焦炭燃燒過程中氮轉化機理與低NOx燃燒技術的開發(fā).pdf

1、我國是能源消耗大國，且能源結構以煤炭為主，每年消耗煤炭總量的50％用于火力發(fā)電，燃煤電站排放的氮氧化物(NOx)是破壞我國大氣環(huán)境的的重要污染物之一，深入探索煤燃燒過程中的氮轉化機理、開發(fā)新型低NOx燃燒技術對控制電廠NOx排放、改善我國大氣環(huán)境有重要意義。由于煤粉高溫熱解所釋放的揮發(fā)分向NOx的轉化及對NOx的同相還原機理已相當明確，本文主要研究煤及焦炭中氮的賦存形態(tài)、焦炭氮向NOx的異相轉化機理及NO在焦炭表面的異相還原機理，提出一

2、種新型的低NOx燃燒技術，在中型試驗臺上將其實施并進行熱態(tài)調試試驗。
　　XPS分析發(fā)現(xiàn)煤焦中的氮主要是以六元環(huán)的吡啶氮的形態(tài)存在。選用合理簡化的具有zigzag結構和armchair結構的焦炭和含氮焦炭模型，使用量子化學計算的方法對焦炭氮異相氧化生成NO、NO在焦炭表面發(fā)生異相還原、NO與焦炭氮相互作用的反應機理進行了分子層面上的研究。O2可與煤焦中的氮發(fā)生反應，將焦炭氮異相氧化為NO。O2在含氮焦炭邊緣的吸附為強放熱反應。O2

3、異相氧化zigzag結構焦炭氮生成NO釋放出430 kJ/mol的熱量；將armchair結構焦炭氮異相氧化為NO有兩個不同的反應路徑，分別釋放出97.2kJ/mol和241 kJ/mol的熱量。計算發(fā)現(xiàn)NO釋放與CO釋放路徑及所需能量非常相似，燃燒過程中O2對焦炭中氮和碳的異相氧化沒有選擇性。
　　NO在焦炭表面發(fā)生異相還原主要有兩個不同的反應機理。機理一為煙氣中一個NO分子首先吸附在焦炭表面生成表面碳氮組分(-CN)，另一個N

4、O分子與(-CN)結合釋放出N2；機理二為煙氣中兩個NO分析吸附在焦炭邊緣相鄰的四個碳活性位上并生成兩個相鄰的(-CN)，兩個(-CN)相結合釋放出N2。計算發(fā)現(xiàn)反應機理一所需能量低于反應機理二，使用經典過渡態(tài)理論對兩個機理的速率限制步的反應速率常數(shù)進行計算發(fā)現(xiàn)，機理一速率限制步的反應速率常數(shù)明顯高于機理二的反應速率常數(shù)。NO在焦炭表面的異相還原主要經由反應機理一進行。NO在焦炭表面還可被還原為N2O，N2O會在焦炭表面經由氧抽提反應發(fā)

5、生異相分解釋放出N2。
　　NO可以與焦炭中自身存在的吡啶氮發(fā)生異相反應。當以side-on吸附模式生成N-N鍵時，會經由放熱反應釋放出N2；生成N-O鍵時，會發(fā)生類似氮交換的反應釋放出NO，氮交換的過程為吸熱過程。當NO以N-down模式吸附在含氮焦炭表面生成N-N鍵時，會將焦炭中的氮原子提取出來釋放出N2O，N2O的生成路徑最高需翻越418 kJ/mol的能壘，NO與含氮焦炭作用釋放出N2O比較困難。
　　在水平管式爐上

6、對焦炭燃燒過程中焦炭氮向NO的轉化規(guī)律及焦炭對NO的異相還原進行了研究。當溫度低于1000℃時，隨著溫度的升高，焦炭氮向NO的轉化率升高；當溫度高于1000℃時，隨著溫度的升高，焦炭氮向NO的轉化率降低。當氧濃度為3％時，焦炭氮向NO的轉化率最低。焦炭氮向NO的轉化率隨著煤階程度的增高而增高。焦炭對NO的異相還原作用隨著溫度的升高而增強，隨著氧量的升高而減弱。粒徑越小，NO在焦炭表面的異相還原率越大。
　　在自動程序升溫化學吸附平

7、臺上對幾種不同的焦樣在不同條件下對NO的還原作用進行了詳細的研究，并研究了CO的添加對焦炭異相還原NO的影響。無氧條件下600℃以下并未發(fā)現(xiàn)焦炭對NO的異相還原能力，當溫度高于600℃時，隨著溫度的升高，焦炭對NO的還原能力增強。焦炭異相還原NO的主要產物是CO和N2，此外還有C02，850-900℃是較適于CO2生成的溫度?；钚蕴吭诋愊噙€原NO的過程中還會有HCN的生成。CO的添加并不會影響焦炭異相還原NO的起始溫度。在焦炭的催化作用

8、下，CO會將NO還原為N2，同時生成CO2，CO的添加會提高NO的還原效率。CO的添加會抑制HCN的生成。
　　提出BFA(Below Fire Air)的概念，在2.11MW四角燃燒中型鍋爐試驗臺上對BFA與空氣分級和燃料分級相結合的新型低NOx燃燒技術進行熱態(tài)調試試驗。OFA風速越大爐膛出口煙氣溫度越低，NOx排放量越低，但會引起飛灰含碳量的上升。BFA的投入會降低下爐膛的溫度。對于BFA與OFA相結合和BFA與燃料分級相結合