簡介
燃煤助燃劑在電力、石化、水泥等企業里起到了節能減排的重要作用。這裡介紹了國內外燃煤助燃劑的研究和套用成果，並提出了國內在燃煤助燃劑研究方面存在的問題和今後燃煤助燃劑的發展趨勢。
一、世界上煤炭資源有限，而且儲存量在不斷的減少，可是社會發展對煤炭的需求日益增長，煤炭價格也不斷上升。
這樣一方面需要節煤，另一方面要求採取措施提高煤炭的利用效率。因此如何通過提高煤炭的燃燒效率進而提高設備熱效率以達到節約能源的目的引起了眾多關注， 其中煤炭助燃劑這一塊就是目前研究的熱點。通過在煤中加入少量助燃添加劑促進煤的完全燃燒，既可減少不完全燃燒的熱損失，又可減少煙塵的排放。從節能和環保的角度而言，都具有十分重要的現實意義。本文對燃煤助燃劑的原理進行了解釋，總結了近年來國內外燃煤助燃劑的研究和套用成果，為進一步開發新型的高效燃煤助燃劑提供一定的指導作用。
1、燃煤助燃劑的作用及其助燃機理
燃煤助燃劑的作用：促使煤炭充分燃燒，起到助燃、增能、節煤的作用。燃煤助燃劑中含有提供氧源的氧化劑，可以在高溫條件下分解出氧氣促使煤炭充分燃燒。另外不含腐蝕性物質的催化劑，能有效降低氧的離解能和碳燃燒時所需的活化能，強化煤炭的燃燒，起到強烈助燃、增能、節煤作用。
2、減少有害氣體的排放，保護環境
燃煤助燃劑中的鹼性氧化物與受熱面上的煙垢和煙氣發生化學反應，使煙垢和煙氣中的硫化物生成硫酸鹽，隨爐渣一起排出爐外，減少二氧化硫、二氧化氮等有害氣體的排放，有利於保護環境。
3、降低企業成本，帶來巨大經濟效益
高效的助燃劑製作成本低、效果明顯，使用時僅需添加燃煤重量的百分之一到百分之二。採用中國專利CN1757702A 所述的燃煤助燃劑，實驗結果證明用於鍋爐可節煤15-22%，如原煤每天20噸的鍋爐，加入該助燃劑1.5%後，每天可以節約煤炭3.8噸。
燃煤助燃劑助燃機理
目前關於燃煤助燃劑的作用機理主要有兩個：一個是氧傳遞理論；另外一個是電子轉移理論。氧傳遞理論認為：加熱條件下助燃劑中的金屬類添加劑首先被還原成金屬，然後金屬吸附氧氣，使金屬氧化為氧化物，緊接著碳直接還原金屬氧化物，這樣金屬一直處於氧化還原循環中，在金屬和氧化物兩種狀態中來迴轉換，氧原子不斷從金屬向碳原子傳遞，加快氧氣擴散的速度，使燃燒更易進行。電子轉移理論認為：助燃劑中的金屬離子能夠被活化，從而使自身的電子發生轉移，成為電子給予體，金屬離子形成空穴，而碳表面的電子結構也發生變化，這種電荷的遷移將加快某些反應，從而提高整個反應的速度，使碳燃燒更完全。
組成部分及其作用
燃煤助燃劑的組成包括膨鬆劑、氧化劑、催化劑、脫硫劑或固硫劑、消煙劑、水以及其他有機助劑。
1、膨鬆劑
膨鬆劑在爐膛高溫區會受熱爆裂，攪動煤層中的氣流，促使碳粒表面的灰燼或燃燒產物CO脫離，使之充分燃燒。目前所用的膨鬆劑主要指的是工業食鹽氯化鈉。
2、氧化劑
氧化劑有助於提供燃燒在預熱段、燃燒段和燃燒盡段所必須的活性氧，促使煤在燃燒過程中釋放可燃的揮發份和碳粒的燃燒。常用的氧化劑有高錳酸鉀，氯酸鉀，高氯酸鉀等。高錳酸鉀可以在200-240℃溫區分解出氧氣；氯酸鉀可以在300-350℃溫區分解放出氧氣；高氯酸鉀可以在400℃以上分解出氧氣；這些分解出的氧氣為煤炭燃燒提供了必要的氧源。另外，硝酸鹽類如硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鈰、硝酸鋇等固體硝酸鹽加熱時能分解放出氧氣，其中最活潑的金屬的硝酸鹽僅放出一部分氧氣而變成亞硝酸鹽，其餘大部分金屬的硝酸鹽，分解為金屬的氧化物、氧氣和二氧化氮。硝酸鹽在高溫時也是強氧化劑。
3、催化劑
有二氧化錳、氧化鎂、三氧化二鋁、四氧化三鐵、三氧化二鐵、氯化鐵、稀土元 素、碳酸鈉、鋁土等。其中氧化鋁可以高溫條件下抑制CaSO4的分解，同時可以形成高熱穩定的CaSO4、CaO和Al2O3的復鹽，而且此產物覆蓋或包裹CaSO4晶體表面，抑制CaSO4的分解。金屬氧化物則是在氧傳遞過程中起著至關重要的作用。含鐵化合物通過降低煤燃燒的著火溫度與反應活化能來改善煤的燃燒特性。其作用效果隨添加量的增大而增強。其中，FeCl3 能夠提高煤燃燒過程中揮發分與降低煤焦的著火溫度，提高低溫燃燒過程的燃燒速率，使煤的著火與燃燒更加容易，並且隨著添加量的提高，對煤燃燒特性的改善作用也不斷提高；FeCI2對煤燃燒的催化作用與FeCI3相似，但改善的效果相對較小；Fe2O3對煤的燃燒過程影響不大。但Fe2O3對550℃左右的煤燃燒具有助燃作用。燃煤中添加MnO2：可以改善煤粉燃燒性能， 試驗結果表明，添加2%～5%的MnO2可使無煙煤和煙煤燃燒率分別提高14%～18%和3%～8%，且富氧與添加MnO2並用可進一步提高助燃效果。其助燃機理在於熱分解放出的活性氧加快了著火初期的火焰傳播速度，進而提高了煤粉燃燒率。
4、脫硫劑或固硫劑
固硫劑種類很多，常用的有鈣基固硫劑，鋇基固硫劑，鎂基固硫劑，納米材料固硫劑，有時也選用電石渣、造紙廢液、硼泥、赤泥、鹽泥等工業廢料和石灰石、白雲石等天然礦物。鈣基固硫劑有CaCO3、CaO、Ca(OH)2三種固硫劑，Ca(OH)2固硫效果最好，其次是CaCO3、CaO。在純的CaCO3中添加氧化鐵可以在固硫反應中起促進作用，降低反應活化，使反應更易進行，而且氧化鐵的加入，可以使CaSO4的分解溫度有一定的提高，加快CaSO3的氧化反應。簡單的機械混合方式加人CaCO3、Fe2O3、CaO等對煤燃燒的助燃作用較弱。有的甚至有抑制作用，而浸漬加入CaCO3或Ca(OH)2(石灰乳)及分別與少量CaCl2、Fe(NO3)3、FeSO4的混合鹽和浸漬Fe(NO3)3、FeSO4對煙煤、無煙煤均有較明顯的助燃作用。
大量的實驗結果研究發現，有機鈣基固硫劑的作用效果更好。實驗結果發現有機鈣的煅燒分為3個階段：第1階段以析出水份為主，第2階段則以析出有機氣體為標誌，第3 階段則是碳酸鈣分解。醋酸鈣鎂的分解較為容易進行，在298 ℃就開始析出丙酮氣體。而醋酸鈣和丙酸鈣分別在390 ℃和392 ℃開始析出丙酮和戊酮氣體。添加醋酸鈣鎂或丙酸鈣後，煤熱解析出溫度提前，揮發份最大析出速率增大揮發分釋放特性指數明顯提高，熱解過程變得更為劇烈，熱解性能得以提高。煤添加有機鈣後，燃燒初期樣品迅速失重，燃燒速率遠大於原煤，而在後期，樣品燃燒平緩，燃燒速率小於原煤。有機鈣提高了煤的著火性能和整體燃燒性能。鎂基固硫劑有MgCO3、MgO。其作用原理與鈣基固硫劑的作用原理相似，鋇基固硫劑主要是BaCO3。純BaSO4的分解溫度為1580℃，大大高於CaSO4的分解溫度，顯示較高的熱穩定性，且Ba較Ca具有更高的金屬活潑性，對應的氧化物具有更強的鹼性，更利於與酸性氧化物SO2的反應。 鋇基固硫劑在煤高溫燃燒中的固硫效果明顯高於鈣基固硫劑，具有較好的套用前景。貝殼固硫劑和納米材料固硫劑也有所套用。採用鈣基、鎂基、鋇基固硫劑，其固硫反應發生在SO2或SO3，與金屬氧化物之間，其主要化學反應通式為：MEO + SO2 + 1/2 O2 = MeSO4 或MeO + SO3 = MeSO4 。
研究表明，燃煤固硫機理為：煤燃燒過程中產生的SO2或SO3，在固硫劑內外表面上發生化學反應，生成MeSO4而實現固硫效果。在鈣基固硫劑中加入碳酸鈉、氧化鐵、碳酸鎂等添加劑對固硫反應有一定的促進作用。鈣基固硫劑經脂肪酸調製後，其物理性能會發生變化，如比表面積增加，顆粒內部孔隙率增加，孔隙的分布也發生了變化，使其脫硫率也有所增加。目前能改善固硫劑微觀結構的助劑也有很大的發展，這些助劑主要是鹼金屬化合物和有機溶劑如碳酸鈉（鉀），氯化鈉（鉀），氯化鐵，磺化木質素，乙醇等。固硫添加劑是一種新型的環保產品，隨著大氣環境保護工作力度的不斷加大和對於SO2 排放的進一步嚴格控制，此類產品已逐步為人們所重視。由於固硫劑在煤中添使用後既可以減少S02的排放，又可改善鍋爐燃燒狀況，為企業減少了SO2排污費的交納，增加了經濟效益。
5、消煙劑：早期的消煙劑主要以無機物為主，也有少量的有機物用作消煙劑，包括錳礦粉、氫氧化鉀、醋酸、高氯酸鉀、生石灰、硝酸鋅、硝酸鋁、硝酸鉛、硝酸鈣、環己胺、甲醇、乙醇、吐溫、乙醚、硝酸鹽水溶液、石灰乳等成分。最近幾年的煤炭助燃消煙劑向著有機溶劑的方向發展，中國專利CN101003759A 所述的製備方法中採用的是聚氧乙烯，清水。此種配方原料易購，製備方法簡單，成本低。它除煙的主要原理是高溫時攪於煤炭中的助燃消煙劑中的水分子分開，變成氫和氧，與煤炭燃燒的煤氣混合在一起同時燃燒，提高燃燒熱值，在不同於平常同等條件下的燃燒溫度中將煙塵雜質同時燃燒掉，以達到消煙的目的。中國專CN100999690A 在消煙劑中加入了C12 脂肪醇聚氧乙烯（4）醚 。其他有機化合物助劑包括烷基醇醚、烷基酯、烯烴、芳香族化合物、磷酸酯、氯代烴、 烷基醇醯等。
發展現狀及其優缺點
從國內外專利檢索與文獻檢索的實際套用情況來看，現有的燃煤催化劑從公布的原理及配方來看總結為四類：
第一類、以強化劑為主或輔以工業鹽、MnO2、Fe2O3、糖、脲素、磷及硫化銻，再輔以固硫劑。此類助燃劑對降低燃料的燃點，促進燃燒有一定的效果，但是這種速燃性氧化劑不穩定，受熱後快速分解、對燃燒體系作用時間短。另外強氧化劑在加工、運輸、儲存過程中存 在較大的安全隱患。
第二類、以各種金屬氧化物以及尾礦為主。 在使用過程中金屬離子有一定的粒度，須經乾 燥、分解、擴散之後才能發揮作用。而煤炭的燃燒是一個快速反應，金屬離子期望的催化裂解反應是慢速反應，必須經過吸附、絡合、裂解、解析等過程，其作用不及時。
第三類、以有機分子為主。首先是有機醇類：如中國專利CN 1266089A中採用的是甲醇、乙醇、吐溫、司班及其蒸餾水按照一定的配比配製而成的。其次是採用植物酶、乙醚、丙酮、 乙酸乙酯等常用有機溶劑，如中國專利CN 1405283A。再次是採用親油性礦物油、親油性植物油、乳化劑及其親水性表面活性劑為主體材料的助燃劑。金源化學集團的專利中主要採用的是表面活性催化劑、溶解助劑、滲透劑和油性溶媒[18]。由烷基醇醚、烷基酯、磷酸酯、烷基醇醯胺、 烯烴和芳香族化合物復配而成的新型高效燃煤催化劑可以在無須鍋爐改造的條件下達到鍋爐節煤、減排、脫焦的三重結果[19]。
第四類、以金屬羧酸鹽類為主，包括醋酸鹽、琥珀酸鹽、脂肪酸鹽類有機酸鹽。如中國專利CN 1718699A採用主體原料為醋酸鹽草酸鹽、醋酸鹽、草酸鹽、琥珀酸鹽、脂肪酸鹽、烷基磺酸鹽、烷基苯磺酸鹽、氨基磺酸鹽、馬來酸鹽、富馬酸鹽、檸檬酸鹽、酒石酸鹽、鞣酸鹽、乳酸鹽、羥基酸鹽、苯甲酸鹽、環烷酸鹽、異辛酸鹽、三甲基乙醯叔酮酯銅、甲基環戊二烯三羧基錳等。這類金屬羧酸鹽不太穩定，在燃燒過程中容易成鹽或氧化物失活。而金屬離子的反應與第二類的助燃劑相似。
發展與展望
燃煤助燃劑不僅具有良好的燃燒促進作用，同時還有優良的脫硫脫氮作用。人們對燃煤 助燃劑的長期研究並取得一定的成果。近年來國內已有多種商用燃煤助燃劑面世，試驗證明確有一定效果。由陝西省“億利萊”公司組織開發的“燃煤用脫硫助燃清焦潔淨劑”，在陝西、內蒙古、山西等地的40多家大型耗煤企業使用後，取得了巨大的環保價值和經濟效益。據有關方面監測報告，該項技術能實現降低二氧化硫排放量40%~55%、降低氮氧化合物20% ~30%、綜合節煤3%~8%，明顯降低排煙黑度，清灰除焦90%以上。由北京金源化學集團 有限公司開發的“CHARNA C煤燃燒催化劑”通過改善煤燃燒的動力學特徵，提高爐內煤燃燒速率，使燃燒更充分。同時通過最佳化燃煤顆粒的表面性能，促進煤中灰分與硫氧化物反應，達到脫硫作用。該催化劑已在重慶、山東等地數十家熱電企業得到了套用，效果顯著。“神州勝龍”煤炭改性劑適用於立窯煅燒爐、鏇轉煅燒爐，改性劑不但降低煤炭著火點而且釋放出大量的氧氣，節煤劑還起了固硫的作用，減少了二氧化硫等有害氣體的排放，有利於環境保護，從而實現經濟、環保雙贏的水泥最佳化煅燒生產過程。
基於目前的研究現狀以及工業需要，有必要在燃煤助燃劑的原料選擇、添加劑的配方和防止二次污染等方面開展深入的研究工作，以期實現“環保-經濟效益”的目的，因此高效、使用方便、對人體無害的液態燃煤助燃劑的開發套用是今後的發展趨勢之一。
