專利名稱：分級(jí)送風(fēng)催化燃燒技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于動(dòng)力與熱能工程及環(huán)境工程間的一個(gè)交叉研究領(lǐng)域。主要介紹了分級(jí)送風(fēng)及催化燃燒技術(shù)，可用于解決工業(yè)爐窯燃燒不充分及燃燒過程中黑煙等污染物排放治理等問題。
1.技術(shù)背景采用工業(yè)爐窯燃燒是人們獲取熱能并進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品熱加工的一個(gè)主要途徑，在冶金、機(jī)械、建材、化工、輕工等部門，都可以看到大量的工業(yè)爐窯，如常見的多種加熱爐和熔煉爐。近年來(lái)，隨著設(shè)計(jì)和制造水平的逐步提高、加之清潔燃料的使用，一些規(guī)模稍大的工業(yè)爐窯的燃燒技術(shù)已有較大的改進(jìn)，燃燒工藝也不斷優(yōu)化。因此，污染物的排放水平已大大降低。但是，一些中小規(guī)模的爐窯，如高爐、焦?fàn)t、隧道窯、回轉(zhuǎn)窯、推板窯、倒煙窯等，由于仍然采用傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)，所以黑煙等粉塵物的排放水平較高。近年來(lái)，盡管國(guó)家對(duì)許多“五小”污染企業(yè)實(shí)行了關(guān)停和限期治理，但仍有許多類似的小爐窯仍在大量運(yùn)行，特別是在內(nèi)地的部分地區(qū)。他們大多直接燒煤，除了排出大量黑煙外，同時(shí)還排出相當(dāng)數(shù)量的SO2和NOx等，環(huán)境污染十分嚴(yán)重。據(jù)了解，我國(guó)2000年二氧化硫的排放量約為1995萬(wàn)噸，其中90％以上是燃煤排放引起，其中的相當(dāng)數(shù)量是這些中小型爐窯的貢獻(xiàn)。眾所周知，二氧化硫排放已使我國(guó)的酸沉降到了相當(dāng)嚴(yán)重的程度，我國(guó)境內(nèi)“兩控區(qū)”面積已達(dá)國(guó)土面積的30％，其中的部分地區(qū)已成為世界上比較嚴(yán)重的酸雨區(qū)。煙塵的排出，不僅導(dǎo)致了熱損失、造成了燃料浪費(fèi)，而且還引起了動(dòng)物呼吸系統(tǒng)疾病及大氣能見度降低。據(jù)研究，燃煤排放的黑煙，其主要成分是碳煙微粒，粒度普遍小于1.5μm，是典型的PM2.5，極易進(jìn)入動(dòng)物的肺部引起疾病。而且，它們極易吸收和反、折射太陽(yáng)輻射，由此造成了大氣能見度降低及全球氣候變暖。
因此，如何既能發(fā)揮這些中小型爐窯的積極作用，又采取措施、降低污染物排放，已成為亟待解決的緊迫任務(wù)。實(shí)踐證明，只要加強(qiáng)對(duì)工業(yè)小爐窯燃燒過程的優(yōu)化控制，完全可以在一定程度上降低碳煙等粉塵顆粒物的排放。為此，本發(fā)明提出利用分級(jí)送風(fēng)、催化燃燒技術(shù)，以強(qiáng)化爐內(nèi)燃燒過程，提高燃料燃燒效率，進(jìn)而實(shí)施污染物排放控制。
2.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，即分級(jí)送風(fēng)技術(shù)和催化燃燒技術(shù)，包括相應(yīng)的催化劑及其制備技術(shù)。2.1.爐窯燃燒過程分析在介紹本發(fā)明之前，有必要探討一下煤在工業(yè)小爐窯中的燃燒過程。我們知道，煤燃燒一般包括煤的熱解和煤焦燃燒兩個(gè)階段。熱解是指煤在一定溫度下釋放出其中的揮發(fā)性物質(zhì)，形成多孔煤焦的過程。之后，在適量熱空氣供應(yīng)的情況下，這些揮發(fā)物質(zhì)著火并最終引燃煤焦顆粒，引起煤焦燃燒。據(jù)分析，燃料在燃燒過程中冒黑煙主要有兩個(gè)原因，其一是熱解過程中釋放的揮發(fā)物和煤焦油等，未完全燃燒而直接進(jìn)入煙道，再經(jīng)過吸附、凝聚等過程，形成碳煙顆粒；其二是部分細(xì)粒煤焦由于局部供氣不充分等原因而未完全燃燒，直接排出爐膛。所以，要使?fàn)t窯不排或少排出黑煙，首先要保證燃燒空氣的準(zhǔn)確、穩(wěn)定供應(yīng)。一般情況下，煤炭燃燒需要過量的空氣供應(yīng)，即燃燒過程中過量空氣系數(shù)(α)普遍應(yīng)大于1，通常為1.1～1.50之間。與大型工業(yè)鍋爐的燃燒過程存在著一定的差異，中小型工業(yè)爐窯絕大多數(shù)采用手工加煤、自然送風(fēng)方式燃燒，普遍存在供風(fēng)不充分且波動(dòng)較大等問題。經(jīng)過初步調(diào)研測(cè)試，我國(guó)的中小型工業(yè)爐窯燃燒時(shí)的過量空氣系數(shù)通常波動(dòng)在0.90～1.55之間，甚至更大。表現(xiàn)為在加煤前期由于爐門打開，大量的冷空氣直接進(jìn)入爐膛，不僅引起了爐溫下降，而且過量空氣進(jìn)入后直接與爐內(nèi)反應(yīng)層作用，吹浮起了焦渣表面的未燃燼碳顆粒及其它粉塵，并攜帶出爐膛，造成煙道中碳煙和粉塵顆粒物的濃度升高。加煤后，煤炭進(jìn)入爐膛時(shí)在高溫下直接熱解，形成了大量的CO、CO2、碳?xì)浠臀?CH)等揮發(fā)物，這時(shí)本來(lái)需要足夠的空氣供應(yīng)，以保證這些揮發(fā)物的快速、完全燃燒。但是，因?yàn)闋t門已關(guān)閉，供氣受到了限制，導(dǎo)致部分揮發(fā)物未來(lái)得及完全燃燒就進(jìn)入煙道內(nèi)，加大了碳煙顆粒物的排放水平。也就是說(shuō)，這種手工加煤、自然送風(fēng)的燃燒方式，由于存在供氣波動(dòng)，在開關(guān)爐門前后的一段時(shí)間內(nèi)，不可避免的會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分，以及煙氣中碳煙等顆粒物含量較高的問題。
碳煙顆粒物的排放，不僅引起了燃料損失，還造成了巨大的環(huán)境污染。此外，由于燃料燃燒不充分，還導(dǎo)致了燃燒過程中形成的SO2、NOx、CO的不完全轉(zhuǎn)化，從而造成了這些氣體污染物排放量的升高，尤其是CO排放，平均可提高20～100％以上，環(huán)境污染顯而易見。2.2.分級(jí)送風(fēng)技術(shù)根據(jù)以上分析，可見解決中小型工業(yè)爐窯燃燒不充分、污染物排放水平較高的根本途徑，是穩(wěn)定、足量地送風(fēng)。為此，本發(fā)明提出了通過分級(jí)送風(fēng)方式，保證爐內(nèi)的空氣供應(yīng)，使得燃料在適宜的空氣介質(zhì)下充分燃燒。
本發(fā)明所述的分級(jí)送風(fēng)技術(shù)，主要通過設(shè)置二次風(fēng)口，采用強(qiáng)制送風(fēng)方式送入二次風(fēng)。分級(jí)送風(fēng)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)傳感器、風(fēng)量控制元件、給風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管和二次風(fēng)道組成。由于這一部分內(nèi)容涉及到另一個(gè)專利申請(qǐng)，因此這里僅介紹其工作原理。監(jiān)測(cè)傳感器主要進(jìn)行燃燒過程以及煙道氣的成分監(jiān)測(cè)，并根據(jù)煙氣成分變化隨時(shí)向風(fēng)量控制元件發(fā)出送風(fēng)指令，從而控制風(fēng)機(jī)給風(fēng)。這里的風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和風(fēng)道采用的是通用形式。2.3.催化劑及其制備在進(jìn)行分級(jí)送風(fēng)的同時(shí)，為了加強(qiáng)燃料和空氣介質(zhì)間的作用，強(qiáng)化燃燒過程，本發(fā)明還在分級(jí)送風(fēng)時(shí)，送入了適量的催化劑，以強(qiáng)化燃料和燃燒介質(zhì)間的作用，保證充分燃燒，最大限度地節(jié)省燃料并降低污染物排放。這里，催化劑和二次風(fēng)系同時(shí)利用送風(fēng)管送入。2.3.1.催化劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燃燒過程中使用的催化劑，主要有調(diào)節(jié)局部介質(zhì)環(huán)境、增進(jìn)燃料和空氣介質(zhì)間的作用過程、促進(jìn)水煤氣反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)、降低反應(yīng)活化能、促進(jìn)CH、CO的氧化反應(yīng)、降低SO2和NOx的排放等功能。
本發(fā)明所涉及的催化劑，主要為多孔狀金屬氧化物和金屬鹽類。該催化劑除了可以以粉狀形式直接加入爐窯內(nèi)促進(jìn)燃燒外，還可以覆著于一定的基體材料上，制成具有特定外形的催化器，置于煙道內(nèi)進(jìn)行煙氣的低溫催化燃燒。2.3.1.1.金屬氧化物類本發(fā)明中的金屬氧化物類催化劑，其主體成分為如下幾種或多種金屬氧化物的混合物，然后配以0～15％的Ce、La、Pr、Nd等稀土元素和Pt、Pd、Ru、Rh等稀有和貴金屬元素或其化合物。各氧化物在催化劑中的組成比例為Fe2O315～50％；CaO5～15％；K2O0.5～6％；Na2O4～18％；BaO1～8％；MgO1～7％；ZnO8～25％；NiO3～12％；CuO5～15％；Mn2O36～30％；TiO20.5～7％；Cr2O31～10％；MoO20.5～6％；Co3O40.5～8％；V2O50.5～5％等。2.3.1.2.金屬鹽類本發(fā)明中的金屬鹽類催化劑，其主體成分為如下幾種或多種金屬鹽類的混合物，然后配以0～15％的Ce、La等稀土元素和Pt、Pd、Ru、Rh等稀有和貴金屬元素或其化合物。各金屬鹽類在催化劑中的組成比例為堿金屬和堿土金屬鹽類30～60％；釩(錳、鈷、鎳、鉻、鐵)及其它過渡金屬鹽類20～50％；腐殖酸鹽類20～60％。2.3.2.催化劑的制備2.3.2.1.金屬氧化物類催化劑的制備本發(fā)明所指的金屬氧化物類催化劑，主要通過如下方法制備(1)混合破碎法即按欲制備催化劑的組分要求，將各自組分混合后，送入常規(guī)的破碎機(jī)混合粉碎至38μm以下即可。粉碎時(shí)可按各自組分的特點(diǎn)，采用單級(jí)粉碎或多級(jí)聯(lián)合粉碎工藝，必要時(shí)可采用保護(hù)性氣氛。
(2)混合加熱法即按欲制備催化劑的組分要求，取含有各自組分的原礦或廢渣混合破碎后，移入高溫加熱爐內(nèi)，在氧化、還原或惰性氣氛下加熱2～12h，然后在保護(hù)性氣氛下冷卻，再粉碎至38μm以下即可。
(3)溶液浸漬沉淀法即按欲制備催化劑的組分要求，選取含有各自組分的溶液，在一定的酸堿條件下，采用加熱或不加熱的方法，利用浸漬沉淀法制備所需的催化劑。
(4)氣相沉積法即按欲制備催化劑的組分要求，選取含有各自組分的有機(jī)鹽類，在加熱爐內(nèi)加熱到300℃后，利用氣相沉積方法制備所需要的催化劑。2.3.2.2.金屬鹽類催化劑的制備(1)混合粉碎制備法即按欲制備催化劑的組分要求，將各自組分按比例要求送入常規(guī)的破碎機(jī)混合粉碎至38μm以下即可。粉碎工藝可根據(jù)所需的粒度要求，采用單級(jí)或多級(jí)粉碎流程。
(2)混合加熱制備法即按欲制備催化劑的組分要求，取含有各自組分的原礦或廢渣混合破碎后，然后移入高溫加熱爐內(nèi)，在氧化、還原或惰性氣氛下加熱2～12h，然后在保護(hù)性氣氛下冷卻，再粉碎至38μm以下即可。
(3)溶液浸漬制備法即是按欲制備催化劑的組分要求，選取含有各自組分的溶液，在一定的酸堿條件下，采用加熱或不加熱的方法，利用浸漬沉淀法制備所需要的催化劑。
3.實(shí)施例采用如上的制備方法，發(fā)明人在實(shí)驗(yàn)室制成了兩個(gè)系列SO-金屬氧化物和SY-金屬鹽類催化劑60余種，并利用其中的SO-26和SY-15在固定床反應(yīng)器上進(jìn)行了氧化碳煙、氧化CO、脫除SO2、轉(zhuǎn)化NOx試驗(yàn)，結(jié)果分別見表1、2、3、4所示。實(shí)驗(yàn)中，催化劑的使用量為大于化學(xué)計(jì)量比的10％左右，進(jìn)氣流量約為50N1.h-1。
(1)SO-26和SY-15對(duì)CO的氧化作用我們知道，CO的形成和排放是燃燒過程中，供氣不充分、燃燒不徹底、燃燒爐效率低下的典型標(biāo)志。而且CO還是大氣污染源之一，容易引起動(dòng)物呼吸障礙等問題。所以，燃燒過程中應(yīng)盡可能避免CO的形成和排放。為此，發(fā)明人首先進(jìn)行了在純氧(O2濃度99.95％)氣氛下，催化劑對(duì)CO的氧化試驗(yàn)，以觀察催化劑促進(jìn)燃燒、降低CO排放的效果，結(jié)果見表1所示。表1SO-26和SY-15氧化CO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果催化劑 起始轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化率為50％ 轉(zhuǎn)化率為99％ 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)溫度，℃ 時(shí)的溫度，℃ 時(shí)的溫度，℃ 活化能 指前因子kJ/mol s-1SO-26 73 158191 93.725.33×1016SY-15 85 173201 98.639.32×1014無(wú)催化劑 215 273295 118.59 1.08×1012(2)SO-26和SY-15對(duì)CH的氧化作用試驗(yàn)過程中，發(fā)明人選取丙烯(C3H6)為代表性氣體，考察了在純氧氣氛下，SO-26和SY-15兩種催化劑對(duì)C3H6的氧化，以觀察催化劑對(duì)CH的氧化作用效果，結(jié)果見表2所示。表2SO-26和SY-15氧化CH的實(shí)驗(yàn)結(jié)果催化劑起始轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化率為50％轉(zhuǎn)化率為99％ 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)溫度，℃時(shí)的溫度，℃時(shí)的溫度，℃活化能 指前因子kJ/mols-1SO-26 136205257 109.56 6.89×1013SY-15 153223269 128.38 9.32×1013無(wú)催化劑243201335 158.93 5.63×1012(3)SO-26和SY-15對(duì)SO2的脫除作用實(shí)驗(yàn)過程中，通過向固定床反應(yīng)器通入SO2，進(jìn)行了SO-26和SY-15兩種催化劑脫除SO2試驗(yàn)，以考察催化劑對(duì)SO2的脫除效果，結(jié)果見表3所示。其中SO2的脫除率按下式求得 表3SO-26和SY-15脫除SO2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果催化劑起始轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化率為50％轉(zhuǎn)化率為70％ 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)溫度，℃時(shí)的溫度，℃時(shí)的溫度，℃活化能 指前因子kJ/mol s-1SO-26 326 588 95729.56 1.26×107SY-15 453 646 98048.63 9.32×105(4)SO-26和SY-15對(duì)NOx的脫除作用眾所周知，燃料燃燒過程中，不管是燃料中的N還是空氣中引入的N，總是先形成NO，然后再被氧化成NO2排出，本發(fā)明中催化劑脫除NOx的目的，實(shí)際上是將NO2轉(zhuǎn)化為N2，或少量NO和其它形式。因此，試驗(yàn)中發(fā)明人向固定床反應(yīng)器送入了NO2，然后進(jìn)行催化劑脫除NO2試驗(yàn)，NO2的脫除率按下式求解 表4SO-26和SY-15脫出NO2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果催化劑起始轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化率為50％ 轉(zhuǎn)化率為75％ 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)溫度，℃時(shí)的溫度，℃ 時(shí)的溫度，℃活化能 指前因子kJ/mols-1SO-26198 376435 143.56 6.89×107SY-15289 456595 189.38 9.32×108不加催化劑 358 526869 236.47 9.32×10權(quán)利要求
1.本發(fā)明所指的分級(jí)送風(fēng)催化燃燒技術(shù)，主要針對(duì)中小型工業(yè)爐窯燃燒不充分、黑煙等粉塵顆粒排放較為嚴(yán)重的問題進(jìn)行治理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分級(jí)送風(fēng)技術(shù)，是指在中小型工業(yè)爐窯上設(shè)置一個(gè)二次進(jìn)風(fēng)口，采用強(qiáng)制送風(fēng)方式送入二次風(fēng)。分級(jí)送風(fēng)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)傳感器、風(fēng)量控制元件、給風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管和二次風(fēng)道組成。監(jiān)測(cè)傳感器主要進(jìn)行燃燒過程及其煙道氣的成分監(jiān)測(cè)，并根據(jù)煙氣成分變化隨時(shí)向風(fēng)量控制元件發(fā)出送風(fēng)指令，控制風(fēng)機(jī)給風(fēng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催化燃燒技術(shù)，是指向爐窯內(nèi)送入催化劑，促進(jìn)燃料和介質(zhì)間的作用，強(qiáng)化燃燒過程。本發(fā)明所指的催化劑有兩種類型，即多孔狀金屬氧化物類和多孔狀金屬鹽類。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的催化劑，除了可以以粉狀形式直接加入爐窯內(nèi)促進(jìn)燃燒外，還可以覆著于一定的基體材料上，并制成具有特定外形的催化器，置于煙道內(nèi)進(jìn)行煙道氣的低溫催化燃燒。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬氧化物類催化劑，其主體成分為如下幾種或多種金屬氧化物的混合物，然后配以0～15％的Ce、La、Pr、Nd等稀土元素和Pt、Pd、Ru、Rh等稀有和貴金屬元素或其化合物。其中各氧化物在催化劑中的組成比例為Fe2O315～50％；CaO5～15％；K2O0.5～6％；Na2O4～18％；BaO1～8％；MgO1～7％；ZnO8～25％；NiO3～12％；CuO5～15％；Mn2O36～30％；TiO20.5～7％；Cr2O31～10％；MoO20.5～6％；Co3O40.5～8％；V2O50.5～5％等。
6.根據(jù)權(quán)利要求3和5所述的金屬氧化物類催化劑，可通過如下方法制備(1)混合破碎法，即按欲制備催化劑的組分要求，將各自組分混合后，送入常規(guī)的破碎機(jī)混合粉碎至38μm以下即可。粉碎時(shí)可按各自組分的特點(diǎn)，采用單級(jí)粉碎或多級(jí)聯(lián)合粉碎工藝，必要時(shí)可采用保護(hù)性氣氛。(2)混合加熱法，即按欲制備催化劑的組分要求，取含有各自組分的原礦或廢渣混合破碎后，移入高溫加熱爐內(nèi)，在氧化、還原或惰性氣氛下加熱2～12h，然后在保護(hù)性氣氛下冷卻，再粉碎至38μm以下即可。(3)溶液浸漬沉淀法，即按欲制備催化劑的組分要求，選取含有各自組分的溶液，在一定的酸堿條件下，采取加熱或不加熱的方法，利用浸漬沉淀法制備所需的催化劑。(4)氣相沉積法，即按欲制備催化劑的組分要求，選取含有各自組分的有機(jī)鹽類，在加熱爐內(nèi)加熱到300℃后，利用氣相沉積方法制備所需要的催化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬鹽類催化劑，其主體成分為如下幾種或多種金屬鹽類的混合物，然后配以0～15％的Ce、La等稀土元素和Pt、Pd、Ru、Rh等稀有和貴金屬元素或其化合物。各金屬鹽類在催化劑中的組成比例為堿金屬和堿土金屬鹽類30～60％；釩(錳、鈷、鎳、鉻、鐵)及其它過渡金屬鹽類20～50％；腐殖酸鹽類20～60％。
8.根據(jù)權(quán)利要求3和7所述的金屬鹽類催化劑，通過如下方法制備(1)混合破碎制備法，即按欲制備催化劑的組分要求，將各自組分按比例要求送入常規(guī)的破碎機(jī)混合粉碎至38μm以下即可。粉碎工藝可根據(jù)所需的粒度要求，采用單級(jí)或多級(jí)粉碎流程。(2)混合加熱制備法，即按欲制備催化劑的組分要求，取含有各自組分的原礦或廢渣混合破碎后，然后移入高溫加熱爐內(nèi)，在氧化、還原或惰性氣氛下加熱2～12h，然后在保護(hù)性氣氛下冷卻，再粉碎至38μm以下即可。(3)溶液浸漬制備法即按欲制備催化劑的組分要求，選取含有各自組分的溶液，在一定的酸堿條件下，采用加熱或不加熱的方法，利用浸漬沉淀法制備所需要的催化劑。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種分級(jí)送風(fēng)催化燃燒技術(shù)，主要用于解決中小型工業(yè)爐窯燃燒不充分、黑煙等粉塵顆粒物排放較為嚴(yán)重的問題。此外，該催化劑對(duì)CO、SO
文檔編號(hào)F23L9/00GK1458445SQ03137589
公開日2003年11月26日 申請(qǐng)日期2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者舒新前, 徐精求 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū))