风催化燃烧技术，主要用于解决中小型工业炉窑燃烧不充分、黑烟等粉尘颗粒物排放较为严重的问题。此外，该催化剂对CO、SO₂、NOx等的排放也有明显地控制作用。其中的分级送风，是在炉窑上设置一个二次进风口，利用风机送入二次风，保证燃烧过程中空气的稳定、足量供应。催化燃烧技术，则是向炉窑内送入多孔状金属氧化物或金属盐类催化剂粉体，以促进燃料和燃烧介质间的作用，强化燃烧进程。此外，该催化剂还可以覆着于一定的基体材料上，制成具有特定外形的催化器置于烟道内，进行烟道气的低温催化燃烧。

Description

分级送风催化燃烧技术

本发明属于动力与热能工程及环境工程间的一个交叉研究领域。主要介绍了分级送风及催化燃烧技术，可用于解决工业炉窑燃烧不充分及燃烧过程中黑烟等污染物排放治理等问题。

1.技术背景

采用工业炉窑燃烧是人们获取热能并进行工业产品热加工的一个主要途径，在冶金、机械、建材、化工、轻工等部门，都可以看到大量的工业炉窑，如常见的多种加热炉和熔炼炉。近年来，随着设计和制造水平的逐步提高、加之清洁燃料的使用，一些规模稍大的工业炉窑的燃烧技术已有较大的改进，燃烧工艺也不断优化。因此，污染物的排放水平已大大降低。但是，一些中小规模的炉窑，如高炉、焦炉、隧道窑、回转窑、推板窑、倒烟窑等，由于仍然采用传统的燃烧技术，所以黑烟等粉尘物的排放水平较高。近年来，尽管国家对许多“五小”污染企业实行了关停和限期治理，但仍有许多类似的小炉窑仍在大量运行，特别是在内地的部分地区。他们大多直接烧煤，除了排出大量黑烟外，同时还排出相当数量的SO₂和NO_x等，环境污染十分严重。据了解，我国2000年二氧化硫的排放量约为1995万吨，其中90％以上是燃煤排放引起，其中的相当数量是这些中小型炉窑的贡献。众所周知，二氧化硫排放已使我国的酸沉降到了相当严重的程度，我国境内“两控区”面积已达国土面积的30％，其中的部分地区已成为世界上比较严重的酸雨区。烟尘的排出，不仅导致了热损失、造成了燃料浪费，而且还引起了动物呼吸系统疾病及大气能见度降低。据研究，燃煤排放的黑烟，其主要成分是碳烟微粒，粒度普遍小于1.5μm，是典型的PM_2.5，极易进入动物的肺部引起疾病。而且，它们极易吸收和反、折射太阳辐射，由此造成了大气能见度降低及全球气候变暖。

因此，如何既能发挥这些中小型炉窑的积极作用，又采取措施、降低污染物排放，已成为亟待解决的紧迫任务。实践证明，只要加强对工业小炉窑燃烧过程的优化控制，完全可以在一定程度上降低碳烟等粉尘颗粒物的排放。为此，本发明提出利用分级送风、催化燃烧技术，以强化炉内燃烧过程，提高燃料燃烧效率，进而实施污染物排放控制。

2.发明内容

本发明主要包括两个方面的内容，即分级送风技术和催化燃烧技术，包括相应的催化剂及其制备技术。2.1.炉窑燃烧过程分析

在介绍本发明之前，有必要探讨一下煤在工业小炉窑中的燃烧过程。我们知道，煤燃烧一般包括煤的热解和煤焦燃烧两个阶段。热解是指煤在一定温度下释放出其中的挥发性物质，形成多孔煤焦的过程。之后，在适量热空气供应的情况下，这些挥发物质着火并最终引燃煤焦颗粒，引起煤焦燃烧。据分析，燃料在燃烧过程中冒黑烟主要有两个原因，其一是热解过程中释放的挥发物和煤焦油等，未完全燃烧而直接进入烟道，再经过吸附、凝聚等过程，形成碳烟颗粒；其二是部分细粒煤焦由于局部供气不充分等原因而未完全燃烧，直接排出炉膛。所以，要使炉窑不排或少排出黑烟，首先要保证燃烧空气的准确、稳定供应。一般情况下，煤炭燃烧需要过量的空气供应，即燃烧过程中过量空气系数(α)普遍应大于1，通常为1.1～1.50之间。与大型工业锅炉的燃烧过程存在着一定的差异，中小型工业炉窑绝大多数采用手工加煤、自然送风方式燃烧，普遍存在供风不充分且波动较大等问题。经过初步调研测试，我国的中小型工业炉窑燃烧时的过量空气系数通常波动在0.90～1.55之间，甚至更大。表现为在加煤前期由于炉门打开，大量的冷空气直接进入炉膛，不仅引起了炉温下降，而且过量空气进入后直接与炉内反应层作用，吹浮起了焦渣表面的未燃烬碳颗粒及其它粉尘，并携带出炉膛，造成烟道中碳烟和粉尘颗粒物的浓度升高。加煤后，煤炭进入炉膛时在高温下直接热解，形成了大量的CO、CO₂、碳氢化和物(CH)等挥发物，这时本来需要足够的空气供应，以保证这些挥发物的快速、完全燃烧。但是，因为炉门已关闭，供气受到了限制，导致部分挥发物未来得及完全燃烧就进入烟道内，加大了碳烟颗粒物的排放水平。也就是说，这种手工加煤、自然送风的燃烧方式，由于存在供气波动，在开关炉门前后的一段时间内，不可避免的会导致燃烧不充分，以及烟气中碳烟等颗粒物含量较高的问题。

碳烟颗粒物的排放，不仅引起了燃料损失，还造成了巨大的环境污染。此外，由于燃料燃烧不充分，还导致了燃烧过程中形成的SO₂、NO_x、CO的不完全转化，从而造成了这些气体污染物排放量的升高，尤其是CO排放，平均可提高20～100％以上，环境污染显而易见。2.2.分级送风技术

根据以上分析，可见解决中小型工业炉窑燃烧不充分、污染物排放水平较高的根本途径，是稳定、足量地送风。为此，本发明提出了通过分级送风方式，保证炉内的空气供应，使得燃料在适宜的空气介质下充分燃烧。

本发明所述的分级送风技术，主要通过设置二次风口，采用强制送风方式送入二次风。分级送风系统主要由监测传感器、风量控制元件、给风机、送风管和二次风道组成。由于这一部分内容涉及到另一个专利申请，因此这里仅介绍其工作原理。监测传感器主要进行燃烧过程以及烟道气的成分监测，并根据烟气成分变化随时向风量控制元件发出送风指令，从而控制风机给风。这里的风机、风管和风道采用的是通用形式。2.3.催化剂及其制备

在进行分级送风的同时，为了加强燃料和空气介质间的作用，强化燃烧过程，本发明还在分级送风时，送入了适量的催化剂，以强化燃料和燃烧介质间的作用，保证充分燃烧，最大限度地节省燃料并降低污染物排放。这里，催化剂和二次风系同时利用送风管送入。2.3.1.催化剂

实验结果表明，燃烧过程中使用的催化剂，主要有调节局部介质环境、增进燃料和空气介质间的作用过程、促进水煤气反应和水蒸气重整反应、降低反应活化能、促进CH、CO的氧化反应、降低SO₂和NO_x的排放等功能。

本发明所涉及的催化剂，主要为多孔状金属氧化物和金属盐类。该催化剂除了可以以粉状形式直接加入炉窑内促进燃烧外，还可以覆着于一定的基体材料上，制成具有特定外形的催化器，置于烟道内进行烟气的低温催化燃烧。2.3.1.1.金属氧化物类

本发明中的金属氧化物类催化剂，其主体成分为如下几种或多种金属氧化物的混合物，然后配以0～15％的Ce、La、Pr、Nd等稀土元素和Pt、Pd、Ru、Rh等稀有和贵金属元素或其化合物。各氧化物在催化剂中的组成比例为：

Fe₂O₃：15～50％；CaO：5～15％；K₂O：0.5～6％；Na₂O：4～18％；BaO：1～8％；MgO：1～7％；ZnO：8～25％；NiO：3～12％；CuO：5～15％；Mn₂O₃：6～30％；TiO₂：0.5～7％；Cr₂O₃：1～10％；MoO₂：0.5～6％；Co₃O₄：0.5～8％；V₂O₅：0.5～5％等。2.3.1.2.金属盐类

本发明中的金属盐类催化剂，其主体成分为如下几种或多种金属盐类的混合物，然后配以0～15％的Ce、La等稀土元素和Pt、Pd、Ru、Rh等稀有和贵金属元素或其化合物。各金属盐类在催化剂中的组成比例为：

碱金属和碱土金属盐类：30～60％；钒(锰、钴、镍、铬、铁)及其它过渡金属盐类：20～50％；腐殖酸盐类：20～60％。2.3.2.催化剂的制备2.3.2.1.金属氧化物类催化剂的制备

本发明所指的金属氧化物类催化剂，主要通过如下方法制备：

(1)混合破碎法即按欲制备催化剂的组分要求，将各自组分混合后，送入常规的破碎机混合粉碎至38μm以下即可。粉碎时可按各自组分的特点，采用单级粉碎或多级联合粉碎工艺，必要时可采用保护性气氛。

(2)混合加热法即按欲制备催化剂的组分要求，取含有各自组分的原矿或废渣混合破碎后，移入高温加热炉内，在氧化、还原或惰性气氛下加热2～12h，然后在保护性气氛下冷却，再粉碎至38μm以下即可。

(3)溶液浸渍沉淀法即按欲制备催化剂的组分要求，选取含有各自组分的溶液，在一定的酸碱条件下，采用加热或不加热的方法，利用浸渍沉淀法制备所需的催化剂。

(4)气相沉积法即按欲制备催化剂的组分要求，选取含有各自组分的有机盐类，在加热炉内加热到300℃后，利用气相沉积方法制备所需要的催化剂。2.3.2.2.金属盐类催化剂的制备

(1)混合粉碎制备法即按欲制备催化剂的组分要求，将各自组分按比例要求送入常规的破碎机混合粉碎至38μm以下即可。粉碎工艺可根据所需的粒度要求，采用单级或多级粉碎流程。

(2)混合加热制备法即按欲制备催化剂的组分要求，取含有各自组分的原矿或废渣混合破碎后，然后移入高温加热炉内，在氧化、还原或惰性气氛下加热2～12h，然后在保护性气氛下冷却，再粉碎至38μm以下即可。

(3)溶液浸渍制备法即是按欲制备催化剂的组分要求，选取含有各自组分的溶液，在一定的酸碱条件下，采用加热或不加热的方法，利用浸渍沉淀法制备所需要的催化剂。

3.实施例

采用如上的制备方法，发明人在实验室制成了两个系列SO-金属氧化物和SY-金属盐类催化剂60余种，并利用其中的SO-26和SY-15在固定床反应器上进行了氧化碳烟、氧化CO、脱除SO₂、转化NO_x试验，结果分别见表1、2、3、4所示。实验中，催化剂的使用量为大于化学计量比的10％左右，进气流量约为50N1.h^-1。

(1)SO-26和SY-15对CO的氧化作用我们知道，CO的形成和排放是燃烧过程中，供气不充分、燃烧不彻底、燃烧炉效率低下的典型标志。而且CO还是大气污染源之一，容易引起动物呼吸障碍等问题。所以，燃烧过程中应尽可能避免CO的形成和排放。为此，发明人首先进行了在纯氧(O₂浓度99.95％)气氛下，催化剂对CO的氧化试验，以观察催化剂促进燃烧、降低CO排放的效果，结果见表1所示。表1SO-26和SY-15氧化CO的实验结果催化剂起始转化转化率为50％转化率为99％反应动力学参数

温度，℃ 时的温度，℃ 时的温度，℃ 活化能指前因子

kJ/mol s^-1SO-26 73 158 191 93.72 5.33×10¹⁶SY-15 85 173 201 98.63 9.32×10¹⁴无催化剂 215 273 295 118.59 1.08×10¹²

(2)SO-26和SY-15对CH的氧化作用试验过程中，发明人选取丙烯(C₃H₆)为代表性气体，考察了在纯氧气氛下，SO-26和SY-15两种催化剂对C₃H₆的氧化，以观察催化剂对CH的氧化作用效果，结果见表2所示。表2SO-26和SY-15氧化CH的实验结果催化剂起始转化转化率为50％转化率为99％反应动力学参数

温度，℃ 时的温度，℃ 时的温度，℃ 活化能指前因子

kJ/mol s^-1SO-26 136 205 257 109.56 6.89×10¹³SY-15 153 223 269 128.38 9.32×10¹³无催化剂 243 201 335 158.93 5.63×10¹²

(3)SO-26和SY-15对SO₂的脱除作用实验过程中，通过向固定床反应器通入SO₂，进行了SO-26和SY-15两种催化剂脱除SO₂试验，以考察催化剂对SO₂的脱除效果，结果见表3所示。其中SO₂的脱除率按下式求得：表3SO-26和SY-15脱除SO₂的实验结果催化剂起始转化转化率为50％转化率为70％反应动力学参数

温度，℃ 时的温度，℃ 时的温度，℃ 活化能指前因子

kJ/mol s^-1SO-26 326 588 957 29.56 1.26×10⁷SY-15 453 646 980 48.63 9.32×10⁵

(4)SO-26和SY-15对NOx的脱除作用众所周知，燃料燃烧过程中，不管是燃料中的N还是空气中引入的N，总是先形成NO，然后再被氧化成NO₂排出，本发明中催化剂脱除NO_x的目的，实际上是将NO₂转化为N₂，或少量NO和其它形式。因此，试验中发明人向固定床反应器送入了NO₂，然后进行催化剂脱除NO₂试验，NO₂的脱除率按下式求解：

表4SO-26和SY-15脱出NO₂的实验结果催化剂起始转化转化率为50％转化率为75％反应动力学参数

温度，℃ 时的温度，℃ 时的温度，℃ 活化能指前因子

kJ/mol s^-1SO-26 198 376 435 143.56 6.89×10⁷SY-15 289 456 595 189.38 9.32×10⁸不加催化剂 358 526 869 236.47 9.32×10⁴

Claims

1.本发明所指的分级送风催化燃烧技术，主要针对中小型工业炉窑燃烧不充分、黑烟等粉尘颗粒排放较为严重的问题进行治理。

2.根据权利要求1所述的分级送风技术，是指在中小型工业炉窑上设置一个二次进风口，采用强制送风方式送入二次风。分级送风系统主要由监测传感器、风量控制元件、给风机、送风管和二次风道组成。监测传感器主要进行燃烧过程及其烟道气的成分监测，并根据烟气成分变化随时向风量控制元件发出送风指令，控制风机给风。

3.根据权利要求1所述的催化燃烧技术，是指向炉窑内送入催化剂，促进燃料和介质间的作用，强化燃烧过程。本发明所指的催化剂有两种类型，即多孔状金属氧化物类和多孔状金属盐类。

4.根据权利要求3所述的的催化剂，除了可以以粉状形式直接加入炉窑内促进燃烧外，还可以覆着于一定的基体材料上，并制成具有特定外形的催化器，置于烟道内进行烟道气的低温催化燃烧。

5.根据权利要求3所述的金属氧化物类催化剂，其主体成分为如下几种或多种金属氧化物的混合物，然后配以0～15％的Ce、La、Pr、Nd等稀土元素和Pt、Pd、Ru、Rh等稀有和贵金属元素或其化合物。其中各氧化物在催化剂中的组成比例为：Fe₂O₃：15～50％；CaO：5～15％；K₂O：0.5～6％；Na₂O：4～18％；BaO：1～8％；MgO：1～7％；ZnO：8～25％；NiO：3～12％；CuO：5～15％；Mn₂O₃：6～30％；TiO₂：0.5～7％；Cr₂O₃：1～10％；MoO₂：0.5～6％；Co₃O₄：0.5～8％；V₂O₅：0.5～5％等。

6.根据权利要求3和5所述的金属氧化物类催化剂，可通过如下方法制备：(1)混合破碎法，即按欲制备催化剂的组分要求，将各自组分混合后，送入常规的破碎机混合粉碎至38μm以下即可。粉碎时可按各自组分的特点，采用单级粉碎或多级联合粉碎工艺，必要时可采用保护性气氛。(2)混合加热法，即按欲制备催化剂的组分要求，取含有各自组分的原矿或废渣混合破碎后，移入高温加热炉内，在氧化、还原或惰性气氛下加热2～12h，然后在保护性气氛下冷却，再粉碎至38μm以下即可。(3)溶液浸渍沉淀法，即按欲制备催化剂的组分要求，选取含有各自组分的溶液，在一定的酸碱条件下，采取加热或不加热的方法，利用浸渍沉淀法制备所需的催化剂。(4)气相沉积法，即按欲制备催化剂的组分要求，选取含有各自组分的有机盐类，在加热炉内加热到300℃后，利用气相沉积方法制备所需要的催化剂。

7.根据权利要求3所述的金属盐类催化剂，其主体成分为如下几种或多种金属盐类的混合物，然后配以0～15％的Ce、La等稀土元素和Pt、Pd、Ru、Rh等稀有和贵金属元素或其化合物。各金属盐类在催化剂中的组成比例为：碱金属和碱土金属盐类：30～60％；钒(锰、钴、镍、铬、铁)及其它过渡金属盐类：20～50％；腐殖酸盐类：20～60％。

8.根据权利要求3和7所述的金属盐类催化剂，通过如下方法制备：(1)混合破碎制备法，即按欲制备催化剂的组分要求，将各自组分按比例要求送入常规的破碎机混合粉碎至38μm以下即可。粉碎工艺可根据所需的粒度要求，采用单级或多级粉碎流程。(2)混合加热制备法，即按欲制备催化剂的组分要求，取含有各自组分的原矿或废渣混合破碎后，然后移入高温加热炉内，在氧化、还原或惰性气氛下加热2～12h，然后在保护性气氛下冷却，再粉碎至38μm以下即可。(3)溶液浸渍制备法即按欲制备催化剂的组分要求，选取含有各自组分的溶液，在一定的酸碱条件下，采用加热或不加热的方法，利用浸渍沉淀法制备所需要的催化剂。