渗氮煤焦高温还原NO反应性的实验研究

摘要

我国燃煤工业排放的污染物是造成雾霾天气的主因之一。工业燃煤领域NOx的低成本、绿色、高效减排成为关注要点。工业锅炉中活性较强的煤焦可以降低 NOx排放并提高煤的燃尽率。本文提出渗氮工艺强化煤焦还原反应性的新工艺，开展了相关实验研究。焦炭在高温适宜条件下可还原 NO，在特定工艺中混入焦粉或强化燃烧过程中煤焦还原 NO能力，是低成本、资源化减排NOx的可行方案。焦炭-NO还原性与煤焦的孔隙结构有关，并直接受到表面活性位丰富程度的影响。为提高煤焦-NO反应活性，本文选择合适的半焦制备渗氮煤焦，开展大粒径煤焦异相还原 NO的实验研究，建立起不同处理方式与NO-半焦反应性的关系，为实现层燃锅炉更高要求的氮氧化物减排策略提供实验支持，对于控制氮氧化物排放具有深远的意义。
　　利用水平制焦炉，在不同渗氮条件下制备煤焦样品，通过工业分析、元素分析、压汞测试、氮气吸附测试、SEM及EDS测试、XPS测试等，对煤焦的元素构成、孔隙结构分布、官能团相对含量等各特征参数的差异进行了比对、分析。获得了孔隙结构、含氮官能团、含氧官能团等特征的变化规律。利用立式固定床反应器，探究经渗氮处理的大粒径煤焦异相还原 NO反应性的实验规律，闪蒸前后煤焦孔隙结构变化、氮剂担载以及含氮官能团的形成和变迁是影响高温条件下大粒径渗氮煤焦的NO反应性的主要因素。水与尿素闪蒸处理均能提升煤焦的NO还原能力，氮剂种类、用量、后处理、闪蒸时间、加入添加剂均会影响煤焦的NO还原性。
　　研究发现闪蒸前后煤焦孔隙结构变化、氮剂担载以及含氮官能团的形成和变迁是影响高温条件下大粒径渗氮煤焦的NO反应性的主要因素。随着温度的升高，煤焦的NO反应性上升。30s水闪蒸活化煤焦低于经60s水闪蒸活化煤焦的NO还原性。渗氮处理后，煤焦 NO还原能力上升；提高闪蒸时尿素用量还原能力提升，但尿素过量会阻碍煤焦的孔隙发展，降低 NO还原效果。低温时碳酸氢铵作为氮剂的渗氮煤焦具有非常好的NO还原效果，高温区则弱于尿素闪蒸煤焦。后处理会在一定程度上降低渗氮影响，经后处理渗氮煤焦的整体还原 NO趋势没有变化。闪蒸的前10s内，氮剂溶液主要发生的过程是水分快速气化，10s闪蒸时间渗氮煤焦的NO还原效果要好于30s闪蒸时间渗氮煤焦。加入碳酸钠作为增效添加剂会阻塞煤焦孔隙，从而影响反应性。

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第1章 绪 论

1.1研究背景

1.2煤中氮元素的变迁与氮氧化物的形成和控制

1.3煤焦-NO反应的研究

1.4研究目的与研究内容

1.5本章小结

第2章 实验系统和实验仪器

2.1立式固定床反应器

2.2水平管式炉加热系统

2.3立卧管式炉实验系统

2.4其它测试仪器简介

2.5本章小结

第3章 煤焦的制备及物化特性分析

3.1原始煤焦的制取

3.2渗氮煤焦的制备

3.3原煤及煤焦的工业分析

3.4原煤及煤焦的元素分析

3.5煤焦的孔隙分析

3.6煤焦的SEM和EDS表征分析

3.7 X射线光电子能谱（XPS）分析

3.8本章小结

第4章 渗氮煤焦的NO反应性实验

4.1渗氮煤焦-NO反应性实验方案

4.2水闪蒸活化时间对煤焦-NO反应性影响

4.3尿素溶液处理手段对煤焦-NO反应性影响

4.4尿素溶液用量对煤焦-NO反应性影响

4.5添加不同氮剂对煤焦-NO反应性影响

4.6后处理对煤焦-NO反应性影响

4.7闪蒸时间对渗氮煤焦-NO反应性影响

4.8加入增效添加剂对煤焦-NO反应性影响

4.9氮剂溶液热态滴注对煤焦-NO反应性影响

4.10本章小结

结论

研究工作的未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及其它成果

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