超細煤粉的燃燒機理與表面化學研究.pdf

1、污染物NOx的排放日益嚴重地影響著環境、氣候和人類的健康，成為一個迫切需要解決的問題?；痣姀S燃煤產生的NOx是排放的主要來源。為了解決電站鍋爐排放的NOx對環境的污染問題，許多控制NOx排放的技術應運而生。其中燃料再燃是一種很有效的方法。本文針對煤粉再燃中的熱解和燃燒過程、煤焦吸附NO氣體、煤粉再燃的異相還原NO的機理等關鍵問題，提出了超細煤粉再燃降低NOx排放的技術，并對此進行了一系列探索性的研究。 本文首先對超細煤粉的物理、

2、表面、熱解、燃燒特性進行了試驗研究，通過煤粉粒度的測定、孔隙結構、紅外光譜的分析以及熱重分析等試驗，得到了煤粉粒徑變化后煤粉特性的變化趨勢，為超細煤粉再燃降低NOx排放的試驗研究奠定理論基礎。試驗結果表明：隨著煤粉顆粒粒徑的減小，BET比表面積和孔容積增大，鐵法煙煤表面羥基、C-H、C=C，C=0雙鍵，C-O單鍵等官能團含量增大。煤粉熱解反應分兩個階段進行(低溫熱解和高溫熱解階段)，這兩階段反應活性不一樣，機理也不一樣。隨著顆粒粒度的減

3、小，揮發分析出就越快，反應進行的越快，DTG峰值有所減小，TG曲線、DTG曲線和峰值都表現出一定的滯后，即粒度減小，則失重提前。隨著升溫速率增大，TG曲線表現得越平滑，并且煤粉析出揮發分的起始溫度偏高，DTG曲線峰值向后推移，并且峰值有所增大。對煤樣的燃燒過程進行熱重分析，煤粉顆粒粒度減小，煤粉更容易著火、燃盡，對不同粒度下的TG、DTG曲線分高低溫段進行處理，發現煤粉顆粒粒徑越小，煤粉燃燒高、低溫度段的活化能就越小，其減小的程度與煤種

4、及其表面結構有關。同時對同一粒度下不同升溫速率下的TG、DTG曲線進行分析，得到隨著升溫速率的增大，煤粉燃燒反應的活化能減小，更易著火，但燃盡變得更加困難。 本文建立了固定床煤焦吸附NO實驗臺和系統，在此試驗臺上研究顆粒粒徑和溫度對煤焦對NO吸附特性的影響；得出隨著顆粒粒徑增大，吸附曲線較快達到平衡，吸附效率降低，較小的顆粒粒徑對煤焦顆?；瘜W吸附NO的進行更有利；溫度對煤焦化學吸附NO的能力影響較大，在本文工況下，吸附能力隨溫度

5、升高而升高。同時建立了基于固定床煤焦化學吸附NO氣體試驗系統的數學模型。該模型考慮了吸附過程中顆粒傳質控制過程和表面反應過程，建立了由傳質過程和吸附劑表面反應過程綜合決定的吸附動力學模型，通過模型計算，選取基本工況，對煤焦顆?；瘜W吸附NO過程進行了模擬，結果基本吻合。 本文經過大量的調研和仔細的設計、完善，建成了一個能夠較好地模擬煤粉再燃過程的攜帶爐實驗臺，爐內溫度可控制，可以模擬煤粉爐內NOx的生成和還原過程，為超細粉再燃的研

6、究提供了試驗基礎。利用上述的一維熱態試驗系統，本文進行了試驗爐NOx排放特性研究。通過大量的試驗，得出了煤粉粒度、爐膛溫度和過量空氣系數、入口氧濃度等因素對NOx排放的影響趨勢；并在此基礎上研究了超細粉再燃對脫氮效果，試驗結果表明煤粉越細，NO的還原效率越高；隨著再燃燃料比的增大，再燃還原NO效率增大；在保證一定的NO排放濃度水平的情況下，使用較細的煤粉作為再燃燃料時，可以減少再燃燃料的投入量；再燃區初始氧濃度對NO還原率有顯著的影響，

7、隨著氧濃度的增大，再燃還原NO效率減??；再燃區溫度對還原NO效率影響較大。在本文工況下，隨著再燃區溫度的增加，再燃還原NO效率增大。 本文利用XPS(光電子能譜)表面分析技術對上述經固定床和攜帶爐反應后的試驗樣品進行官能團結構變化的化學分析，得出隨著平均粒徑的減小，煤焦的化學吸附NO分子后表面的硝基-NO2、亞硝基-NO以及N-5，N-6和N-X官能團含量增大，表明粒徑減小有利于煤焦化學吸附NO和煤焦異相還原NO氣體。同時利用量

8、子化學理論和計算軟件Gaussian03對煤焦吸附NO和煤粉再燃還原NO過程的異相還原反應進行基于分子水平的化學反應機理計算和分析，研究得出含N官能團的形成機理和揭示了異相還原中N2的兩種形成過程，一種是吸附在焦炭上NO分子與隨后的NO分子發生反應形成N2，另外一種是NO分子與焦炭表面N-6官能團發生反應生成N2，進而得到了煤焦的異相還原NO的反應機理，總結出煤粉再燃異相還原的主要路徑。本文以量子化學理論以及有機反應理論為基礎，將量子化