超細(xì)煤粉的燃燒機(jī)理與表面化學(xué)研究.pdf

1、污染物NOx的排放日益嚴(yán)重地影響著環(huán)境、氣候和人類的健康，成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題?；痣姀S燃煤產(chǎn)生的NOx是排放的主要來(lái)源。為了解決電站鍋爐排放的NOx對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，許多控制NOx排放的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中燃料再燃是一種很有效的方法。本文針對(duì)煤粉再燃中的熱解和燃燒過(guò)程、煤焦吸附NO氣體、煤粉再燃的異相還原NO的機(jī)理等關(guān)鍵問(wèn)題，提出了超細(xì)煤粉再燃降低NOx排放的技術(shù)，并對(duì)此進(jìn)行了一系列探索性的研究。 本文首先對(duì)超細(xì)煤粉的物理、

2、表面、熱解、燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)煤粉粒度的測(cè)定、孔隙結(jié)構(gòu)、紅外光譜的分析以及熱重分析等試驗(yàn)，得到了煤粉粒徑變化后煤粉特性的變化趨勢(shì)，為超細(xì)煤粉再燃降低NOx排放的試驗(yàn)研究奠定理論基礎(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)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(tuán)含量增大。煤粉熱解反應(yīng)分兩個(gè)階段進(jìn)行(低溫?zé)峤夂透邷責(zé)峤怆A段)，這兩階段反應(yīng)活性不一樣，機(jī)理也不一樣。隨著顆粒粒度的減

3、小，揮發(fā)分析出就越快，反應(yīng)進(jìn)行的越快，DTG峰值有所減小，TG曲線、DTG曲線和峰值都表現(xiàn)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(xiàn)得越平滑，并且煤粉析出揮發(fā)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(duì)煤樣的燃燒過(guò)程進(jìn)行熱重分析，煤粉顆粒粒度減小，煤粉更容易著火、燃盡，對(duì)不同粒度下的TG、DTG曲線分高低溫段進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)有關(guān)。同時(shí)對(duì)同一粒度下不同升溫速率下的TG、DTG曲線進(jìn)行分析，得到隨著升溫速率的增大，煤粉燃燒反應(yīng)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(shí)驗(yàn)臺(tái)和系統(tǒng)，在此試驗(yàn)臺(tái)上研究顆粒粒徑和溫度對(duì)煤焦對(duì)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(dá)到平衡，吸附效率降低，較小的顆粒粒徑對(duì)煤焦顆粒化學(xué)吸附NO的進(jìn)行更有利；溫度對(duì)煤焦化學(xué)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(shí)建立了基于固定床煤焦化學(xué)吸附NO氣體試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。該模型考慮了吸附過(guò)程中顆粒傳質(zhì)控制過(guò)程和表面反應(yīng)過(guò)程，建立了由傳質(zhì)過(guò)程和吸附劑表面反應(yīng)過(guò)程綜合決定的吸附動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)模型計(jì)算，選取基本工況，對(duì)煤焦顆?；瘜W(xué)吸附NO過(guò)程進(jìn)行了模擬，結(jié)果基本吻合。 本文經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研和仔細(xì)的設(shè)計(jì)、完善，建成了一個(gè)能夠較好地模擬煤粉再燃過(guò)程的攜帶爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)，爐內(nèi)溫度可控制，可以模擬煤粉爐內(nèi)NOx的生成和還原過(guò)程，為超細(xì)粉再燃的研

6、究提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。利用上述的一維熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，本文進(jìn)行了試驗(yàn)爐NOx排放特性研究。通過(guò)大量的試驗(yàn)，得出了煤粉粒度、爐膛溫度和過(guò)量空氣系數(shù)、入口氧濃度等因素對(duì)NOx排放的影響趨勢(shì)；并在此基礎(chǔ)上研究了超細(xì)粉再燃對(duì)脫氮效果，試驗(yàn)結(jié)果表明煤粉越細(xì)，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(xì)的煤粉作為再燃燃料時(shí)，可以減少再燃燃料的投入量；再燃區(qū)初始氧濃度對(duì)NO還原率有顯著的影響，

7、隨著氧濃度的增大，再燃還原NO效率減小；再燃區(qū)溫度對(duì)還原NO效率影響較大。在本文工況下，隨著再燃區(qū)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(shù)對(duì)上述經(jīng)固定床和攜帶爐反應(yīng)后的試驗(yàn)樣品進(jìn)行官能團(tuán)結(jié)構(gòu)變化的化學(xué)分析，得出隨著平均粒徑的減小，煤焦的化學(xué)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(tuán)含量增大，表明粒徑減小有利于煤焦化學(xué)吸附NO和煤焦異相還原NO氣體。同時(shí)利用量

8、子化學(xué)理論和計(jì)算軟件Gaussian03對(duì)煤焦吸附NO和煤粉再燃還原NO過(guò)程的異相還原反應(yīng)進(jìn)行基于分子水平的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算和分析，研究得出含N官能團(tuán)的形成機(jī)理和揭示了異相還原中N2的兩種形成過(guò)程，一種是吸附在焦炭上NO分子與隨后的NO分子發(fā)生反應(yīng)形成N2，另外一種是NO分子與焦炭表面N-6官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)生成N2，進(jìn)而得到了煤焦的異相還原NO的反應(yīng)機(jī)理，總結(jié)出煤粉再燃異相還原的主要路徑。本文以量子化學(xué)理論以及有機(jī)反應(yīng)理論為基礎(chǔ)，將量子化