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燃煤催化剂催化机理的探讨 肖健立,康 华,王振阳 黑龙江科技学院 资源与环境工程系,黑龙江 鸡西158105 摘 要简要地介绍了燃煤催化剂的作用,并对其催化机理进行了探讨。 关键词催化剂;催化机理;氧传递;电子转移 中图分类号TQ534; O643131 文献标识码A 文章编号1008 - 8725200211 - 0073 - 03 0 前言 我国煤炭资源消耗中约90 用于燃料,其中 70 以上为工业燃料,民用燃料约占28 。原煤燃 烧是我国煤炭的主要利用方式。据统计,我国现有 锅炉约40万台,每年耗原煤约6亿t ,平均热效率仅 为55 ,民用燃煤近2亿t。目前的状况是燃烧设 备陈旧,燃烧技术落后,能源浪费现象极为严重。历 3风能我国有广大的适合于风力发电的地 区。 213 节能措施 目前我国单位产值能耗远高于发达国家,主要 工业产品能量单耗比国外高40 表 4 。我国能源 水平利用低,有很大的直接节能潜力。 表4 世界部分国家单位产值能耗 单位吨标准煤/千美元 年度中国美国日本德国法国英国 意大利 加拿大 198921090146011801330120012401220160 19932160015001210128013201200155 199421200149012201270126013101200155 资料来源IAEA ,1994煤炭信息;OECD ,巴黎,1995;中国统计年 鉴 我国节能的主要措施是改善经济结构;利用工 业企业规模效益节能;降低工业产品单耗。 214 经济手段 通过征收化石燃料税以降低对煤炭的需求量。 一些OECD国家除现存的对化石燃料的消费税之 外,还对化石燃料征收碳税[4]表 5 。 芬兰和荷兰收费太低,没有刺激效果。丹麦、 挪 威和意大利的碳税才刚刚建立。在瑞典,能源税和 CO2税太高,以致一些地区的热电厂从化石燃料转 向生物燃料。在这一方面值得我国借鉴。 表5 直接的和隐含的碳税 国家每吨CO2的税率现有消费税中的隐含税率 丹麦ECU515～1111ECU2613 芬兰ECU111ECU1911 意大利ECU117ECU3919 荷兰ECU014ECU1519 挪威ECU151 7 对煤炭和焦炭ECU3215 瑞典ECU3719ECU3812 3 结束语 地球是我们共同的家园,而环境因素是我们这 个家园的根基。在我们这个蔚蓝的小星球上,全球 环境意识的迅速觉醒是最根本的善。因此,只有让 卡逊的思想变成千万人的共同意识[5],才会使我们 的春天不再 “寂静”,才会使我们的地球春色满园。 参考文献 [1] 南方周末 1 观察 12000191201 [2] 经济合作与发展组织编 1 环境管理中的经济手段[M]1 北京 中国环境科学出版社,1996 ,91 [3] 王慧炯,甘师俊,李善同,等 1 可持续发展与经济结构[M]1 北 京科学出版社,1999 ,11 [4] 马光,等 1 环境与可持续发展导论[M]1 北京科学出版社, 2000 ,21 [5] 雷切尔,卡逊1寂静的春天[M]1长春吉林人民出版社,19971 Talking about the destruction of coal industry to environment and countermeasures LI Gui-bing Research Institute ,School of Architectural Engineering , Zhejiang University ,Hangzhou 310027 ,China Abstract Now ,it is urgent for us to look for a balance between natural resources exploitation and environment protection. This essay analyzes the solution on the technology ,exploitation of new resource ,energy economization and economy. Key words coal industry; environment ; settlement 收稿日期2002 - 05 - 16;修订日期2002 - 08 - 26 作者简介肖健立1973 - ,讲师,1996年毕业于原黑龙江矿业学院选矿工程专业,主要研究方向矿物加工与利用。 第21卷第11期 2002年11月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol.21 ,No11 Nov. ,2002 年的统计资料表明,我国的大气污染属于煤烟型污 染,污染主要来源于工业和民用燃煤,燃烧过程中产 生烟尘约占大气污染物总量的70 ,酸雨蔓延、 气 候变化等生态问题不仅危害我国人民的身体健康和 工农业生产,还危及其他国家和地区,并已引起周边 国家的广泛关注。因此改进燃烧现状,发展 “洁净煤 技术”,提高煤炭利用效率,减少环境污染,对社会和 经济的发展有重要意义。燃煤催化剂作为洁净煤技 术之一已经得到了应用。 1 燃煤催化剂的作用 已有研究表明,在煤中添加某些碱金属或碱土 金属化合物可不同程度地起到促进燃烧作用。燃煤 催化剂在煤炭燃烧中能有效地降低煤炭着火温度, 同时起到促进燃烧和减少污染排放的作用。催化剂 为原料煤在燃烧过程中提供了燃烧初期必需的氧 气,提高了煤炭颗粒的燃烧速度,即使煤质不好,通 过添加催化剂,也可以保证锅炉的燃烧情况和出力 负荷,充分利用了煤炭资源。 2 燃煤催化剂的催化机理 对燃煤催化剂的助燃作用,目前已有的研究结 果可以归结为两种观点,即氧传递学说和电子转移 学说。 211 煤催化燃烧的氧传递学说 氧传递学说认为在加热条件下催化剂首先被还 原成金属或低价金属氧化物 , 然后依靠金属或低 价金属氧化物吸附氧气,使金属或低价金属氧化 物氧化得到金属氧化物或高价金属氧化物 , 紧接 着碳再次还原金属氧化物或高价金属氧化物 , 就 这样金属或低价金属氧化物一直处于氧化 还原 循环中,在金属或低价金属氧化物和氧化物或高 价金属氧化物两种状态来回变动。从宏观上,氧原 子不断从金属或低价金属氧化物向碳原子传递。 加快氧气扩散速度,使煤燃烧反应易于进行。 试验表明碱金属、 碱土金属的盐及氧化物的催 化作用就可以用氧传递理论来阐明。以碳酸钾为 例,K能与煤表面含氧基团形成表面络合盐CO - K,它可以与芳性碳和脂肪碳相连,由于钾的供电 子效应,可通过氧传递到碳环或碳链上,迫使它不稳 定而破裂,生成CO、CO2逸出,在水分子的作用下, 再重新形成表面络合盐,表面络合盐担负着活性中 心的作用,催化反应方程式为 K2CO3 C O2 K2O 2CO2 催化剂在反应过程中产生中间化合物,如金属 氧化物,充当了氧的载体,促进了氧从气相向碳表面 的扩散。 K2O n 2 O2 K2O1 n K2O1 n nC K2O nCO 碱金属氧化物还可以通过下面两个反应产生 K2CO3 K2O CO2 K2CO3 1 2 O2 K2O2 CO2 催化氧化反应过程为 K2CO3 1 2 O2 K2O2 CO2 2K2O2 C 2K2O CO2 K2O 1 2 O2 K2O2 K2O CO2 K2CO3 徐谷衡等的研究中用X衍射仪分析了K2CO3 催化燃烧产物,结果显示固体化合物中含有KHCO3, K2CO3nH2O ,K OH ,K2O ,K2O2等衍生物,可见上述催 化反应机理推断有一定的事实依据。 212 煤催化燃烧的电子转移学说 电子转移学说从电子催化理论入手,认为金属 离子嵌入碳晶格的内部使碳的微观结构发生变化, 并作为电子给予体,通过电子转移加速部分反应步 骤。 电子转移学说认为,催化剂中的金属离子在加 热过程中能够被活化,从而其自身的电子发生转移, 成为电子给予体。结果,金属离子将形成空穴,而碳 表面的电子构型也将发生变化,这种电荷的迁移将 加速某些反应,从而提高了整个反应的速度,使碳燃 烧得更完全。 试验表明碱金属、 碱土金属的盐及氧化物的催 化作用也可以用电子转移理论来阐明。通过热分析 数据计算得到的活化能见表 1 就说明了这一点。 加入催化剂后,煤燃烧的表现活化能都有所降低。 表1 煤催化燃烧的表现活化能 煤种催化剂 添加量 表观活化能Ea kJ/ mol 鸡西煤 - K2CO3 CuSO4 - 1 3 5 8 1 3 5 8 108 8311 7511 5515 8311 9614 9418 9213 9016 74 煤 炭 技 术 第11期 井筒钢性装备6 m罐梁层间距的研究 李森田,王清平 七煤集团 建设工程总公司,黑龙江 七台河 中图分类号TD535 文献标识码A 文章编号1008 - 8725200211 - 0075 - 02 0 前言 立井钢性井筒装备通常采用4 m罐梁层间距结 构形式。随着井筒深度增大,井筒装备钢材消耗和 井筒通风阻力随之增大,加大罐梁层间距可有效地 减少井筒装备钢材消耗量,降低通风阻力。经过计 算,将罐梁层间距由4 m增大到6 m ,可节省井筒装 备钢材将近1/ 3 ,降低通风阻力30 ～40 。 富强矿、 铁东矿、 桃山矿、 新兴矿罐梁层间距均 采用4 m间距。龙湖矿井由沈阳设计院首次采用5 m罐梁层间距,1998年4月1日投产以来,证明增大 罐梁层间距的巨大效益。也证明了6 m罐梁层间距 的可行性。 根据19951～7期中国矿业大学学报,史天生 的 钢性井筒装备水平作用力的工程计算法,和1996 7山西矿业学院学报,王东权的 6m罐梁层间距井 筒装备可靠性分析,6 m罐梁层间距切实可行。 1 6 m罐梁层间距井筒装备载荷和结 构特性分析 111 载荷特性分析 水平力是钢性井筒装备上作用的主要载荷,现 场实测及实验室相似模拟实验结果表明,6 m层间 距井筒装备上作用的水平力具有四大特性即水平 力的峰值特性、 动力特性、 随机特性和作用的长期 性。它可能造成6m层间距井筒装备强度破坏、 钢 度破坏、 动力失稳破坏和疲劳破坏4种损坏模式。 显然,6 m和4 m层间距井筒装备水平力载荷特性 及损坏模式并无本质区别,所不同的是罐梁层间距 加大只引起水平载荷峰值减小和水平力冲击作用频 率降低。据研究,罐梁层间距由4 m加大到6 m ,水 平力载荷峰值减小6 ～10 ,水平力冲击作用的 频率降低20 ～30 。因此它为6 m层间距井筒装 备成功应用提供了理论基础。 112 结构特性分析 井筒装备罐梁层间距由4 m加大到6 m势必引 起井筒装备结构特性改变,主要表现在井筒装备强 度特性和动力特性的改变。 1强度特性。井筒装备承载能力包括承受水 平力峰值最大值作用的能力和承受水平力峰值平均 值长期作用的能力。研究表明,罐梁层间距由4 m 加大到6 m ,罐梁的承载能力降低较小,而罐道的承 载能力降低较大。如某矿箕斗井井筒装备计算结 果,罐梁层间距由4 m增大到6 m时,罐梁最大应力 等效应力幅增加41 。显然6 m层间距井筒装备 承载能力主要由罐道的承载能所决定,因此,6 m层 间距井筒装备可靠使用的关键之一是保证井筒装备 特别是罐道的强度和疲劳强度满足要求。 2动力特性。井筒装备结构动力计算结果表 明,6 m层间距井筒装备结果自振动频率属低频振 动,井筒装备结构自振动频率变化的幅度随井筒装 3 结束语 催化剂的作用是复杂的,催化剂的成分也不是 单一的,其对燃烧过程所起的作用是一些作用的综 合结果。本文对其可能的催化机理作了初步的探 讨,完整说明助燃催化剂的催化机理尚需更深入的 研究。 参考文献 [1] 毛健雄 1 煤的清洁燃烧[M]1 北京科学出版社,2000 ,51 [2] 武增华 1 化学添加剂对燃煤的降低燃点和促燃环保作用[J ]1 煤炭转化,1996 ,71 Approach on the catalysis mechanism of fuel coal catalyst XIAO Jian-li ,KANG Hua , WANG Zhen-yang Resource and Environment Dept. ,Heilongjiang Institute of Science and Technology ,Jixi 158105 ,China Abstract The action of fuel coal catalyst is introduced.And its mechanism is approached. Key words catalyst ; catalysis mechanism; oxygen transmission; electro transfer 收稿日期2002 - 06 - 26;修订日期2002 - 08 - 28 作者简介李森田,现在七煤集团建设工程总公司从事技术工作。 第21卷第11期 2002年11月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol.21 ,No11 Nov. ,2002