基本介紹
- 中文名：高溫燃燒條件下煤焦中氮轉化為NO實驗和機理研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：孫銳
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
煤焦中氮元素向NO的轉化是燃料型NO釋放的重要來源，針對不同製備條件下煤焦和脫灰煤焦，在高溫水平管式爐上對不同燃燒條件下焦炭氮轉化為NO的規律開展實驗研究，獲得孔隙傳質特性和煤焦反應性對氮轉化影響的巨觀規律；對燃燒不同階段下的煤焦樣品在程式升溫脫附（TPD）反應器和程式升溫還原（TPR）反應器進行脫附測量，結合X射線光電子能譜（XPS）測試技術，對煤焦表面含氧、含氮複合物存在形式、數量和穩定性開展測量和分析，獲得氮的轉化的反應主要路徑和速率限制因素；在TPD反應器上進行低溫吸附和脈衝吸附，根據不穩定中間複合物脫附量的測量得出低溫和高溫下焦炭表面反應活性位數量及性質，定量描述焦炭對O2或NO的反應活性；通過對表面複合物生成和分解動力學特性的實驗和機理分析研究，獲得焦炭燃燒中氮向NO轉化的影響機制和主要反應路徑，進一步完善焦炭氮向NO轉化的動力學模型，為清潔煤燃燒技術提供基礎研究的支撐。
結題摘要
本項目圍繞焦炭燃燒過程中NOx排放特性展開了系統研究，定量表征焦炭表面孔隙結構及反應性，揭示煤焦高溫燃燒條件下O2、NO在顆粒孔隙中擴散作用規律，獲得了焦炭物理結構和化學結構與NO排放特性之間定量關係。明確溫度、氧濃度、煤階、煤焦粒徑、熱解溫度和氣氛、熱解時間對煤焦初始結構、反應活性和焦炭氮析出的影響規律。選擇典型工況製備不同燃盡程度焦炭樣品，利用程式升溫脫附/還原（TPD/TPR）、傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）、拉曼（Raman）和X射線光電子能譜（XPS）手段對部分氧化樣品表面化學結構和微觀結構進行分析，明確燃燒過程中表面含氮、含氧官能團穩定性及氮元素轉化和釋放規律。 通過研究發現高溫燃燒中，降低N/NO轉化起重要作用是有效反應面積和煤焦本徵反應性。這解釋了實際工程中燃用不同煤質NOx排放規律差異。高階煤反應性差和孔隙不發達，NOx排放濃度高。且高溫下增加煤焦在反應區停留時間提高煤焦石墨化程度，導致煤焦反應性下降NOx排放濃度增加。實際燃煤過程中應儘量提升煤焦反應活性，提高NOx還原量。研究還表明煤焦燃燒中顆粒表面活性位會氧化形成大量含氧官能團。隨著焦炭燃盡增加，含氧官能團數量先增加後減小，表面官能團總量在燃燒初期（Xc ≈ 0.2）達到最大值，其主要化學結構及熱穩定性為：羧基（1250 K）＜酚（1350 K）＜醚/酸酐（1550 K）＜內酯/醌（1650 K）。含氧官能團分解產物為空餘活性位以及含氧氣態產物（CO或CO2），高溫下空餘活性位或CO可與NO發生還原反應，反應溫度上升將導致NO還原速率明顯增加。 利用TG及高溫攜帶流反應器（EFR）測量了焦炭-O2和焦炭-NO反應動力學參數，建立了焦炭高溫攜帶流燃燒及氮轉化數值模型，與高溫攜帶流反應器實驗數據對比分析，驗證了反應機理模型準確性，焦炭高溫燃燒模型可以有效預測焦炭燃燒過程中碳元素和氮元素轉化規律，將眾多影響高溫焦炭氮轉化因素解耦，並釐清影響機制，更深入定量解釋和預測高溫下焦炭氮轉化。
