富氧条件下金属改性生物质焦低温选择性还原氮氧化物研究

According to the poor low-temperature activity and the low selective of the carbon to NO of which carbon materials are used as a reductant in the carbonNOx process, biomass is used as the raw material, though pyrolysis, physical activation and metal modification, to prepare a biomass char denitration agent. The NO chemisorption, the rate of oxygen transfer between metal and carbon active sites and the recovery of the carbon active sites, can be enhanced by the complex pore structure and the good surface properties as well as the catalysis of metal, and thus achieve highly selective NO reduction at low temperature (<300 oC) in the presence of excess O2. Though the identification of C-NO reaction products, and the analysis on the structure of the key groups and the N/O-containing complexes on carbon surface during the C-NO reaction, the role of the carbon structure of physical chemistry and the metal modification on C-NO reaction is clarified. And the catalytic mechanism of metal is accordingly determined. The successful implementation of this study is to establish the basis for the development of the economic and efficient flue gas denitrification technology, which has important theoretical significance and application value.

针对目前以炭基材料为还原剂直接还原NO过程中，低温活性差，炭对NO选择性低的问题，本项目拟以生物质为原料，经过热解、物理活化与金属改性处理，制备一种生物质焦脱硝剂。利用生物质焦内部发达的多孔高含碳结构、独特的细孔结构、表面大量的结构缺陷以及金属催化作用，增加C-NO反应过程中NO的化学吸附量，加快金属与炭活性位之间氧的传递速率，提高炭活性位的恢复性能，从而实现脱硝剂在低温（<300 oC）富氧条件下高选择性还原NO。通过C-NO反应过程中产物成分及浓度的测定、炭表面关键基团结构分析以及C-NO反应过程中炭表面含氧含氮官能团的结构分析明确炭基材料物理化学结构与金属改性在C-NO反应中的作用，阐明金属催化机理。本项目的成功实施为开发出经济、高效的烟气脱硝技术奠定了技术基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。

氮氧化物（NOx）作为大气主要的污染物之一，其排放量呈现增长的趋势。根据国家信息中心预测，到2020年前后中国将超过美国成为世界第一大NOx排放国。因此，如何科学有效地治理NOx已成为我国大气污染控制领域最为紧迫的任务之一。固定源主要的脱硝技术为选择催化还原（SCR）和非选择性催化还原（SNCR），对于工业锅炉而言，SCR运行成本较高，而SNCR又存在对氨资源的竞争问题。因此，研究开发适合我国国情的低成本工业锅炉NOx减排技术刻不容缓。再燃低 NOx燃烧技术是一种适合我国以煤为主要能源结构的低成本的锅炉氮氧化物排放控制技术，采用可再生能源的生物质作为还原剂，拓宽了再燃燃料的选择。生物质再燃作为生物质和煤联合燃烧方式的一种选择，替代了相应数量的化石燃料用于能源的供给，从而减少相应数量化石燃料的SO2的释放，同时有效的降低整个联合燃烧过程的 NOx排放，因此生物质再燃将是一种应用前景广阔的联合燃烧技术。首先，在实验室通过对生物质热解及燃烧特性研究，发现在相同热解条件下，木屑析出的CH4高于稻壳和玉米秸，稻壳析出的H2最多，玉米秸析出的CO最多；随温度的升高，几种物料的气相产率增加，焦炭产率下降；随着颗粒粒径的不断减小，生物质热解气相产率逐渐增加，焦炭产率逐渐减小，且焦炭产率的变化幅度大于气相产率。在气相产率中，大分子产物CH4随颗粒尺寸的减小而减小，小分子产物（CO和H2）的变化趋势则相反。随后，课题通过对生物质再燃过程中关键热解气体组分的变化规律研究发现，生物质类型对其再燃降低NO的排放有很大影响。在整个温度范围内，木屑的最大脱硝效率为55%，远高于稻壳（43%）和玉米秸（44%）；再燃过程中生物质产生的热解气能够增强还原性气氛，从而促进了再燃脱硝效率，当烟气中的氧浓度为0-1%时脱硝效率较高；在还原性气氛下，不同生物质再燃脱硝效率的差异主要来自生物质不同热解气体与NO的均相反应。其中，碳氢类物质（主要是CH4）对NO的还原起到了关键作用，而CO和H2的作用不大，HCN+NH3的浓度值反映了气相中NO向N2的转化趋势。随后，课题又对生物质焦非均相还原NO进行了系统研究。在相同化学计量比条件下，对于所有生物质及其焦样，具有较高挥发分含量的生物质样品表现出较好的脱硝性能。